Synthetische und biogene Kraftstoffe

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 fossilen Kraftwerken anfällt, wie folgt zu Methan umgesetzt werden: CO2 + 4 H2 = CH4 + 2 H2O. Der für die CO2-Hydrierung erforderliche Wasserstoff soll dabei durch Elektrolyse von Wasser mittels überschüssigem, regenerativ erzeugtem Strom hergestellt 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 dadurch einer energetischen Nutzung zugänglich gemacht, etwa in Haushalten oder Gasmotoren (z. B. Kraftfahrzeuge und Blockheizkraftwerke). 

PtG-Konzept mit katalysierter Methanisierung

Zentrales Element des Power-to-Gas-Konzepts ist der Hydrierkatalysator, an 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, das etwa bei Kohlekraftwerken anfällt, und der Speicherung von Strom aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen. 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 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.

Optischer Reaktor zur Untersuchung der Methanol-Synthese unter dynamischen Bedingungen

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 ähneln stark einem Benzinkraftstoff. Ziel ist es, die Eigenschaften des resultierenden Ottokraftstoff 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 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 Dieselkraftstoff und Wachsen. Hierbei werden neuartige toxikologisch unbedenkliche und kostengünstige Eisenkatalysatoren als Alternative zu den kommerziell verfügbaren Katalysatoren auf Basis von Kobalt entwickelt.

Produkte der Fischer-Tropsch-Synthese