Bald einstufig möglich: Alkohol aus CO2 herstellen?
Erstmals ist es Forschenden gelungen, ein einstufiges Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von höheren Alkoholen wie Ethanol und Propanol aus CO2 und Wasser zu entwickeln. Das bietet einige Vorteile gegenüber zweistufigen Verfahren der CO-Elektrolyse, die aktuell Stand der Technik sind.
Unser CO2-Fußabdruck ist nach wie vor zu groß, Forschende arbeiten daran, diesen kleiner zu machen.
Foto: Panthermedia.net/Andriy Popov
Nach wie vor werden zu viele Treibhausgase in die Atmosphäre entlassen, so dass die Pariser Klimaziele kaum noch zu erreichen sind. Die deutsche Industrie versucht zwar alles, um den CO2-Ausstoß während der Produktion zu reduzieren, doch ganz ohne geht es zum Beispiel bei der Zementherstellung oder Stahlproduktion nicht. Das Fraunhofer UMSICHT hat nun mit Siemens, Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe sowie der Ruhr-Universität Bochum und der Universität Stuttgart untersucht, wie aus dem Treibhausgas Rohstoffe für die chemische Industrie entstehen können. Dabei haben sie die Basis für ein einstufiges Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von höheren Alkoholen wie Ethanol und Propanol gelegt.
Kohlendioxid als Rohstoff
Aktuell arbeiten zahlreiche Forschende auf der ganzen Welt an der Transformation von CO2. Ziel ist es, das klimaschädliche Kohlendioxid in Produkte zu verwandeln, die von der Industrie genutzt werden können. So hat das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zum Beispiel ein Verfahren entwickelt, mit dem CO2 aus der Luft in reinen Kohlenstoff umgewandelt wird. Wir berichteten darüber.
Bestandteil des vom KIT entwickelten Verfahrens ist die CO-Elektrolyse. Hierbei entsteht durch eine Reaktion von (grünem) Wasserstoff und CO2 zum Beispiel Methan, Methanol oder Synthesegas. Auch diese Gase können für die Energiebereitstellung oder als Ausgangsrohstoffe für eine Vielzahl von chemischen Prozessen, wie zum Beispiel für die Herstellung von Biokraftstoffen verwendet werden.
Zusätzlich können aus CO2 mithilfe von erneuerbarem Strom synthetische Kraftstoffe erzeugt werden (Power-to-Fuel). Diese können in Bereichen eingesetzt werden, in denen Batterien aufgrund der eingeschränkten Reichweite mittelfristig noch keine Alternative zum Verbrennungsmotor darstellen. Hierzu zählt der Flug- und Schiffsverkehr, aber auch der Langstreckenverkehr auf der Straße.
Zurück zur CO-Elektrolyse, diese erfolgt in zwei Stufen: In der ersten Stufe wird mit Hilfe von Wasser und regenerativem Strom grüner Wasserstoff hergestellt. Im zweiten, thermokatalytischen Prozessschritt wird der Wasserstoff mit C02 zum gewünschten Endprodukt umgesetzt. Das ist etwas umständlich, da der Wasserstoff zuerst hergestellt und zwischengespeichert werden muss. Bei dem einstufigen Verfahren, dass das Fraunhofer UMSICHT mit seinen Partnern erforscht, entfällt dieser Schritt.
Einstufiges Verfahren zur Herstellung von Alkohol aus CO2
Im Rahmen von „ElkaSyn“ haben das Fraunhofer UMSICHT, Siemens, Mitsubishi Hitachi Power Systems, die Ruhr-Universität Bochum sowie die Universität Stuttgart untersucht, wie sich die Energieeffizienz der elektrokatalytischen Alkoholsynthese steigern lässt. Dabei haben sie die Basis für ein einstufiges Verfahren mit den Reaktionspartnern CO2 und Wasser gelegt, das einige Vorteile bietet:
„Zum einen müssen keine Produkte zwischengespeichert werden, da CO2 und Wasser direkt im elektrokatalytischen Reaktor umgesetzt werden. Es entfällt im Vergleich zu anderen Verfahren die separate Herstellung und Speicherung von Wasserstoff“, erläutert UMSICHT-Wissenschaftlerin Theresa Jaster. „Zum anderen kann Energie eingespart werden, da der zusätzliche Schritt der Wasserstoffherstellung ebenso wegfällt wie die mit diesem Prozess einhergehenden Energieverluste. Auch weitere Wärme-, Energie- oder Materialverluste, die durch den Übergang zwischen mehreren Prozessstufen auftreten, können damit vermieden werden.“
Während der Projektphase haben die Forschenden unter anderem verschiedene Elektrolyt-Systeme für die elektrochemische CO2-Reduktionsreaktion unter Hochdruckbedingungen getestet und modelliert. Zudem haben sie eine skalierbare Hochdruckzelle für die elektrochemische CO2-Reduktion entwickelt. Auf diesen und weiteren in der Projektphase gewonnenen Ergebnissen wollen die Projektpartner nun aufbauen: „Unsere Zusammenarbeit war trotz Corona-bedingter Einschränkungen sehr intensiv und fruchtbar. Das möchten wir gerne fortführen“, betont Dr.-Ing. Heiko Lohmann vom Fraunhofer UMSICHT.
Wofür können die Alkohole verwendet werden?
Die durch das Verfahren gewonnenen Alkohole wie Ethanol haben die verschiedensten Einsatzgebiete, schließlich nutzen wir täglich viele Dinge, die auf Kohlenstoffverbindungen basieren. Bislang stammen diese meistens noch aus fossilen Quellen wie Erdöl oder Kohle, künftig kann das anders werden. So lassen sich zum Beispiel Biokraftstoffe daraus herstellen.
Bereits heute dient Ethanol zum Beispiel als Lösungsmittel für Öle, Fette, Harze und viele Farbstoffe. Es ist aber auch in Kosmetika, in Rasierwasser und anderen Riechstoffen zu finden. Durch seine keimtötende Wirkung wird er auch als Desinfektions- und Konservierungsmittel eingesetzt. In der chemischen Industrie ist er ein wichtiger Ausgangsstoff zur Gewinnung vieler Chemikalien, wie z. B. Ethanal, Chlorethen, Butadien oder Ether. Zur Herstellung einiger pharmazeutischer Präparate ist ebenso Ethanol nötig.
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