Untersuchung und Optimierung von Katalysatoren zur dynamischen Methanolsynthese aus Kohlenstoffdioxid und Elektrolyse-Wasserstoff

In der UN-Klimakonferenz von Paris im Jahre 2015 haben sich 175 Staaten auf die Begrenzung der globalen Erderwärmung um deutlich unterhalb von 2°C verständigt. Dieses Ziel kann nur erreicht werden, wenn die Treibhausgasemissionen zurückgefahren und im Anschluss ein Teil des bereits emittierten Kohlenstoffdioxids wieder aus der Atmosphäre entfernt werden.

Dies macht die Entwicklung neuer Technologien zur Speicherung und zum Transport regenerativ gewonnener Energie nötig. Die Erzeugung erneuerbarer ist im Vergleich zu konventioneller Energie stärker von der Verfügbarkeit der Primärenergieträger wie Sonne und Wind abhängig. Außerdem entsteht elektrische Energie zunehmend dezentral und erfordert darauf angepasste Speicher- und Transportkonzepte. Einen Ansatz dazu bietet die Wandlung elektrischer in chemische Energie durch die Umsetzung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff in einer Elektrolysezelle. Der gewonnene Wasserstoff kann entweder direkt verwendet oder zu chemischen Rohstoffen wie Methanol umgewandelt werden, was durch die hohe volumetrische Energiedichte und die besseren Transporteigenschaften als Vorteilhaft angesehen wird. Außerdem kann Methanol sowohl als Kraftstoff direkt in Brennstoffzellen eingesetzt oder als chemischer Grundbaustein in den Stoffkreislauf eingespeist werden. Weiterhin wird in Methanol Kohlenstoffdioxid aus Abgasen (z.B. Biogasanlagen) oder der Atmosphäre gebunden und bezüglich des Treibhauseffekts unschädlich gemacht.

Im Rahmen der zweiten Förderperiode des Forschungsnetzwerks „Energie Campus Nürnberg“ wird deshalb an einem ganzheitlichen chemischen Energiespeicherungskonzept geforscht, das auf der Umsetzung von Elektrolyse-Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid basiert. Neben der Entwicklung eines Reaktorkonzeptes mit integrierten Heatpipe-Latentwärmespeichern zur effektiven Abwärmenutzung der exothermen Synthese (Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik) und einer modellbasierten Untersuchung des dynamischen Lastwechselverhaltens des Prozesses (Arbeitsgruppe Katalytische Reaktoren und Prozesstechnik) liegt der Fokus in der Arbeitsgruppe „Biomasse und nachhaltige Erzeugung von Plattformchemikalien“ auf der Untersuchung und Optimierung heterogener Katalysatoren für die Methanolproduktion.

Da die stöchiometrische Produktion von Wasser bei der Umsetzung von CO₂ zu Methanol zur Inaktivierung der industriellen, Cu/ZnO/Al₂O₃-basierten Katalysatoren führt, sollen wasserresistente Feststoffkatalysatoren auf ihre Aktivität für die Methanolsynthese untersucht werden. Weiterhin führt die fluktuierende Produktion von CO₂ und H₂ zu einer stark wechselnden Zusammensetzung des Eduktgases. Auf die dadurch wechselnd oxidierende und reduzierende Umgebung muss der heterogene Katalysator unter Beibehaltung seiner stationären Produktivität reagieren können. Ziel des Forschungsvorhabens ist demnach die Untersuchung verschiedener katalytischer Materialien hinsichtlich ihres Degradationsverhaltens und ihrer Stabilität unter den gegebenen Prozessbedingungen. Aufbauend auf die optimierten Eigenschaften des Katalysators kann dann ein neuartiger Prozess zur Methanolsynthese designed werden. Dieses Projekt wird vom Bayerischen Staatsministerium für Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst unter dem Förderkennzeichen Az. IX.6-F2421.4.0/22/31 im Rahmen des Energie Campus Nürnberg in der 2. Förderperiode finanziert.