13.04.2022 - Technische Universiteit Delft

Saubere Produktionsprozesse in der chemischen Industrie

TU Delft und TNO bereiten die Industrie auf die Scale-up-Phase der sauberen Fabrik vor

Die Öl- und Gasknappheit treibt nicht nur die Preise für Gas und Benzin in die Höhe, sondern auch für Kunststoffe, Medikamente und Kosmetika. Um unsere Gesellschaft unabhängiger von fossilen Brennstoffen zu machen und den Klimawandel zu bekämpfen, muss sich die chemische Industrie radikal verändern. In den letzten Jahren haben die TU Delft und TNO den Grundstein für sauberere Produktionsprozesse in der chemischen Industrie gelegt. Die neue e-Chem-Partnerschaft geht nun noch einen Schritt weiter, indem sie tatsächlich eine saubere Fabrik der Zukunft baut.

Gemäß dem Pariser Klimaabkommen von 2015 soll unsere Gesellschaft bis 2050 kohlenstoffneutral sein. Wir werden dieses Ziel nicht erreichen, ohne die chemische Industrie radikal zu verändern. Eine der Möglichkeiten besteht darin, CO2 aus der Luft zu nehmen und es unter anderem mit nachhaltig erzeugtem Strom in Rohstoffe für die Produktion von Kunststoffen und Kraftstoffen umzuwandeln. Um den Prozess, die chemische Industrie nachhaltiger zu gestalten, zu beschleunigen, bündeln e-Refinery (TU Delft) und Voltachem (TNO), zwei groß angelegte Forschungsprogramme im Bereich der Elektrifizierung der chemischen Industrie, ihre Kräfte im Programm e-Chem.

"Die Elektrifizierung der chemischen Industrie bietet den Niederlanden große Chancen, der führende Anbieter von High-End-Systemen für die Energiewende zu werden. Und wo könnte man solche Lösungen besser entwickeln als hier in Delft, in unmittelbarer Nähe von Botlek, dem größten petrochemischen Zentrum in Nordwesteuropa? Gemeinsam mit anderen Wissenseinrichtungen und der Industrie wird e-Chem nun Großanlagen bauen, die CO2 aus der Luft mittels Elektrolyse im industriellen Maßstab und zu wettbewerbsfähigen Preisen in drei Grundbausteine für die chemische Industrie umwandeln: Methanol, Ethylen und Kerosin. Wir sind die ersten, die solche Großanlagen bauen. Wir haben uns entschlossen, einfach loszulegen, und wir werden aus der Praxis lernen. Das ist der Ansatz, der es uns ermöglichen wird, schneller zu werden", so Ruud van Ommen (e-Refinery) und Martijn de Graaff (VoltaChem).

Elektrolyse-Technologie

Das Prinzip der Elektrolyse ist schon seit langem bekannt. Man nimmt einen Behälter mit einer Flüssigkeit, die Strom leitet. Man schickt das gasförmige CO2 hindurch. Man legt zwei Metallplatten in den Behälter, die mit einem Katalysator bedeckt sind. Du legst eine Spannung darüber. Ein elektrischer Strom fließt von einer Platte zur anderen, quer durch das Gas-Flüssigkeits-Gemisch. Dieser Strom bewirkt, dass die chemischen Bindungen zwischen dem Kohlenstoff und dem Sauerstoff sowie zwischen den Molekülen, aus denen die Flüssigkeit besteht, aufgebrochen werden und neue Stoffe entstehen.

Bevor diese Technologie in großem Maßstab in der chemischen Industrie eingesetzt werden kann, sind noch einige Herausforderungen zu bewältigen, so Ruud van Ommen und Martijn de Graaff. Wir werden Anlagen bauen, die 50 bis 100 Liter Produkt pro Tag produzieren. Dafür müssen wir Systeme entwerfen, die stabil sind, das heißt, dass sie über Monate oder Jahre hinweg die gleiche Qualität mit der gleichen Geschwindigkeit produzieren. Das ist derzeit nicht möglich. Wir wollen auch Strom nutzen, der von Windturbinen oder Sonnenkollektoren erzeugt wird. Aber diese Versorgung ist unvorhersehbar. Wie kann man ein Verfahren entwickeln, das damit umgehen kann? Und was bedeutet das schwankende Stromangebot für die Produktionskapazität einer solchen Anlage?

Auch die Skalierung der Technologie selbst ist leichter gesagt als getan, erklärt Van Ommen. Bei herkömmlichen chemischen Verfahren vergrößert man einfach den Reaktorbehälter. Bei einem elektrochemischen Verfahren gibt es aus technischen Gründen feste Abstände zwischen den beiden Metallplatten und eine maximale Höhe des Reaktorgefäßes. Man kann also nur durch die Verwendung von mehr Platten oder durch die Vergrößerung der Platten den Maßstab erhöhen. Aber was bedeutet das für die Strommenge, die durch Ihre Reaktionsflüssigkeit fließt, und für die Temperaturverteilung während der Reaktion? Aus welchem Material sollten Sie die Katalysatoren für die Reaktionen herstellen, und sind diese Materialien in ausreichender Menge verfügbar? e-Chem wird uns helfen, schneller Antworten auf solche praktischen Fragen zu finden.

Vielversprechende Wege zum Erfolg

Die TU Delft hat in der e-Refinery Erfahrungen in der Grundlagen- und angewandten Forschung zu Materialien, Prozessen und Reaktoren auf allen Längenskalen, von der atomaren bis zur Reaktorskala, gesammelt. TNO verfügt über umfangreiche Erfahrungen mit praktischen Tests und Themen wie Lebenszyklusanalyse und Geschäftsmodelle. Durch die Kombination dieses Wissens und dieser Fachkenntnisse wollen beide Parteien innerhalb weniger Jahre Demonstrationen durchführen, die die Industrie davon überzeugen sollen, in diese Technologie zu investieren.

Die Forschungsagenda wird sich auf die vielversprechendsten Wege zum Erfolg konzentrieren. Es ist zum Beispiel eine bewusste Entscheidung, CO2 aus der Luft als Rohstoff zu verwenden", sagt De Graaff. Da die Fabriken den CO2-Gehalt ihrer Rauchgase bereits reduzieren, glauben wir, dass diese CO2-Quelle in Zukunft langsam versiegen wird. Es ist auch kein Zufall, dass sie sich für Produkte wie Methanol, Ethylen und Kerosin entschieden haben. Ethylen und Methanol haben viele Anwendungsmöglichkeiten, von Kunststoffen bis hin zu Tabletten", sagt De Graaff. Auch bei den Kraftstoffen haben wir versucht, den vielversprechendsten Business Case zu ermitteln. Für den Personenverkehr gibt es fortschrittliche Optionen für den Wechsel zu Batterien oder Wasserstoff. Aber in der Luftfahrt wird Kerosin wahrscheinlich noch lange Zeit unersetzlich bleiben. Ein sauberer Produktionsprozess ist daher auch in diesem Fall sehr wünschenswert".

Offene Einladung

Beide Forscher betonen, dass e-Chem aus dem gemeinsamen Bestreben entstanden ist, den Übergang von einer auf fossilen Rohstoffen basierenden chemischen Industrie zu einem auf nachhaltigem Strom und CO2 basierenden Sektor zu beschleunigen. Der Markt wird das nicht von allein schaffen. Und mit nur zwei Parteien werden wir auch nicht erfolgreich sein. Wir fordern daher andere akademische und industrielle Partner auf, sich uns anzuschließen.

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