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2016|17 Jahresbericht Fraunhofer IGB - Herstellung von Chemikalien aus CO2

CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE O2 (+ Oxidations- produkt) H2O (+ CO2) E l e Regenerative Energielösungen k t rizit ä t Luft C O 2 H2 + CO2- Reduktions- produkt Elektrokatalyse- reaktor Fermentation Separation Endprodukt 1 CO2-Adsorption / Desorption Elektrochemische Technologien Biotechnologien Downstream Processing HERSTELLUNG VON CHEMIKALIEN AUS CO2 Tobias Gär tner, Lénárd - Ist van Csepei, Luciana Vieira, Fabian Stef fler, Thomas Michael Scherer, Siegfried Egner, Volker Sieb er Ausgangssituation und Projektziel In den kommenden Jahrzehnten wird die Nutzung von CO2 als Kohlenstoffquelle für die Herstellung von Schlüsselchemikalien unter direkter Nutzung regenerativer Energie strategische Be- deutung erlangen. Vorteilhafterweise werden dabei einerseits Treibhausgasemissionen reduziert und andererseits CO2-neut- rale Verbindungen erzeugt. Prinzipiell stehen CO2-Quellen aus Fermentationsprozessen (z. B. alkoholische Gärung in Brauerei- en oder Brennereien) zur Verfügung, deren CO2-Gehalt hoch ist. Jedoch wird nur durch CO2-Rückgewinnung aus der Luft bzw. Abgasströmen ein signiikanter CO2-Anteil des Bedarfs für zukünftige CO2-to-Chemicals-Prozesse bereitgestellt werden können [1]. Eine Notwendigkeit ist darüber hinaus die Nutzung regenerativer Energiequellen oder chemischer Reduktionsäquivalente wie beispielsweise Wasserstoff. Diese fallen unter den heutigen Bedingungen meist dezentral an, was der Vergleich mit der Power-to-Gas-Technologie zeigt [2]. Deshalb zielt das Projekt »Cost-effective CO2 conversion into chemicals via combination of Capture, ELectrochemical and BIochemical CONversion technologies – CELBICON« auf neue CO2-to-Chemicals-Technologien ab, die (a) einen modularen Aufbau und eine Skalierbarkeit für die dezentrale Anwen- dung, (b) eine hohe Material- und Energieefizienz, (c) geringe Investitions- und Betriebskosten und (d) eine große Robustheit und gleichzeitig Variabilität aufweisen (Abb. 1). Technologieplattform In dem im März 2016 begonnenen Projekt werden eine Hochdruck- und eine Niederdruckprozesslinie betrachtet. Das Fraunhofer IGB erarbeitet die Technologieplattform für die Niederdrucklinie. Dabei wird ein energie- und res- sourcenefizienter integrierter Prozess entwickelt, um aus atmosphärischem CO2 durch Kombination von elektrochemi- scher und biotechnologischer Katalyse höherwertige Chemi- kalien wie Isopren oder Milchsäure herzustellen (Abb. 2). Im elektrochemischen Schritt wird dabei das von der Climeworks AG bereitgestellte CO2 mittels Gasdiffusionskathode in eine Mischung aus wasserlöslichen C1-Intermediaten wie Formiat, Formaldehyd oder Methanol umgewandelt. Gleichzeitig wird an der Anode das Prozesswasser der Fermentation wieder aufbereitet. Die C1-Intermediate der Kathodenreaktion werden über einen integrierten Fermentationsprozess direkt in Isopren bzw. Monoterpene und Milchsäure umgewandelt. Neben der innovativen Kombination von elektrochemischen und biotechnologischen Verfahrensschritten werden zur Ent- wicklung der Technologieplattform auch die Integration der Reaktoren in ein System und das damit verbundene Wärme- und Stoffstrommanagement untersucht. Katalysatoren für elektrochemische Konversion von CO2 Ein Schlüsselschritt für die CO2-Aktivierung in der Nieder- druckprozesslinie ist die Entwicklung einer Gasdiffusions- elektrode und deren Integration in eine elektrochemische Zelle in Zusammenarbeit mit der Gaskatel GmbH. Hierbei müssen zum einen der Massentransport über Phasengrenzen und der Mehrelektronentransfer auf CO2 optimiert und zum anderen geeignete Katalysatoren entwickelt werden, um den Energieeintrag in die Konversion von H2O und CO2 zu den C1-Intermediaten zu minimieren. Das Fraunhofer IGB hat hierbei seit Projektstart unter Einsatz verschiedener Prä- parationsmethoden bereits eine Vielzahl von Katalysatoren hergestellt und charakterisiert. Unter anderem kommen kupferbasierte Katalysatoren zum Einsatz, welche auch unter kontinuierlichen Prozessbedingungen geprüft werden. Für die 8 2

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