ElkaSyn: Energieeffiziente Elektrosynthese von Alkoholen

Im einstufigen Verfahren von CO2 und Wasser direkt zu Methanol, Ethanol, Propanol und Butanol

© Fraunhofer UMSICHT

Hochdruckreaktor

Für die elektrochemische Alkoholsynthese werden im Projekt Reaktorkonzepte entwickelt, die mit einem hohen CO2-Partialdruck arbeiten.

Projektziele: Erzeugung von Alkoholen aus Kohlenstoffdioxid

Ziel des Projektes ist die direkte Erzeugung von Alkoholen aus CO2 – und zwar mittels elektrochemischer Reduktion. Diese Elektrolyse soll unter technisch-wirtschaftlichen Bedingungen betrieben werden.

Nutzen: CO2 als Erdölalternative

Die Herstellung vieler Produkte basiert auf Chemikalien, die in großen Mengen aus Erdöl gewonnen werden. Um diese Produkte auf eine nachhaltige Rohstoffbasis umzustellen, gilt es, CO2 als Kohlenstoffträger und Erdölalternative zu erschließen und bei der chemischen Umsetzung erneuerbare Energien einzusetzen.

CO2 als Rohstoff verwenden

Interessant sind solche Power-to-X-Verfahren vor allem bei der Herstellung von C1- bis C4-Alkoholen, denn sie haben für verschiedene Prozesse eine große Bedeutung. Beispiel Methanol. Der C1-Alkohol ist – neben seiner Rolle als Energieträger – eine der wichtigsten Basischemikalien und wird größtenteils zu Formaldehyd, Essigsäure, Methyltertbutylether, Methylmethacrylat, Methylchlorid und Methylaminen weiterverarbeitet. Die C2- bis C4-Alkohole Ethanol, Propanol und Butanol können zu Alkenen und Dienen weiterverarbeitet werden. So lassen sich Ethanol und Propanol zu Ethen und Propen umsetzen – den Ausgangsstoffen für die Kunststoffe Polyethylen und Polypropylen. Butanol kann zur Herstellung von Butadien verwendet werden – dem Ausgangsstoff für synthetischen Kautschuk.

Energie einsparen, Kosten senken

Vorliegende Konzepte zur stofflichen Nutzung von Kohlstoffdioxid sehen ein zweistufiges Verfahren vor. Am Anfang steht ein Elektrolyseprozess bei dem Wasserstoff mit Hilfe von regenerativem Strom hergestellt wird. Es folgt ein thermochemisches Verfahren, bei dem der Wasserstoff mit CO2 zum gewünschten Endprodukt umgesetzt wird. Dabei ergeben sich zwei Nachteile: Zum einen treten beim ersten Schritt Energieverluste auf, zum anderen muss der Wasserstoff zwischengespeichert werden. Bei einem einstufigen Prozess fallen diese Nachteile weg, und es ist mit einem Energieeinsparpotenzial von bis zu 20 Prozent zu rechnen.

Zwischenergebnis: Erste kupferbasierte Elektroden für die elektrochemische Alkoholsynthese

Der Fokus der Arbeiten beim Fraunhofer UMSICHT liegt auf der Entwicklung eines Hochdruckverfahrens für die elektrochemische Alkoholsynthese. Hierzu wurde ein Hochdruckreaktor erfolgreich im Labormaßstab inkl. einer reproduzierbaren Probenentnahme und Produktanalytik realisiert. Parallel hierzu wurden im Rahmen eines Screenings erste aussichtsreiche, kupferbasierte Elektroden für die elektrochemische Alkoholsynthese identifiziert, die unter Hochdruckbedingungen zurzeit detaillierter untersucht werden. Es findet eine intensive Kooperation mit den Projektpartnern hinsichtlich der Themen Elektrodenentwicklung, Phasengleichgewichte und Prozessintegration statt.

Projektpartner von ElkaSyn

  • Siemens AG
  • Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe GmbH
  • Institut für Technische Chemie der Universität Stuttgart
  • Lehrstuhl für Anorganische Chemie I, Ruhr-Universität Bochum
  • Lehrstuhl für Verfahrenstechnische Transportprozesse, Ruhr-Universität Bochum

Förderung
Laufzeit: August 2019 bis Juli 2022
Förderkennzeichen: 03ET1642C
Webseite: www.bmwi.de