Innovative Kaskadenprozesse zur Umwandlung von CO₂ in Kraftstoffe und Chemikalien

Ausgangssituation und Ziel

Verschiedene nationale und internationale Vereinbarungen (Klimaschutzplan 2050, UN Sustainable Development Goals, UNFCCC Paris Agreement) zielen darauf ab, den Anteil sauberer, erneuerbarer Energien am Energiemix zu erhöhen und die CO₂-Emissionen zu begrenzen. Motiviert durch diese Herausforderungen konzentriert sich der Straubinger Institutsteil BioCat des Fraunhofer IGB auf die Entwicklung neuer kombinierter chemisch-biotechnologischer Technologien zur Umwandlung von CO₂ und Energie in Kraftstoffe und Chemikalien.

Grundsätzlich umfasst die Technologieentwicklung die elektrochemische Umwandlung von CO₂ in C1-Zwischenprodukte, die mit einer Fermentation der C1-Verbindungen zu Basischemikalien wie Milchsäure, Isopren, Polyhydroxybuttersäure und langkettigen Terpenen kombiniert wird. Der Markt für diese Chemikalien, die für die Herstellung von Kautschuken, Kunststoffen, Lebensmittel- und Futtermittelzusätzen benötigt werden, wächst stark. Eine neue Verwendung von Isopren wird zudem durch die Oligomerisierung zu C10-C15-Verbindungen als Vorläufer von synthetischen Drop-in-Kraftstoffen eröffnet.

Aufgrund der geografisch verteilten Verfügbarkeit von regenerativer Energie und CO₂ ist die Entwicklung dezentraler Prozesse in kleinerem Maßstab von besonderem Interesse. Der Betrieb solcher Kleinchemieanlagen wird jedoch häufig durch wirtschaftliche Randbedingungen limitiert.

Technologische Entwicklung: Heterogen katalysierte Synthese von Methanol aus CO₂und anschließende C1-Fermentation in integrierter Reaktoranlage

Ein prominentes Beispiel für die Entwicklung einer integrierten Technologie ist das kürzlich patentierte Verfahren zur kombinierten chemischen und biotechnischen CO₂-Konversion. Das Verfahren besteht aus der heterogen katalysierten Synthese von Methanol aus CO₂, die für die direkte Kombination mit der C1-Fermentation mit Methylobacterium ssp. in einer integrierten Reaktoranlage [1] angepasst wurde. Die Methanolsynthese erfolgt dabei aus einem CO₂- und H₂-Gemisch auf einem herkömmlichen kupferbasierten Katalysator in einem katalytischen Durchflussreaktor. Anschließend werden die Umsetzungsprodukte Methanol und Wasser in einem speziell entwickelten Flüssigkeits-/Gas-Separator aus der Gasphase kondensiert und in einem Fermenter mit einem geeigneten Medium und der Vorkultur in vorgegebenen Zeitabständen dosiert. Die Mikroorganismen wachsen mit Methanol als einziger Kohlenstoffquelle.

Vorteile

Dieses neue kombinierte chemisch-biotechnologische Verfahren ermöglicht die Herstellung hochwertiger Chemikalien in nur zwei Schritten mit Methanol als einzigem Zwischenprodukt. Die Produkte lassen sich mit herkömmlichen chemisch-katalytischen Verfahren nicht herstellen. Zwei Merkmale des patentierten Verfahrens sorgen für geringe Investitions- und Betriebskosten: Das Methanol-Wasser-Gemisch kann ohne Trennschritt direkt in den Fermenter eingeleitet werden und die Fermentation erfolgt bei Raumtemperatur. Die Integration von abgeschiedenem CO₂ und regenerativer Energie zur Erzeugung von H₂ gewährleistet die Synthese von regenerativen Produkten.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist seine Wirtschaftlichkeit. Schätzungen zufolge ist die regenerative Methanolsynthese nur dann wirtschaftlich konkurrenzfähig  mit petrochemisch erzeugtem Methanol (Marktpreis 170 – 390 EUR/t), wenn die Anlage über einen längeren Zeitraum (4000 – 5000 h/Jahr) betrieben wird und der Energiepreis günstig ist (≤ 10 ct/kWh). Typische kleine, dezentrale CO₂ emittierende Anlagen (Biogasanlagen, Brauereien etc.) haben in der Regel keinen Zugang zu regenerativer Energie in dieser Größenordnung, sodass die Methanolsyntheseanlage nicht wirtschaftlich wäre. Das hier vorgestellte kombinierte chemisch-biotechnologische Verfahren ermöglicht dagegen die weitere Umwandlung von Methanol in Verbindungen mit deutlich höheren Marktpreisen. Daher hat der Prozess das Potenzial, die CO₂-Valorisierung auch im kleineren Maßstab in ein profitables Geschäft zu verwandeln [3].

Literatur

[1] L.-I. Csepei, F. Steffler, T. Gärtner, V. Sieber, DE102016203889, WO2017153396A.

[2] A. M. Bazzanella, F. Ausfelder, Low carbon energy and feedstock for the European chemical industry, DECHEMA e. V., 2016, 66-67

[3] L. I. Csepei, 36th Annual World Methanol Conference, IHS Markit, Vienna, 5 Oct 2018, Presentation at the Panel Discussion: Are there limits to the size of methanol Units? How can small-scale plants be profitable?