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Herr Sebastian Webel
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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

Materialforschung und Rohstoffe

Nützliches Treibhausgas

Aus Kohlendioxid Wertstoffe herstellen, das ist das Ziel von zwei Forschungsprojekten, an denen Siemens und Evonik arbeiten. Über einen Elektrolyseprozess kann entweder Kohlenmonoxid mit silberbasierten Elektroden als Ausgangsstoff für Spezialchemikalien hergestellt werden oder, mit kupferbasierten Elektroden, Ethylen.

Kohlenstoffdioxid hat alles andere als ein gutes Image – wird es doch überwiegend nur als Verursacher des Klimawandels wahrgenommen. Siemens-Experten können dem Gas aber auch Gutes abgewinnen. In zwei Förderprojekten mit dem nordrhein-westfälischen Chemieunternehmen Evonik nutzen sie CO2, um wertvolle Basis- und Spezialchemikalien für die Industrie herzustellen. Die Wissenschaftler versprechen sich davon wichtige Erkenntnisse, um elektrochemische Syntheseprozesse schrittweise für den großindustriellen Maßstab bereitstellen zu können.

Im Januar haben Siemens und Evonik Rheticus ein neues gemeinsames Forschungsprojekt vorgestellt. Rund 20 Experten beider Unternehmen arbeiten daran, aus CO2 wertvolle Spezialchemikalien zu erzeugen. Der erste Projektabschnitt endet 2019, zwei Jahre später soll eine erste Versuchsanlage am Evonik-Standort Marl aufgebaut sein.

Wie funktioniert das Ganze? In einem ersten Schritt wandelt ein Siemens-Elektrolyseur Kohlendioxid und Wasser mit erneuerbarem Strom in verstoffwechselbares Kohlenmonoxid (CO) um. Dann werden die CO-haltigen Gase über ein Fermentationsverfahren von Evonik mithilfe spezieller Mikroorganismen hochselektiv zu Wertstoffen umgesetzt. Das Ergebnis sind Chemikalien wie Butanol oder Hexanol – beides Ausgangsstoffe beispielsweise für Spezialkunststoffe oder Nahrungsergänzungsmittel.

„Derzeit betreiben wir Versuchsaufbauten“, sagt Günter Schmid, Verantwortlicher für Elektrolyseure bei Corporate Technology. „Hier können wir unsere Elektrolysezellen und Gasdiffusionselektroden testen und optimieren“. Ziel bis 2021 ist es, die Technologie aus dem Labormaßstab zu einer technischen Versuchsanlage zu skalieren. Die Rheticus Produktionskapazität soll bei 10 – 20 Tonnen pro Jahr liegen. Anschließend könnte eine industrielle Anlage entstehen, mit einer Produktionskapazität von bis zu 20.000 Tonnen Butanol oder Hexanol pro Jahr. „Wir diskutieren auch über weitere Spezialchemikalien oder sogar Treibstoffe“, erklärt Schmid. Je nach Bedarf künftiger Kunden lässt sich die Rheticus-Plattform dann auch in ihrer Größe skalieren.

Rheticus steht im Zusammenhang mit der Kopernikus-Initiative für die Energiewende in Deutschland, die nach neuen Lösungen für den Umbau des Energiesystems sucht. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert Rheticus mit 2,8 Millionen Euro.

Siemens-Forscher arbeiten im Forschungsprojekt Rheticus daran, aus Kohlenstoffdioxid wertvolle Spezialchemikalien zu erzeugen. Elena Volkova bereitet Elektroden, Zelle und Betriebsparametersatz für eine neue Versuchsserie vor.

eEthylen: CO2-neutrale Herstellung

Im Förderprojekt „eEthylen“ untersuchen Siemens-Experten zusammen mit Wissenschaftlern von Evonik, der TU Berlin, der Ruhr-Universität Bochum und dem Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg wie sich das Treibhausgas CO2 zu Ethylen umsetzen lässt. „Wir sind überzeugt, dass sich mithilfe des Treibhausgases nicht nur gefragte Wertstoffe herstellen lassen, sondern dass Siemens mit CO2 auch neue Geschäftsmöglichkeiten erschließen kann“, erklärt Dan Taroata, Projektleiter beim Konsortialführer Siemens.

In einer direkten, einstufigen Elektrolyse nutzen die Forscher Elektrizität, um Ethylen aus Kohlendioxid und Wasser zu synthetisieren. Der Fokus liegt auf den Elektrokatalysatoren, denn diese können das träge CO2 mit energiereichen Elektronen beladen – nur dann entsteht dieser Rohstoff. Sammeln sich die Elektronen dagegen im umgebenden Wasser, wird lediglich Wasserstoff erzeugt. Ausschlaggebend für den Erfolg ist hier also der Katalysator. Eine stabile, kupferhaltige Elektrode zu finden, mit der sich Ethylen herstellen lässt, ist allerdings eine hohe technologische Herausforderung.

Nur unter Verwendung geeigneter Katalysatoren gelingt der elektrochemische Syntheseprozess von Ethylen aus Wasser und CO2. Eine Schlüsselrolle spielt hierbei der Katalysator. Denn bei einem unerwünschten Reaktionsverlauf entsteht lediglich Wasserstoff.

Elektrolyseure – Kernkompetenz von Siemens

Für den Prozess der CO und Ethylen-Erzeugung stellt Siemens eine seiner Kernkompetenzen zur Verfügung, die Elektrolyse-Anlage für den Dauerbetrieb. Sie ist angelehnt an Elektrolyseure zur Wasserstoffherstellung, die bereits heute Teil des Produktportfolios des Unternehmens sind.

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung ist das Projekt in der Forschungsinitiative „CO2Plus – Stoffliche Nutzung von CO2 zur Verbreiterung der Rohstoffbasis“ verankert. Siemens hat die Konsortialführerschaft übernommen. Das Projekt läuft seit Oktober 2016 und ist auf drei Jahre angelegt. Ausgestattet mit einem Gesamtbudget von 2,9 Millionen Euro könnte „eEthylen“ die bisherige Herstellung von Ethylen revolutionieren. Ziel ist es herauszufinden, wie sich das Treibhausgas CO2 effizient in wertvolles Ethylen wandeln lässt.

Einfache und günstige Ethylenproduktion

Ethylen wird heutzutage vielfach genutzt. Es ist Ausgangsstoff für die Herstellung von Polyethylen, Polyvinylchlorid sowie Polyester und damit in den meisten Kunststoffen enthalten. Außerdem hilft Ethylen dabei, Obst und Gemüse auf den Punkt reifen zu lassen – auch das ist eine nicht unbedeutende Anwendung in einer Welt globalisierter Nahrungslieferketten.

Gelingt es dem Forscherteam, den elektrolytischen Herstellungsprozess zu optimieren, könnte das eine ernsthafte Alternative zur herkömmlichen Herstellung sein. Und das wäre nicht nur unter Umweltgesichtspunkten wünschenswert, weil so CO2 aus der Atmosphäre genutzt würde. Es wäre auch aus unternehmerischer Sicht erstrebenswert. Schließlich kostet eine Tonne Ethylen zwischen 850 und 1.200 Euro, und das bei einem taxierten Marktvolumen von weltweit jährlich rund 180 Millionen Tonnen.

Ulrich Kreutzer
Picture credits: von oben: 1. Evonik, Video: ERBSE DESIGN