Strom als Rohstoff für die Industrie

Im Fraunhofer-Leitprojekt „Strom als Rohstoff“ entwickeln die Wissenschaftler elektrochemische Verfahren, um mithilfe von regenerativ erzeugten Strom Basischemikalien herzustellen.

Auf der ACHEMA präsentierten die Fraunhofer Institute u.a., wie man mithilfe von grünen Strom, Kohlendioxid und Wasser chemische Rohstoffe herstellt. (Bildquelle: Fraunhofer Umsicht)

Die Energiewende ermöglicht es, Strom CO2-ärmer zu erzeugen. Das eröffnet neue Wege für eine Produktion von verschiedenen Rohstoffen mithilfe von Strom. Um diesen Wandel zu gestalten, haben neun Fraunhofer-Institute unter Federführung von Fraunhofer UMSICHT ihre Kompetenzen gebündelt. Im Rahmen des Leitprojekts „Strom als Rohstoff“ entwickeln sie neue elektrochemische Verfahren zur Herstellung von Basischemikalien.

Seit dem Projektstart 2015 haben die Wissenschaftler neue Prozesse entwickelt, technisch demonstriert und ihre Kopplung mit dem deutschen Energiesystem analysiert – immer mit dem Ziel, Ressourcen, Energie und Kapital bestmöglich einzusparen. Auf der Messe ACHEMA 2018, der internationalen Leitmesse für Prozessindustrie, präsentieren die Partner Know-how, Technologien und Ergebnisse aus dem Leitprojekt.

Wasserstoffperoxid nach Bedarf

Die umweltfreundliche Chemikalie Wasserstoffperoxid (H2O2) kommt u. a. als Bleichmittel und zur Entschwefelung zum Einsatz. Die Produktion ist kostenintensiv und benötigt große Mengen an Lösungsmitteln und Energie. Für viele Anwender wäre es ein großer Vorteil, auf die umfangreiche Logistik und Lagerung verzichten und H2O2 nur nach Bedarf (on demand) dezentral herstellen zu können. Im Leitprojekt haben Fraunhofer-Forscher deshalb ein Verfahren für die kontinuierliche, elektrochemische Herstellung von H2O2 im wässrigen Reaktionssystem einschließlich Kopplung an chemische Folgeprozesse entwickelt. Der Prozess kann kleinskalig, dezentral und im Idealfall mit 100 Prozent erneuerbarem Strom betrieben werden – das Prozessschema wird auf dem Messestand gezeigt.

Die CO2-Raffinierie

Kohlenstoffdioxid ist eine sinnvolle Kohlenstoffquelle für Chemikalien und Treibstoffe, wenn erneuerbare Energie zur Aktivierung genutzt wird. Auf diese Weise werden Strom, CO2 und Wasser zu Rohstoffen einer neuartigen CO2-Raffinerie. Im Leitprojekt werden mehrere Verfahren zur elektrochemischen Konversion von CO2 zu Basischemikalien entwickelt.

Mit Strom zu Ethen oder Alkohol

Die Wissenschaftler konnten auch die Herstellung von Ethen, der mit Abstand wichtigsten Basischemikalie der petrochemischen Industrie, aus CO2 und Wasser in nur einem Schritt demonstrieren. Der 3 m breite und 2 m hohe Demonstrator steht auf dem Messestand zur Besichtigung bereit. Außerdem wird ein Prozess zur elektrochemischen Herstellung kurzkettiger Alkohole (C1–C4) – hierzu zählt beispielsweise Methanol – erforscht, der über ein neues einstufiges Hochdruckelektrolyseverfahren CO2 und Wasser umsetzt. Das Prinzip der Hochdruckelektrolyse veranschaulicht Fraunhofer UMSICHT auf der ACHEMA anhand einer nachgebauten Hochdruckzelle mit integrierten Elektroden.

Hochpreisige Grundstoffe

Langkettige Alkohole (C4–C20) werden u. a. in der Kunststoff-, Kosmetik- und Waschmittelproduktion eingesetzt. Um die hochpreisigen Grundstoffe zu gewinnen, haben Fraunhofer-Forscher einen gekoppelten Prozess aus Hochtemperaturelektrolyse und Fischer-Tropsch-Synthese entwickelt, der langkettige Alkohole aus CO2 und Wasser herstellt. Die Synthese wird erstmalig über einen zweistufigen Prozess realisiert. Eine Hochtemperaturstabile Festoxidzelle für Power-to-Gas-Prozesse und ein Plexiglasreaktor demonstrieren auf der ACHEMA das Prinzip hinter den chemischen Prozessen.

Neuartige Membran für Zellen

Membranen, Elektroden und eine ausgefeilte Analytik sind wichtige Werkzeuge elektrochemischer Zellen und Prozesse. Eines dieser neu entwickelten Werkzeuge wird auf der ACHEMA präsentiert: Eine neuartige Membran für geteilte elektrochemische Zellen, die sich neben der sehr guten Protonenleitfähigkeit durch einen geringeren Preis und eine verbesserte Recyclingfähigkeit auszeichnet.

Des Weiteren sind zur Unterstützung der einzelnen Prozesse Modellierungswerkzeuge und ein Entscheidungsunterstützungssystem konzipiert worden. Wie das interaktive Tool für multidimensionale Datensätze Ergebnisse visualisiert und elektrochemische Prozesse in Abhängigkeit des Energiemarktes steuert, zeigen die Forscher auf dem Messestand.

Die internationale Leitmesse der Prozessindustrie findet vom 11. bis 15. Juni 2018 in Frankfurt am Main statt. Fraunhofer UMSICHT ist in Halle 9.2, Stand-Nr. D66 (Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft) auf der Messe zu finden.

Ein besonderer Tag ist der 14. Juni 2018, an dem ab 15 Uhr eine eigene Vortragssession zum Leitprojekt stattfindet.

Artikel geschrieben von

Hinrich Neumann

Redakteur Energie

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