Vielversprechendes katalytisches Verfahren zur Gewinnung von Propan aus Glycerin
Glycerin(öffnet in neuem Fenster) ist eine organische Verbindung, die hauptsächlich aus Fetten und Ölen gewonnen wird und häufig in Gesundheits- und Schönheitsprodukten verwendet wird. In jüngster Zeit wurde es als Rohstoff für nachhaltige flüssige und gasförmige Brennstoffe angepriesen. Im Rahmen des innerhalb der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) unterstützten Projekts HYDROGAS wurde Glycerin als Ausgangsstoff für die Herstellung von Wasserstoffgas und Biopropan untersucht. Da bei der Nutzung keine Kohlendioxidemissionen entstehen, gilt Wasserstoff weithin als der vielversprechendste saubere Brennstoff der Zukunft. Biopropan kann zwar die aus fossilen Rohstoffen gewonnenen Flüssiggase („Campinggas“) ersetzen, ist aber auch für den Verkehr und netzunabhängige Heizanwendungen interessant. „Unser Ansatz bestand darin, einen Teil des Glycerins selbst zu verwenden. Dadurch kann das für die Biopropanproduktion benötigte Wasserstoffgas erzeugt werden, sodass es nicht mehr aus teuren externen Quellen zugeführt werden muss“, erklärt der leitende Forscher Jude Onwudili vom Energy and Bioproducts Research Institute(öffnet in neuem Fenster) der Universität Aston im Vereinigten Königreich, an der das Projekt angesiedelt ist. Das erste Ziel von HYDROGAS, die Entwicklung eines Verfahrens zur Erzeugung von ausreichend Wasserstoff für die Umwandlung von Glycerin in Biopropan, wurde erfolgreich erreicht. Die zweite Methode, bei der eine hohe Ausbeute an Biopropan erzielt wurde, war zwar nicht so erfolgreich, aber das Team ist nach wie vor von der Machbarkeit überzeugt.
Eine alternative Quelle für Wasserstoff
Glycerin besteht aus drei Kohlenstoffatomen, die jeweils eine Hydroxylgruppe enthalten – ein Sauerstoffatom, das an ein Wasserstoffatom gebunden ist. Da Propan ein Kohlenwasserstoffmolekül ist, das nur aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen besteht, müssen bei seiner Gewinnung aus Glycerin die drei Sauerstoffatome entfernt werden. Dazu muss in der Regel ein Katalysator gefunden werden, der mithilfe von Wasserstoffgas selektiv den Sauerstoff im Glycerin als Wasser entfernt, sodass Propanmoleküle übrig bleiben. Wasserstoff ist jedoch teuer und wird meist aus fossilen und damit umweltbelastenden Brennstoffen gewonnen. Die Innovation von HYDROGAS bestand darin, einen Teil des Glycerins selbst zu verwenden, um den für die Umwandlung von Glycerin in Biopropan erforderlichen Wasserstoff zu erzeugen.
Zweistufiges katalytisches Verfahren
Da mehrere Reaktionen unter Einsatz verschiedener Katalysatoren erforderlich sind, wurde ein zweistufiges Verfahren entwickelt. Für jeden Schritt wurden verschiedene heterogene Katalysatoren getestet, d. h. Katalysatoren, die sich in einem anderen Zustand als die Reaktanten befinden, z. B. ein fester Katalysator in einer Reaktion, an der Flüssigkeiten beteiligt sind. Um die Katalysatoren mit der stabilsten Aktivität in einem Reaktor mit Batchbetrieb herauszufinden, wurden diese bei verschiedenen Temperaturen, Reaktionszeiten und Glycerin-Konzentrationen erprobt. Während die teuren Platinmetalle(öffnet in neuem Fenster) in der Regel als die wichtigsten Katalysatormaterialien dienten, bot HYDROGAS die Möglichkeit, preiswerte und vielversprechende Alternativen auf der Basis von Alkalimetallen und Übergangsmetallen(öffnet in neuem Fenster) zu testen. „Eine zentrale Herausforderung der wässrigen Phase unserer Reaktion besteht darin, dass Katalysatoren schnell deaktiviert werden können. Ein wichtiges Ergebnis war, einen günstigeren, hochaktiven und stabilen Katalysator zu finden, mit dem wir die Menge an aus Glycerin gewonnenem Biopropan zu geringeren Kosten erhöhen können“, sagt Carine Alves, Forschungsstipendiatin an der brasilianischen Bundesuniversität von Bahia(öffnet in neuem Fenster). Um kostspielige und zeitaufwendige Vorbehandlungen zur Entfernung von Verunreinigungen zu vermeiden und die Stabilität von Rohglycerin zu gewährleisten, verwendete das Team reines Glycerin.
Nutzen für Umwelt, Arbeitsplätze und Energiesicherheit
Die Produktion von erneuerbarem Wasserstoff und auf CO2-arme Weise zu erzeugenden gasförmigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen wie Biopropan ist ein wichtiger Bestandteil des europäischen Grünen Deals(öffnet in neuem Fenster). Biopropan könnte beispielsweise zu einem Brennstoff für abgelegenere, netzunabhängige Standorte werden, der sich in den breiteren Energiemix einfügt und neue Arbeitsplätze schafft. Das Team optimiert derzeit günstigere und effizientere Katalysatoren, um die Anzahl der für die Umwandlung von Glycerin in Biopropan erforderlichen Reaktionen zu verringern. „Wir arbeiten auch weiterhin daran, aus ,Rohglycerin‘ hohe Biopropan-Ausbeuten zu erzielen. Durch HYDROGAS haben wir herausgefunden, dass die Reaktionen der zweiten Stufe auch unter nicht-hydrothermischen Bedingungen ablaufen können. Diese alternative Route werden wir erforschen“, schließt Onwudili.
