Power2C4: Per Katalyse von Ethanol zu Butadien

»Virtuelles Institut – Strom zu Gas und Wärme« entwickelt Power-to-X-Verfahren zur Herstellung von Butadien

© Fraunhofer UMSICHT

Power-to-X

Mit Hilfe von elektrischem Strom werden Butadien sowie andere C4-Olefine hergestellt.

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Katalysatorenentwicklung

Die Herausforderung besteht darin, die für die Gesamtreaktion benötigten katalytischen Eigenschaften in einem System zu vereinen.

Projektziele: Auf dem Weg zu einer einstufigen Butadiensynthese

Ziel von Power2C4 ist es, ein neues katalytisches Verfahren zu entwickeln, das es erlaubt, ausgehend von einem Synthesegas aus CO2 und elektrolytisch produziertem H2, Butadien sowie andere C4-Olefine herzustellen. Im Fokus steht dabei eine zweistufige Butadiensynthese: Im ersten Schritt wird aus dem Synthesegas Ethanol hergestellt, das in einem zweiten Schritt mit einem neuen Katalysator zu Butadien umgesetzt wird. Damit diese Synthese gelingt, muss ein entsprechendes Katalysatorsystem identifiziert und getestet werden. Anschließend wird die gesamte Power-to-Butadien-Prozesskette bewertet – mit Blick sowohl auf die Wirtschaftlichkeit der Prozesskette als auch auf die Nachhaltigkeit des neuen Herstellungspfads für Butadien. Den Rahmen für das Arbeitspaket bildet das »Virtuelle Institut – Strom zu Gas und Wärme« – ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen, die an adaptiven Technologiemaßnahmen für das Strom-, Gas- und Wassersystem arbeiten.

Nutzen: Erdölreserven schonen und überschüssigen Strom nutzen

Butadien spielt für die Industrie eine wichtige Rolle: Der ungesättigte Kohlenwasserstoff kommt bei der Produktion von Synthesekautschuk zum Einsatz. Bislang werden Butadien und andere C4-Olefine durch thermisches Cracking der Erdölfraktion Naphtha hergestellt. Aufgrund der Verknappung der Erdölreserven und der damit einhergehenden Preissteigerung von Naphtha gewinnen nachhaltige, alternative Herstellungsverfahren auf Basis von Power-to-X an Bedeutung.

Ein weiterer Vorteil des alternativen Herstellungsverfahrens von Butadien: Es trägt dazu bei, temporäre und räumliche Unterschiede zwischen Erzeugung und Nachfrage von Strom aus erneuerbaren Energien auszugleichen. Sprich: Überschüssiger Strom aus Windkraft oder Photovoltaikanlagen wird genutzt, um ein anderes Produkt – in diesem Fall C4-Olefine – herzustellen.

Herausforderungen: Katalytische Eigenschaften in einem System vereinen

Die Umsetzung von Ethanol zu Butadien verläuft über mehrere gekoppelte Reaktionsschritte – von der Bildung von Acetaldehyd über die Aldol-Kondensation bis zur Dehydratisierung. Für jeden dieser Zwischenschritte wird ein Katalysator mit spezieller Funktionalität benötigt, der eine Umsetzung mit hoher Aktivität und entsprechender Selektivität gewährleistet. Die Herausforderung besteht darin, die für die Gesamtreaktion benötigten katalytischen Eigenschaften in einem System zu vereinen. Mit einem multifunktionellen Katalysator ließe sich die Umsetzung von Ethanol zu Butadien ohne reaktionstechnische Zwischenschritte in einem direkten Prozess und somit deutlich energie- und ressourceneffizienter realisieren.

Durch Voruntersuchungen am Fraunhofer UMSICHT konnte bereits ein neues vielversprechendes Katalysatormaterial identifiziert werden, das auf dem Mineral Saponit basiert. Dieses Material wird nun weiterentwickelt und für die direkte Synthese von Butadien und weiteren C4-Kohlenwasserstoffen aus Ethanol optimiert.

Projektpartner von Power2C4

  • Gas- und Wärme-Institut Essen e.V. (GWI)
  • Energiewirtschaftliches Institut an der Universität zu Köln (ewi)
  • Forschungszentrum Jülich (FZJ)
  • Ruhr-Universität Bochum (RUB), Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik
  • Wuppertal-Institut (WI)
  • ZBT Duisburg (ZBT)

Förderung
Laufzeit: Januar 2019 bis Dezember 2021
Webseite: www.efre.nrw.de