Hoe kunnen we de internationaal afgesproken klimaatdoelstellingen halen? Het Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB maakt het broeikasgas CO ₂ bruikbaar als koolstofbron voor de chemische industrie. Met een gepatenteerde katalysatorsynthese, screening voor de optimale katalysator in high throughput en gecombineerde (elektro)chemisch-biotechnologische processen, er zijn verschillende concepten beschikbaar voor CO ₂ uitstotende industrieën. Het platformchemical ethyleen is al succesvol geproduceerd uit CO ₂ in een elektrochemische demonstrator met een elektrodeoppervlak van 130 vierkante centimeter.

Snelle actie is nodig om de toename van de opwarming van de aarde te beperken tot ruim onder de 2°C, zoals overeengekomen in het Raamverdrag van Parijs inzake klimaatverandering. Voor de industriële sector, het Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB heeft verschillende nieuwe technologische oplossingen ontwikkeld voor het gebruik van het broeikasgas kooldioxide (CO ₂ ), die ontstaat bij verbrandingsprocessen, als grondstof voor de productie van chemicaliën, brandstoffen of chemische energieopslagsystemen. "Dit vermindert de netto CO ₂ emissies en bespaart ook fossiele hulpbronnen, " legt Gerd Unkelbach uit, die bij Fraunhofer IGB verantwoordelijk is voor de business area Sustainable Chemistry.

Katalysatoren zijn belangrijke spelers in de chemische en elektrochemische omzetting van CO ₂ . Ze versnellen reacties, maar worden zelf niet geconsumeerd. Bij auto's, bijvoorbeeld, de katalysator, "meestal in de vorm van edele metalen zoals platina, rhodium of palladium, zet giftige stoffen om in het uitlaatgas.

Fraunhofer IGB optimaliseert niet alleen de katalysatoren. "We ontwikkelen ook nieuwe processen en ontwerpen geschikte installaties om CO . om te zetten ₂ elektrochemisch - met elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen - of chemisch; of we combineren deze met biotechnologische processen, ', zegt Unkelbach.

Geoptimaliseerde katalysatorsynthese voor de productie van regeneratieve methanol

Het metaal koper speelt een grote rol als katalysator bij de synthese van regeneratieve methanol uit CO ₂ en elektrolytisch geproduceerde waterstof. Methanol is een veelzijdige chemische grondstof die ook voor de energiesector steeds belangrijker wordt, zowel als brandstofadditief voor verbrandingsmotoren en als energiedrager in brandstofcellen. Volgens een DECHEMA-studie tot 1,5 ton CO ₂ emissies per ton methanol zouden kunnen worden vermeden als methanol niet zou worden gesynthetiseerd uit fossiele grondstoffen, maar van CO ₂ of andere regeneratieve grondstoffen (A.M. Bazzanella, F. Ausfelder, DECHEMA e.V. Technologiestudie — Koolstofarme energie en grondstof voor de Europese chemische industrie, DECHEMA, 2017).

De katalysatoren voor de synthese van methanol worden geproduceerd uit koperhoudende oplossingen, tegenwoordig met behulp van complexe neerslagprocessen over verschillende tussenstadia. “Om energie te besparen, tijd en middelen tijdens katalysatorsynthese op industriële schaal, we hebben het proces geoptimaliseerd voor continu gebruik, " legt Dr. Lénárd Csepei uit, die een grote rol heeft gespeeld in het werk bij de BioCat-vestiging in Straubing en een octrooiaanvraag heeft ingediend voor het proces.

Een andere gepatenteerde methode voor katalysatorsynthese is gebaseerd op het oplossen van metaalverbindingen in zogenaamde diepe eutectische oplosmiddelen. Met deze methoden, katalysatoren met verschillende elementaire samenstellingen kunnen worden geproduceerd en hun efficiëntie kan worden geoptimaliseerd - niet alleen voor de productie van methanol, maar ook voor andere chemische en elektrochemische syntheseprocessen.

Op zoek naar de beste katalysator - met hoge doorvoer

Bij alle syntheseprocessen de prestatie van de katalysator is van cruciaal belang die bepaalt of het gewenste product economisch kan worden geproduceerd. "Een van de belangrijkste factoren is een zo hoog mogelijke opbrengst van het gewenste product. We willen niet dat er bijproducten ontstaan, ", legt Csepei uit. Om te bepalen welke katalysator het meest geschikt is voor de betreffende implementatie, de Fraunhofer-onderzoekers screenen de mogelijke kandidaten in verschillende reactorsystemen.

