Unsere Arbeiten zu nachhaltigen Kraftstoffen erforschen die Nutzung von CO2 (bzw. CO) als Rohstoff für gasförmige und flüssige Energieträger. Das Treibhausgas CO2 kann dabei entweder aus Biomasse oder aus unvermeidbaren Punktquellen (z.B. Zement- und Glaswerke, chemische Industrie, Müllverbrennung) erhalten werden. Dadurch gelingt es, das CO2 einem Recycling zuzuführen und somit den CO2-Ausstoss zu begrenzen. Das heißt: bei der späteren Verbrennung des synthetischen Kraftstoffs zur "Erzeugung" von Strom und Wärme sowie für die Mobilität wird lediglich die CO2-Menge freigesetzt, die zuvor bei der Herstellung des Kraftstoffs eingesetzt wurde. In diesem Kontext untersuchen wir folgende Prozessrouten, die weiter unten näher ausgeführt sind:
- CO2-Wandlung zu synthetischem Erdgas
- CO2-Hydrierung zu Methanol
- Umsetzung von Methanol zu Benzin
- Oligomerisierung von Methanol-stämmigen Olefinen
- Fischer-Tropsch-Synthese
CO2-Hydrierung zu Methan:
Im Bereich der CO2-Methanisierung verfolgt unsere Arbeitsgruppe das so genannte Power-to-Gas-Konzept (PtG). Dabei soll CO2, das etwa bei Biogasanlagen oder aus so genannten Punktquellen (z.B. Glasschmelzen, Zementwerke) anfällt, zu synthetischem Erdgas (Methan) umgesetzt werden: CO2 + 4 H2 ↔ CH4 + 2 H2O. Der für die CO2-Hydrierung erforderliche Wasserstoff soll durch Elektrolyse von Wasser mittels regenerativ erzeugtem Strom (Windkraft, Photovoltaik) erzeugt werden. Dadurch gelingt sowohl die Minderung des CO2-Ausstoßes als auch die Speicherung von Energie aus den fluktuierende Quellen Wind und Sonne. Das erzeugte Methan wird schließlich dem Erdgasnetz zugeführt und somit einer energetischen Nutzung zugänglich gemacht, etwa in Haushalten oder Gasmotoren (z. B. Kraftfahrzeuge und Blockheizkraftwerke).
Zentrales Element des Power-to-Gas-Konzepts ist der Hydrierkatalysator, in dem das CO2 zu CH4 umgesetzt wird. Allerdings sind die bislang in der Technik verwendeten Nickel-Katalysatoren toxikologisch bedenklich und neigen zur Bildung flüchtiger Carbonyle, die ebenfalls sehr giftig sind. Daher befasst sich unsere Arbeitsgruppe mit der gezielten Entwicklung neuartiger Katalysatoren, die toxikologisch unbedenklich und zudem kostengünstig sind. Im Mittelpunkt stehen dabei vor allem eisenhaltige Katalysatormaterialien, daneben jedoch auch weitere Aktivkomponenten.
CO2-Hydrierung zu Methanol:
Ähnlich der Methanisierung befassen sich unsere Forschungsarbeiten im Bereich der CO2-Hydrierung zu Methanol (CO2 + 3 H2 = CH3OH + H2O) mit der kombinierten Minderung von CO2 und der Speicherung von "grünem" Strom. Hierbei soll Methanol als chemischer Energiespeicher sowie Chemierohstoff erzeugt werden. Die zentrale Herausforderung besteht insbesondere in der Entwicklung einer dynamischen Methanolsynthese aus CO2 und mittels Wasser-Elektrolyse erzeugtem H2, da die Synthese an den teilweise fluktuierenden Eintrag der beiden Reaktionspartner angepasst werden muss. In diesem Zusammenhang untersucht unsere Arbeitsgruppe die Aktivität und Langzeitstabilität der in der Technik verwendeten Cu/ZnO/Al2O3-Katalysatoren unter dynamischen Prozessbedingungen und entwickelt Konzepte für verbesserte dynamisch arbeitende Katalysatoren. Die großtechnische Methanolsynthese hingegen erfolgt ausschließlich unter stationären Bedingungen. Ein weiteres Anliegen besteht in der Erforschung neuartiger Eisen-Katalysatoren für die Methanol-Synthese.
