Nachhaltigen Treibstoff in großen Mengen herstellen

Modulare und autarke Technologien zur Umsetzung von Synthesegas in Kohlenwasserstoff und langkettige Alkohole

Wichtigste bisherige Ergebnisse

Der Forschungscluster B2 entwickelt verschiedene Konzepte zur Nutzung von Synthesegas. Ein Arbeitspaket beschäftigt sich mit der dezentralen Herstellung von Dieselkraftstoff und Kerosin aus Luft und erneuerbarem Strom. Hierzu wurden detaillierte Grundlagen für die direkte Kopplung der folgenden vier Schritte geschaffen:

  1. Kohlendioxid-Abtrennung aus der Luft
  2. Hochtemperatur-Co-Elektrolyse von Kohlendioxid und Wasser zu Synthesegas
  3. Umwandlung von Synthesegas in flüssige Kohlenwasserstoffe über etablierte Schritte der Fischer-Tropsch-Synthese
  4. hydrierende Spaltung der erzeugten Kohlenwasserstoffe

Der Prozess wurde modular mit einer Elektrolyseleistung von 10 Kilowatt sowie 150 Kilowatt entwickelt. Er bildet die Basis für den Bau einer prototypischen integrierten Anlage und die Bewertung des Konzeptes. Für die Einschätzung, ob sich die aus dem Synthesegas hergestellten Produkte als Kerosinzusatz eignen, wurde ein Verfahren des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, der DLR Fuels Preselection Process®, adaptiert. Eine erste Analyse der Verbrennungseigenschaften lieferte vielversprechende Ergebnisse.

Durch Kopplung an die sogenannte Biomasse-Oxyfuel-Verbrennung soll die Hochtemperatur-Elektrolyse nachhaltiger gestaltet und ihr Strombedarf reduziert werden. Beim Oxyfuel-Verfahren wird der Brennstoff, in diesem Fall die Biomasse, nicht mit Luft, sondern mit einem Gemisch aus Sauerstoff und Rauchgas verbrannt. Dabei fallen im Abgas hauptsächlich Wasserdampf und Kohlendioxid an, die der Elektrolyse zugeführt werden. Eine Technikumsanlage, die das Konzept der Kopplung der Elektrolyse mit der Oxyfuel-Verbrennung von Biomasse validiert, geht im August 2018 in Betrieb.

Der Forschungscluster B2 beschäftigt sich zudem mit der dezentralen Herstellung von synthetischem Flüssigerdgas. Hier wurden zwei neue Reaktorsysteme zur Umwandlung von Synthesegas in Methan entworfen. Beide Reaktoren eignen sich für den dezentralen Einsatz im dynamischen Betrieb. Eine entsprechende Pilotanlage soll im Dezember 2018 ihre Arbeit aufnehmen. Der Katalysator, der für die Bildung von Methan aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff erforderlich ist, wurde im laufenden Prozess zeitaufgelöst mit einer speziellen Röntgenmethode analysiert. Solche Untersuchungen sind wichtig, um die Stabilität des Katalysators zu beurteilen. In diesem Fall zeigten sich bei Ausfall des Wasserstoffs Veränderungen am Katalysator.

Die Herstellung von Benzin aus Synthesegas über die Zwischenstufe Methanol steht ebenfalls auf dem Programm des Forschungsclusters B2. Hierfür wurde eine Versuchsanlage entwickelt und in Betrieb genommen. Die Synthese der Ottokraftstoffe erfolgt nach dem etablierten Syngas-to-Fuel-Verfahren. Nach einer umfassenden Charakterisierung des so hergestellten Benzins wurde der Zielkorridor für die Qualität des neuen Kraftstoffs erfasst und Kriterien für die Verfahrensoptimierung abgeleitet.

Synthesegas kann auch als Energiequelle für mikrobiologische Prozesse dienen. Der Forschungscluster B2 beschäftigt sich in diesem Zusammenhang mit der Fermentation von Synthesegas zur Herstellung von langkettigen Alkoholen, die zum Beispiel in Wasch- und Reinigungsmitteln oder als Weichmacher in Kunststoffen Verwendung finden. Zur Produktion des Alkohols Hexanol wurde ein Fermentationssystem mit zwei Bioreaktoren im Labormaßstab etabliert. Zum Einsatz kamen zwei bereits in der Fachliteratur beschriebene Bakterienstämme aus der Gattung der Clostridien. Die Zusammensetzung der Nährmedien wurde optimiert. Der erste Schritt der fermentativen Hexanolproduktion, die Umsetzung von Synthesegas zu den Zwischenprodukten Ethanol und Acetat, wurde bereits im kontinuierlichen Betrieb inklusive Zellrückhaltung über mehr als 1000 Stunden demonstriert. Zur Erarbeitung eines technischen Reaktorkonzeptes wurde eine Laboranlage aufgebaut und in Betrieb genommen.

Geplante Arbeiten

Eine integrierte Versuchsanlage zur Herstellung von Dieselkraftstoff und Kerosin aus Luft und erneuerbarem Strom soll jetzt aufgebaut werden, um die erwarteten ökologischen und ökonomischen Vorteile der Verfahrenskopplung zu bewerten. Gleiches gilt für die Anlage zur Kopplung der Biomasse-Oxyfuel-Verbrennung mit der Hochtemperatur-Elektrolyse. Nach Inbetriebnahme der Versuchsanlage zur Methanherstellung wird auch die Bewertung dieses Konzeptes zur dezentralen Herstellung von Flüssigerdgas intensiviert. Bezüglich der Synthesegasfermentation steht die Umsetzung der kompletten mikrobiellen Produktion von Hexanol im kontinuierlichen Betrieb an. Es soll ein Reaktorsystem entworfen werden, das eine ausreichend hohe Ausbeute an Hexanol liefert.

Leitung: Professor Dr. Roland Dittmeyer (Karlsruher Institut für Technologie)

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