Aus Abgas mach Rohstoff

Um aus einem Molekül wie CO höhere Alkohole zu machen, muss ein Katalysator eine Reihe ganz unterschiedlicher Reaktionsschritte ermöglichen. Dafür benötigen die Wissenschaftler verschiedene aktive Zentren auf dessen Oberfläche. Ein homogenes Material aus nur einer Substanz würde das nicht leisten. Daher setzt das Team auf die Kombination aus Kobalt und Kupfer.

Die Wahl kommt nicht von ungefähr. Vielmehr greifen die Experten auf Wissen zurück, das man zuvor bei ähnlichen Prozessen gewonnen hat. Kobaltkatalysatoren haben sich bei der Überführung von Synthesegas in längerkettige Kohlenwasserstoffe bewährt, im sogenannten Fischer-Tropsch-Verfahren. Kupfer wiederum ist eine erprobte Komponente für die Gewinnung von Methanol, dem einfachsten ­Alkohol. „Bei der Synthese höherer Alkohole versuchen wir, diese beiden schon etablierten Verfahren so mit­einander zu vereinen, dass zunächst Kohlen­wasserstoffketten gebildet werden, die am Ende dann noch die alkoholtypische OH-Gruppe erhalten“, sagt Reinsdorf.

Mit der Idee, eine Kobalt-Kupfer-Kombination zu nutzen, begann aber erst die Detailarbeit. Da waren zum Beispiel die Fragen nach dem optimalen Mengenverhältnis der beiden Elemente, nach optimalen chemischen Strukturen, in denen sie vorliegen sollten, etwa als Metall oder in oxidischer Form, getrennt in einzelne Partikel oder als Mischphase. Außerdem wusste man zwar, dass dem Katalysator eine Spur Mangan auf die Sprünge hilft, aber ob man dieses besser auf, neben oder zwischen den Kupfer-Kobalt-Partikeln positioniert, musste erst geklärt werden.

In zahlreichen Tests haben die Forscher bereits die optimalen Mengenverhältnisse ermittelt. Hierbei half das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen. Dort werden die Katalysatormuster aus Hanau in einem Parallel­reaktorsystem aus Edelstahl auf die Probe gestellt. Bei genau definierten Temperatur- und Druckbedingungen leiten die Experten Synthesegas durch die Reaktoren, analysieren anschließend, welche Substanzen entstanden sind – und in welcher Menge.

Nur solche Katalysatoren, die sich beim Fraunhofer UMSICHT bewährt haben, sollen nun in der zweiten Projektphase bei Thyssenkrupp in Duisburg einer weiteren Teststufe unterzogen werden. In dem dort eigens für das Carbon2Chem-Projekt errichteten Technikum gibt es einen ähnlichen Versuchsaufbau mit drei wichtigen Unterschieden: Die Reaktoren sind größer, das zugeführte Synthesegas wird direkt aus dem Hüttengas des benachbarten Stahlwerks gewonnen, und die Test­reihen sollen deutlich länger laufen, um die Lebensdauer der Katalysatoren zu untersuchen.

Die Ergebnisse erster Testreihen mit gut 40 Katalysator­varianten aus Hanau waren eindeutig: Es gelingt tatsächlich, höhere Alkohole aus Synthesegas herzustellen. Ein wichtiger Erfolg, doch bisher entstanden im Prozess zu viele unerwünschte Nebenprodukte: insbesondere Methan und kurzkettige Alkane. Die neueste Katalysatorgeneration schafft einen Anteil an höheren Alkoholen von über 50 Prozent. „Damit haben wir das Ziel der ersten Projektphase erreicht“, sagt Wolf. Ganz zufrieden ist sie aber immer noch nicht. „Wir brauchen eine höhere Selektivität und noch bessere Ausbeuten.“

Deswegen arbeiten die Experten weiter an der Optimierung des Katalysators. Dass ein Mengenverhältnis von Kobalt zu Kupfer von vier zu eins gut funktioniert, wissen sie aus den ersten Versuchsreihen. Jetzt untersuchen sie gezielt Prozessbedingungen wie Druck, Temperatur oder Verweilzeit im Reaktor. Zudem könnte die Größe der Metallkristallite und damit einhergehend das Auftreten von Kristallflächen, -ecken und -kanten im Pulver von Bedeutung sein. Um dies mithilfe von Experimenten besser zu verstehen, arbeiten die Evonik-Forscher mit Experten der Ruhr-Universität Bochum und der RWTH Aachen zusammen.

