Das Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) betreibt eine Pilotanlage, in der die Methanolsynthese ausschließlich auf CO2 als Kohlenstoffquelle zurückgreift und das gewonnene Methanol im selben kontinuierlichen Prozess zu zwei synthetischen Kraftstoffen weiterverarbeitet wird. Die Demonstrationsanlage führt vor, wie sich grundlegende chemische Prozesse mit ausschließlich erneuerbaren Ausgangsstoffen betreiben und zu Fertigungslinien verknüpfen lassen.
Entstanden ist die Anlage im Projekt SuME (Sustainable Mobility Enabler), das ein Team um Dr. Sebastian Wohlrab vom LIKAT gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie in dreieinhalb Jahren umgesetzt hat. Die beiden Zielprodukte Methylformiat (MeFo) und Dimethylcarbonat (DMC) entstehen in getrennten Produktionssträngen aus dem zuvor erzeugten Methanol.
Kohlenstoff aus CO2 statt aus Öl, Gas oder Kohle
Kohlenstoff ist der zentrale Baustein der Zielprodukte, wie bei vielen chemischen Grundstoffen. Anders als in der Chemie üblich stammt er in der LIKAT-Anlage jedoch nicht aus Öl, Gas oder Kohle, sondern vollständig aus CO2. Als Quellen kommen etwa Abgase aus der Zement- oder Biogasproduktion sowie Kohlendioxid aus der Luft in Frage. Die Anlage ist damit Teil weltweiter Bemühungen in der Fachwelt, das klimaschädliche CO2 aus den Abgasströmen zu entnehmen und als Rohstoff zu verwerten. Auch Wasserstoff und Sauerstoff, die übrigen Ausgangsstoffe für Methanol, MeFo und DMC, kommen aus nachhaltigen Quellen.
Methanol, mit der Strukturformel CH3OH der einfachste Alkohol, zählt mit einer Jahresproduktion von 112 Millionen Tonnen im Jahr 2024 zu den zentralen Basischemikalien der globalen Industrie. Großtechnisch entsteht es bislang aus Synthesegas, einem Gemisch aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) auf fossiler Basis. Die Methanolsynthese auf regenerierbare Rohstoffe umzustellen, ist ein langfristiges Forschungsziel, für das es am LIKAT und in anderen Labors erste Lösungen gibt, die teils bereits im Technikumsmaßstab getestet werden.
Die SuME-Anlage verbindet nun ein alternatives Methanolverfahren mit ebenso nachhaltigen Reaktionsrouten für Folgeprodukte in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess. „Von dieser Synthese-Plattform aus lässt sich die gesamte Folgechemie von Methanol in alternativen Reaktionen erkunden“, sagt Sebastian Wohlrab, der das SuME-Projekt koordiniert und am LIKAT ein vierköpfiges Forschungsteam leitet. Über die beiden C1-Oxygenate MeFo und DMC hinaus nimmt das Team weitere Zielprodukte in den Blick, etwa Kerosin sowie höhere Kohlenwasserstoffe wie längerkettige Alkane und Olefine.
Zwei Reaktionswege für die Methanolsynthese aus CO2
Für die Methanolsynthese aus CO2 stehen in der Anlage zwei Reaktionswege zur Verfügung, die beide auf Wasserstoff aus einem Elektrolyseur aufbauen, der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Den Strom dafür speist die Photovoltaikanlage des LIKAT-Technikums ins Netz ein. In der Technikumshalle sind Reaktoren, Pumpen, Regler und Drucksysteme haushoch aufgebaut, umgeben von Rohrleitungen und einem schützenden Plexiglasgehäuse, und das Fließschema der Anlage umfasst 160 Seiten.
Im ersten Weg reagiert der Wasserstoff mit CO2 zu Kohlenmonoxid, das mit zusätzlichem Wasserstoff zu Synthesegas und anschließend zu Methanol umgesetzt wird. Dieser Weg ähnelt dem großtechnischen Verfahren, kommt aber ohne fossilen Rohstoff aus. Im zweiten Weg wird der Wasserstoff dem CO2 zugesetzt, das dann direkt zu Methanol reagiert, wobei Wasser als Nebenprodukt anfällt.
Das Methanol durchläuft danach einen von zwei Produktionssträngen. Im ersten wird es unter Freisetzung von Wasserstoff zu MeFo umgesetzt, im zweiten reagiert es mit Kohlenmonoxid und Sauerstoff zu DMC. Die Anlage arbeitet kontinuierlich und erreicht eine Ausbeute von maximal einem Liter pro Stunde. „Beide sind CO2-neutral produzierte Verbindungen, die weitestgehend schadstofffrei und mit ähnlicher Oktanzahl wie herkömmliche Stoffe verbrennen“, erläutert Sebastian Wohlrab. DMC dient darüber hinaus als Elektrolyt in der E-Mobilität.
Stabilerer Katalysator verkraftet den Wasserkontakt
Die Umsetzung von CO2 stellt vor allem die Katalysatorentwicklung vor Herausforderungen, denn das Klimagas ist äußerst reaktionsträge. Für die Aktivierung der CO2-Moleküle in der Methanolsynthese eignen sich laut Sebastian Wohlrab Kupfer-Zink-Katalysatoren, wie sie die Industrie auch für die Methanolproduktion aus fossilem Synthesegas einsetzt. Bei Kontakt mit Wasser, der sich in der alternativen Reaktion nicht vermeiden lässt, verlieren diese Katalysatoren allerdings ihre Funktion.
Vor vier Jahren gelang es am LIKAT, einen Katalysator mit höherer Stabilität zu synthetisieren, „in ähnlicher Stoffzusammensetzung doch mit stark veränderter Mikro- und Oberflächenstruktur“, so Wohlrab. Zur selben Zeit entstand die Idee, im damals neu eröffneten LIKAT-Technikum eine Synthese-Plattform für Methanol aufzubauen und dafür Förderung und Forschungspersonal zu suchen.
Als Projektpartner beteiligten sich die TU Bergakademie Freiberg, das Fraunhofer-IKTS sowie die Unternehmen EnProCo und HydroExceed. Gefördert hat das Projekt das deutsche Bundesministerium für Digitales und Verkehr mit 7,11 Millionen Euro. Im Projektverlauf hat das SuME-Team den Einfluss von Wasser und anderen Reaktionskomponenten auf den katalytischen Prozess untersucht und den Kupfer-Zink-Katalysator weiterentwickelt. Derzeit klären die Chemiker, welcher der beiden Reaktionspfade zum Methanol ökonomisch günstiger ist, der Umweg über CO oder der direkte Weg aus CO2.