Methanol to Gasoline:
Der Methanol-to-Gasoline (MtG)-Prozess stellt eines der letzten Glieder in der Prozesskette zur Erzeugung von klimaneutralen Ottokraftstoffen dar. Aus CO2 wird mit Hilfe von erneuerbaren Energien und Wasser zunächst Methanol erzeugt, welches im MtG-Prozess durch einen Zeolith-Katalysator in Kohlenwasserstoffe umgewandelt wird. Die chemische Zusammensetzung der Reaktionsprodukte ähnelt stark dem fossilem Benzin. Ziel unserer Forschung ist es, die Eigenschaften des resultierenden Ottokraftstoffs maßzuschneidern, indem Prozess- und Katalysatoreigenschaften an die Qualitätsanforderungen gezielt angepasst werden. Damit ist es möglich, Katalysatoren weiterzuentwickeln, durch die klimaneutrale Kraftstoffe für den Mobilitätssektor erzeugt werden können.
Fischer-Tropsch-Synthese auf Basis von CO und CO2:
Die Fischer-Tropsch-Synthese wurde bereits in den 1920er Jahren entwickelt und dient der Erzeugung von Kraftstoffen und Chemierohstoffen aus CO und H2 (n CO + (2n+1) H2 = CnH2n+2 + n H2O). In den letzten Jahren wurde zunehmend auch die Verwendung von CO2 für die Fischer-Tropsch-Synthese untersucht. In diesem Zusammenhang beschäftigt sich unserer Gruppe mit der Nutzung von CO2 aus Biogasen, speziell für die Synthese von Benzin, Kerosin, Dieselkraftstoff und Wachsen. Hierbei werden neuartige toxikologisch unbedenkliche und kostengünstige Eisenkatalysatoren als Alternative zu den kommerziell verfügbaren Katalysatoren auf Basis von Kobalt entwickelt.
Oligomerisierung von niederen Olefinen:
Die Oligomerisierung von niederen Olefinen wie Propen und Buten geht auf das MOGD-Verfahren der Mobil Oil Company zurück, welches in den 1980er Jahren entwicklet wurde. Hierbei wurden aus Methanol-stämmigen Olefinen Kraftstoffkomponenten erzeugt. Bekannt ist die Umsetzung von kurzkettigen Olefinen zu Benzin- und Dieselkomponenten auch aus dem COD-Verfahren (PetroSA). Dort fallen die Olefine als Nebenprodukte der Fischer-Tropsch-Synthese an. Unser Konzept verfolgt zunächst die Erzeugung der niederen Olefine im MTO-Prozess (Methanol to Olefins), wobei "grünes" Methanol zum Einsatz kommt. Bei der nachfolgenden Oligomerisierung, welche an Festkörperkatalysatoren mit sauren aktiven Zentren katalysiert wird, bilden sich dann die gewünschten längerkettigen Produkte, die als nachhaltig einzustufen sind und sich insofern von den entsprechenden fossilen Stoffen abheben. Zielprodukte sind sowohl flüssige Kraftstoffe, wie Kerosin, Benzin, Diesel und Heizöl, als auch Chemierohstoffe (z. B. für Schmiermittel und Detergenzien). Die entstandenen Oligomere sind Olefine und müssen daher in einem abschließenden Schritt noch hydriert und ggf. destillativ fraktioniert werden. Forschungsgegenstand bei der Oligomerisierung ist die Katalysatorentwicklung, Mechanismusaufklärung, Prozessführung und die Produktcharakterisierung.