Hur kan vi nå de internationellt överenskomna klimatmålen? Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB gör växthusgasen CO ₂ användbar som kolkälla för den kemiska industrin. Med en patenterad katalysatorsyntes, screening för den optimala katalysatorn i hög genomströmning och kombinerade (elektro)kemiska-bioteknologiska processer, olika koncept är tillgängliga för CO ₂ emitterande industrier. Plattformskemikalien eten har redan framgångsrikt producerats från CO ₂ i en elektrokemisk demonstrator med en elektrodarea på 130 kvadratcentimeter.

Snabba åtgärder krävs för att begränsa ökningen av den globala uppvärmningen till långt under 2°C, som överenskommits i Paris ramkonvention om klimatförändringar. För industrisektorn, Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB har utvecklat olika nya tekniska lösningar för att använda växthusgasen koldioxid (CO ₂ ), som genereras under förbränningsprocesser, som råvara för tillverkning av kemikalier, bränslen eller kemiska energilagringssystem. "Detta minskar netto CO ₂ utsläpp och bevarar också fossila resurser, " förklarar Gerd Unkelbach, som är ansvarig för affärsområdet Sustainable Chemistry på Fraunhofer IGB.

Katalysatorer är nyckelspelare i den kemiska och elektrokemiska omvandlingen av CO ₂ . De påskyndar reaktioner, men konsumeras inte själva. I bilar, till exempel, katalysatorn, "vanligtvis i form av ädelmetaller som platina, rodium eller palladium, omvandlar giftiga ämnen i avgaserna.

Fraunhofer IGB optimerar inte bara katalysatorerna. "Vi utvecklar också nya processer och designar lämpliga anläggningar för att omvandla CO ₂ elektrokemiskt – med el från förnybara energikällor – eller kemiskt; eller så kombinerar vi dessa med biotekniska processer, säger Unkelbach.

Optimerad katalysatorsyntes för produktion av regenerativ metanol

Metallen koppar spelar en stor roll som katalysator vid syntesen av regenerativ metanol från CO ₂ och elektrolytiskt framställt väte. Metanol är ett mångsidigt kemiskt råmaterial som också blir allt viktigare för energisektorn, både som bränsletillsats till förbränningsmotorer och som energibärare i bränsleceller. Enligt en DECEMA-studie, upp till 1,5 ton CO ₂ utsläpp per ton metanol skulle kunna undvikas om metanol inte syntetiserades från fossila råvaror, men från CO ₂ eller andra regenerativa råvaror (A.M. Bazzanella, F. Ausfelder, DECEMA e.V. Teknikstudie—Låg koldioxidenergi och råmaterial för den europeiska kemiska industrin, DEKEMA, 2017).

Katalysatorerna för metanolsyntes framställs av kopparhaltiga lösningar, använder nuförtiden komplexa nederbördsprocesser över flera mellanliggande steg. "För att spara energi, tid och resurser under katalysatorsyntes i industriell skala, vi har optimerat processen för kontinuerlig drift, " förklarar Dr Lénárd Csepei, som har haft en stor del i arbetet på BioCats filial i Straubing och lämnat in en patentansökan för processen.

En annan patentsökt metod för katalysatorsyntes är baserad på upplösning av metallföreningar i så kallade djupeutektiska lösningsmedel. Med dessa metoder, katalysatorer av olika grundämnessammansättningar kan framställas och deras effektivitet optimeras – inte bara för framställning av metanol, men också för andra kemiska och elektrokemiska syntesprocesser.

Söker efter den bästa katalysatorn – med hög genomströmning

I alla syntesprocesser, Katalysatorns prestanda är av avgörande betydelse som avgör om den önskade produkten kan produceras ekonomiskt. "En av de viktigaste faktorerna är högsta möjliga utbyte av den önskade produkten. Vi vill inte att biprodukter ska produceras, " förklarar Csepei. För att avgöra vilken katalysator som är bäst lämpad för implementeringen i fråga, Fraunhofer-forskarna granskar möjliga kandidater i olika reaktorsystem.

