Die Energiewende und der mit ihr anfallende CO2-arme Strom bieten die Chance, eine stromgeführte Produktion aufzubauen. Zehn Fraunhofer-Institute entwickeln und optimieren Verfahren, die diesen Strom nutzen, um wichtige Basischemikalien herzustellen. Auf der Hannover Messe 2017 in Halle 2, Stand C22, präsentiert Fraunhofer "UMSICHT" das Fraunhofer-Leitprojekt "Strom als Rohstoff".
Konkret entwickeln die Forscher zwei Varianten: Bei der ersten arbeiten sie an einem Reaktor, bei dem eine Membran die beiden Pole trennt. Entscheidend ist, einen Katalysator für den Minuspol zu finden, der die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid möglichst wirkungsvoll in Gang bringt. Das zweite Verfahren basiert auf einer Diamantelektrode. Eingesetzt wird sie bereits zur Abwasser-Desinfektion. Die Fachleute versuchen sie so zu modifizieren, dass sie auch Wasserstoffperoxid herstellen kann.
Beide Varianten funktionieren, allerdings muss die Konzentration des Wasserstoffperoxids noch gesteigert werden. "Am Ende soll die Erkenntnis stehen, welches der beiden Verfahren besser läuft", erläutert Dr. Pflaum. "Unser Ziel ist, beide Methoden in die Nähe der Praxisreife zu bringen." Die Vision: Auf dem Firmengelände eines Zellstoffherstellers produzieren elektrochemische Reaktoren – womöglich mit dem Strom eines benachbarten Windparks – stets so viel Bleichmittel, wie der Papierhersteller gerade benötig: Wasserstoffperoxid-Produktion On-Demand.
CO2 elektrochemisch zu Produkten umsetzen
Deutlich grundlagenorientierter gestaltet sich der andere Zweig des Leitprojekts. Hier wollen die Fachleute versuchen, aus Strom und CO2 wichtige Basischemikalien zu produzieren, die konventionell aus Erdöl gewonnen werden. Zwar gibt es CO2 im Überfluss, jedoch ist es reaktionsträge und geht nur ungern Verbindungen ein. "Damit es chemisch reagiert, müssen wir es aktivieren", erklärt Dr. Pflaum. "Im Rahmen unseres Leitprojekts entwickeln wir drei Prototypen, die CO2 elektrochemisch zu Produkten umsetzen."
Ethen ist ein zentrales Vorprodukt für die Herstellung des Standardkunststoffs Polyethylen. Die Fraunhofer-Experten entwickeln einen Reaktor auf Basis einer Gasdiffusionselektrode. In ihm kommt CO2 mit einem Elektrolyten in Kontakt. An der Elektrode entsteht mithilfe eines Katalysators Ethen. Kurzkettige Alkohole wie Ethanol und Propanol dienen als Standardreaktionspartner in der organischen Chemie, kommen aber auch als Treibstoff in Frage. Mit einem neuartigen Hochdruck-Reaktor arbeiten die Wissenschaftler daran, verdichtetes CO2 chemisch zu aktivieren und mit Wasserstoff zu Alkoholmolekülen reagieren zu lassen.
Langkettige Alkohole fungieren unter anderem als Weichmacher, Tenside, und Kraftstoffadditive. Um sie klimafreundlich zu erzeugen, entwickeln die Forscher ein zweistufiges Verfahren: Zunächst erzeugen sie aus Wasser und CO2 mittels Hochtemperatur-Elektrolyse ein Synthesegas, das aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht. Dieses Gas wird dann in einer Fischer-Tropsch-Synthese zu langen Alkoholmolekülen verkettet. "Gelingt es uns, die Machbarkeit dieser Verfahren zu zeigen, sind das attraktive Alternativen für die chemische Industrie", so Dr. Pflaum. Dann ließen sich die neuen, klimaschonenden Methoden gemeinsam mit der Industrie zu Pilotanlagen weiterentwickeln.