Parallel dazu beschäftigen sich Dorit Wolf und Arne Reinsdorf mit einem weiteren Thema: auch Kohlen­dioxid für die Reaktion zu nutzen. Das war bei den bisherigen Tests nicht im verwendeten Synthesegas enthalten, ist aber ein Hauptbestandteil von Hüttengas. „Wir versuchen derzeit, unseren Katalysator so zu de­signen, dass CO₂ in die Synthese miteingebaut werden kann“, sagt Wolf und gibt zu bedenken: „Das ist alles andere als trivial.“ Sollte dies gelingen, ließen sich künftig auch andere CO₂-haltige Gasgemische als Rohstoff für das Verfahren nutzen.

Zunächst aber gilt es jetzt, die Selektivität des Katalysators zu erhöhen. Dabei wollen die Forscher nicht nur die Ausbeute an höheren Alkoholen steigern, sondern auch die Länge der entstehenden Molekülketten besser steuern können. Bisher reichte die Verteilung der Kettenlängen in den Produktmischungen von Ethanol (mit zwei C-Atomen) bis Hexanol (mit sechs C-Atomen). Für spätere Anwender der Technologie wäre es jedoch sehr nützlich, die Länge der Ketten gezielt kontrollieren zu können. Denn Alkohole sind, je nach Kettenlänge, für ganz unterschiedliche Marktteilnehmer interessant. Während die längeren Alkohole vor allem von Herstellern in der Spezialchemie nachgefragt werden, ließen sich kürzere Alkohole wie Ethanol oder ­Propanol in der Produktion von synthetischen Kraftstoffen oder Monomeren für Polyolefine einsetzen. Bernd Jaeger sieht hier ein großes Potenzial für eine Kata­lysatorplattform: „Im besten Fall bieten wir künftig eine ganze Palette maßgeschneiderter Versionen an, aus der sich jeder Anwender die für seine Anforderungen passende auswählen kann.“

Jaeger denkt noch einen Schritt weiter: „Am Ende muss es natürlich das Ziel sein, Stoffkreisläufe zu schließen“, sagt er. Und genau dazu könnte das im Höhere-Alkohole-Projekt entwickelte Verfahren eines Tages beitragen. „Wir entwickeln eine Technologie für die Verwertung von Synthesegas, und das kann auch aus anderen Quellen stammen.“ Sobald das Verfahren steht, kämen auch Biogasanlagen als Rohstoffquelle in Betracht.

In Zukunft könnten auch Kunststoffabfälle die gewünschte Gasmischung liefern, indem man sie bei hoher Temperatur und hohem Druck mit kleinen Mengen Sauerstoff zerlegt. Einige Unternehmen arbeiten derzeit daran, diese sogenannte Gasifizierung in den indus­triellen Maßstab zu überführen. „Das wäre etwa für mechanisch nicht rezyklierbare Abfallströme interessant“, sagt Jaeger und meint dabei insbesondere verunreinigte oder gemischte Abfälle, die die Kunststoffe Poly­ethylen oder Polypropylen enthalten. „Gerade diese beiden Polymere werden in großen Mengen produziert, aber bisher kaum chemisch recycelt“, so Jaeger.

Beide Polymertypen lassen sich prinzipiell auch aus zwei höheren Alkoholen gewinnen: aus Ethanol beziehungsweise Propanol. Die Alkohole werden dabei zunächst in Ethylen und Propylen überführt, die bisher aus Erdöl gewonnen werden. Aus den Einzelbausteinen Ethylen und Propylen könnten dann wieder neue Polymere entstehen und damit neue Kunststoffprodukte. Ein Stoffkreislauf wäre geschlossen.

Fotos: ThyssenKrupp Steel Europe AG, Robert Eikelpoth (4), Stefan Wildhirt / Evonik

Illustration: Oriana Fenwick / Kombinatrotweiss mit Fotovorlage von privat

Infografik: Maximilian Nertinger