"I vårt multifunktionssystem med fyra parallella reaktorrör, vi kan testa katalysatorer under olika reaktionsförhållanden - såsom olika syntesgasblandningar, tryck och temperaturer – i hög genomströmning, " säger Csepei. Reaktionerna övervakas analytiskt i realtid så att de resulterande produkterna kan kvantifieras direkt. Forskarna har designat och byggt ett reaktorsystem för att testa katalysatorer vid atmosfärstryck. "Vi använder den här utrustningen för att undersöka efterföljande reaktionskaskader, d.v.s. en ytterligare omvandling med biotekniska metoder, säger Csepei.

Från katalysator till demonstrator

Baserat på de optimerade katalysatorerna och som ett exempel för CO ₂ omvandling, i Fraunhofer fyrprojektet "Elektricitet som råmaterial" har IGB byggt en helautomatiserad prototyp för elektrokemisk produktion av eten, ett av de viktigaste utgångsmaterialen i den kemiska industrin. Kärnelementet är en elektrokemisk cell speciellt utvecklad av IGB. I den här cellen, elektronerna för reduktion av CO ₂ överförs till en vattenhaltig elektrolyt och bringas i kontakt med katalysatorn och gasformig koldioxid vid en porös gasdiffusionselektrod.

"Med detta system, vi tillverkar eten från CO ₂ och vatten i ett enda steg på en elektrodyta på 130 cm ² och med våra egna katalysatorer, " förklarar Dr Carsten Pietzka, som forskar i Stuttgart. "Jämförbara resultat för denna elektrosyntesprocess har hittills endast uppnåtts i laboratorieskala, med elektrodytor på bara några kvadratcentimeter och katalysatorer som endast kan tillverkas i liten skala, " säger forskaren. Designen av demonstratorn kan överföras till andra elektrosyntesprocesser och möjliggör screening av katalysator- och elektrodmaterial i nästa större skala.

"Från 2020, den nya Fraunhofer elektrolysplattformen i Leuna kommer också att göra det möjligt för oss att skala elektrokemiska synteser till industriell skala, tillägger Ulrike Junghans, som bedriver forskning vid Fraunhofer Center for Chemical-Biotechnological Processes CBP, Leuna-grenen av IGB. I "SynLink"-projektet, som förvaltas av henne och finansieras av det tyska förbundsministeriet för ekonomi och energi, Denna plattform kommer att visa att förnybar energi kan användas för att producera syntesgas från H2O och CO ₂ —med båda molekylerna adsorberade från luft. Syntesgas omvandlas sedan kemokatalytiskt till metanol och bränslen.

Högkvalitativa kemikalier genom att kombinera kemi och bioteknik

Kemikalier framställda av CO ₂ kan bara konkurrera med petrokemiska produkter om de produceras i stora kvantiteter och om det finns tillräckligt med el till låg kostnad. Detta är vanligtvis inte fallet för typiska små, decentraliserad CO ₂ -avgivande växter som biogasanläggningar eller bryggerier.

För att säkerställa att förädlingsvärdet för regenerativ metanol också blir en lönsam verksamhet i mindre skala, Fraunhofer-forskarna har eftersträvat ett nytt tillvägagångssätt och kombinerat kemisk syntes i en nyligen patenterad process med efterföljande bioteknologisk jäsning för att producera kemikalier med högre värde. "Med hjälp av en ny reaktionsprocess, CO ₂ omvandlas till metanol som mellanprodukt, som pumpas direkt in i en fermentor med vissa intervall utan vidare bearbetning, " förklarar Csepei. Mikroorganismerna växer med metanol som enda kolkälla och producerar mjölksyra, isopren, polyhydroxismörsyra och långkedjiga terpener:värdefulla produkter som endast kan erhållas med konventionella kemiska katalytiska processer med användning av komplexa, flerstegssynteser.

Forskarnas mål är att vidareutveckla dessa lovande katalytiska system och processer för utnyttjande av CO ₂ mot kommersiell mognad, i nära samarbete med partners från industrin, och därmed ge ett betydande bidrag till klimatskyddet.