"In ons multifunctionele systeem met vier parallelle reactorbuizen, we kunnen katalysatoren testen onder verschillende reactieomstandigheden, zoals verschillende synthesegasmengsels, drukken en temperaturen - bij hoge doorvoer, ", zegt Csepei. De reacties worden analytisch in realtime gevolgd, zodat de resulterende producten direct kunnen worden gekwantificeerd. De onderzoekers hebben een reactorsysteem ontworpen en gebouwd voor het testen van katalysatoren bij atmosferische druk. "We gebruiken deze apparatuur om daaropvolgende reactiecascades te onderzoeken, d.w.z. een verdere conversie met behulp van biotechnologische methoden, ' zegt Csepei.

Van katalysator tot demonstrator

Gebaseerd op de geoptimaliseerde katalysatoren en als voorbeeld voor CO ₂ conversie, in het Fraunhofer-vuurtorenproject "Elektriciteit als grondstof" heeft IGB een volledig geautomatiseerd prototype gebouwd voor de elektrochemische productie van ethyleen, een van de belangrijkste grondstoffen in de chemische industrie. Het kernelement is een speciaal door IGB ontwikkelde elektrochemische cel. In deze cel, de elektronen voor de reductie van CO ₂ worden overgebracht naar een waterige elektrolyt en in contact gebracht met de katalysator en gasvormig kooldioxide bij een poreuze gasdiffusie-elektrode.

"Met dit systeem we maken ethyleen uit CO ₂ en water in één stap op een elektrodeoppervlak van 130 cm ² en met onze eigen katalysatoren, " legt Dr. Carsten Pietzka uit, die onderzoek doet in Stuttgart. "Vergelijkbare resultaten voor dit elektrosyntheseproces zijn tot nu toe alleen op laboratoriumschaal bereikt, met elektrodeoppervlakken van slechts enkele vierkante centimeters en katalysatoren die alleen op kleine schaal geproduceerd kunnen worden, ", zegt de wetenschapper. Het ontwerp van de demonstrator kan worden overgedragen naar andere elektrosyntheseprocessen en maakt het mogelijk om katalysator- en elektrodematerialen op de volgende grotere schaal te screenen.

"Vanaf 2020, het nieuwe Fraunhofer-elektrolyseplatform in Leuna zal ons ook in staat stellen om elektrochemische syntheses op industriële schaal op te schalen, " voegt Ulrike Junghans toe, die onderzoek doet bij het Fraunhofer Centrum voor Chemisch-Biotechnologische Processen CBP, de Leuna-vestiging van IGB. In het "SynLink"-project, die door haar wordt beheerd en wordt gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Economie en Energie, dit platform zal aantonen dat hernieuwbare energie kan worden gebruikt om synthesegas te produceren uit H2O en CO ₂ -met beide moleculen geadsorbeerd uit lucht. Synthesegas wordt vervolgens chemokatalytisch omgezet in methanol en brandstoffen.

Hoogwaardige chemicaliën door combinatie van chemie en biotechnologie

Chemicaliën geproduceerd uit CO ₂ kan alleen concurreren met petrochemische producten als ze in grote hoeveelheden worden geproduceerd en als er voldoende elektriciteit beschikbaar is tegen lage kosten. Dit is meestal niet het geval voor typische kleine, gedecentraliseerde CO ₂ -emitterende installaties zoals biogasinstallaties of brouwerijen.

Om ervoor te zorgen dat de toegevoegde waarde van regeneratief methanol ook op kleinere schaal winstgevend wordt, de Fraunhofer-onderzoekers hebben een nieuwe benadering gevolgd en chemische synthese gecombineerd in een recent gepatenteerd proces met daaropvolgende biotechnologische fermentatie om hoogwaardige chemicaliën te produceren. "Met behulp van een nieuw reactieproces, CO ₂ wordt omgezet in methanol als tussenproduct, die met bepaalde tussenpozen rechtstreeks in een vergister wordt gepompt zonder verdere verwerking, " legt Csepei uit. De micro-organismen groeien met methanol als de enige koolstofbron en produceren melkzuur, isopreen, polyhydroxyboterzuur en terpenen met een lange keten:waardevolle producten die alleen kunnen worden verkregen met conventionele chemische katalytische processen met behulp van complexe, synthese in meerdere fasen.

Het doel van de onderzoekers is om deze veelbelovende katalytische systemen en processen voor het gebruik van CO . verder te ontwikkelen ₂ naar commerciële volwassenheid, in nauwe samenwerking met partners uit de industrie, en zo een substantiële bijdrage te leveren aan klimaatbescherming.