CO2 als Rohstoff: Elektrosynthese von Alkoholen energieeffizienter gestalten

Ein einstufiges Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Methanol, Ethanol, Propanol und Butanol aus CO2 und Wasser entwickeln – so lautet die Zielsetzung von "ElkaSyn – Steigerung der Energieeffizienz der elektrokatalytischen Alkoholsynthese". Hinter dem Forschungsprojekt stehen das Fraunhofer UMSICHT (Koordination), die Siemens AG, die Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe GmbH, das Institut für Technische Chemie der Universität Stuttgart sowie die Lehrstühle für Anorganische Chemie I und für Verfahrenstechnische Transportprozesse der Ruhr-Universität Bochum.

Vorliegende Konzepte zur stofflichen CO2-Nutzung sehen häufig einen zweistufigen Prozess vor. Am Anfang steht ein Elektrolyseprozess, bei dem Wasserstoff mit Hilfe von regenerativem Strom hergestellt wird. Es folgt ein katalytischer Prozessschritt. Dabei wird der Wasserstoff mit CO2 zum gewünschten Endprodukt – zum Beispiel Alkohole – umgesetzt. Die Nachteile: Zum einen muss das Zwischenprodukt Wasserstoff gespeichert werden, zum anderen treten bei der Elektrolyse zur Wasserstoffbereitstellung Energieverluste auf.

Hier setzt das Projekt "ElkaSyn – Steigerung der Energieeffizienz der elektrokatalytischen Alkoholsynthese" an. Die Forschenden wollen Verfahren entwickeln, mit denen die C1- bis C4-Alkohole Methanol, Ethanol, Propanol und Butanol in einem einstufigen Prozess direkt mittels erneuerbarer Energie, Kohlenstoffdioxid und Wasser erzeugt werden. Bei einer solchen einstufigen elektrochemischen Reduktion von CO2 zu Alkoholen entfallen sowohl der Aufwand für die Speicherung des Zwischenprodukts Wasserstoff als auch die Systemkosten für einen Reaktor, in dem Wasserstoff und CO2 zu den Zielprodukten umgesetzt werden. Durch die erfolgreiche Entwicklung des einstufigen Prozesses wird ein Energieeinsparpotenzial von bis zu 20 Prozent im Vergleich zu einem zweistufigen Verfahren erwartet.

Auf dem Weg zu einer solchen einstufigen Reduktion setzen die Forschenden auf zwei unterschiedliche Reaktorkonzepte. Sie entwickeln bzw. untersuchen Systemkomponenten für ein Hochdruck- und ein Normaldruckverfahren. Darunter Eisen-Nickel-Sulfide, kupferbasierte Verbindungen auf oxidischen und Kohlenstoffträgern sowie poröse Gasdiffusionselektroden, in denen Gase mit einem elektronenleitenden, ggfs. Katalysator-aktivierten Festkörper und einer Elektrolyselösung in Kontakt stehen und umgesetzt werden.

Die Endprodukte Methanol, Ethanol, Propanol und Butanol haben für verschiedene Prozesse eine große Bedeutung. Der C1-Alkohol Methanol ist – abgesehen von 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 den heute noch aus Erdöl gewonnenen 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.