Solarbetriebene Strömungsreaktoren wandeln Kohlendioxid in Brennstoffe um
Die Umwandlung von Kohlendioxid in verwertbaren Brennstoff mag einfach klingen, die zugrundeliegende Chemie ist jedoch anspruchsvoll. Die Herausforderung besteht darin, Kohlendioxid und Wasser so selektiv, effizient und über einen ausreichend langen Zeitraum miteinander reagieren zu lassen, dass das Verfahren eines Tages auch außerhalb des Labors von Bedeutung sein kann. Im Rahmen des EU-finanzierten NEFERTITI-Projekts(öffnet in neuem Fenster) wurde ein solarbetriebenes Reaktorsystem zur Herstellung flüssiger Brennstoffe aus Kohlendioxid und Wasser entwickelt. Das Projekt befasste sich mit der Photokatalyse – einem Verfahren, bei dem Licht einen Katalysator aktiviert, um eine chemische Reaktion auszulösen – und erprobte Strömungsreaktoren anstelle von geschlossenen Chargenbehältern. Die Arbeit findet im Zuge der generellen europäischen Forschung zur Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in mehrfache Kohlenstoffverbindungen mittels Sonnenlicht statt.
Die Erzeugung von Ethanol und anderen Brennstoffen über solarbetriebene Strömungsreaktoren
Das Ziel des Projekts war es, zwei photokatalytische Reaktoren, Komponenten für die Nutzbarmachung von Licht und die Reinigung in einem nach Technologiereifegrad 4 (TRL4) validierten System zu vereinen – also eine Technologie im frühen Labormaßstab, die in einer relevanten Umgebung erprobt wird. Letztlich zeigte das System, dass sich die Ausgangsleistung je nach Betriebsbedingungen ändern kann. Projektkoordinator David González Gálvez, Bereichsleiter am Technologiezentrum Leitat(öffnet in neuem Fenster), erklärt: „Bei Projektende zeigte das integrierte System je nach Reaktionsbedingungen ein flexibles Produktspektrum.“ Unter bestimmten Bedingungen entstanden Ethanol und andere langkettige Alkohole; unter anderen Bedingungen entstanden Methan, Methanol und Aceton. Ethanol erwies sich als das realistischste kurzfristige Ziel, da es ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Selektivität, Prozessreife und Marktrelevanz bot.
Kontinuierliche Strömungsreaktoren ermöglichen eine verbesserte Regulierung der Brennstofferzeugung
Eine zentrale Entscheidung war die Umstellung von Chargenchemie auf kontinuierliche Strömung, damit die Reaktanten stetig durch den Reaktor strömen. González Gálvez erklärt hierzu: „Der Hauptvorteil von Strömungsreaktoren besteht in ihrem hohen Maß an Regulierbarkeit, das sie im Vergleich zu Chargensystemen bieten.“ Das ist daher wichtig, weil die Lichtverteilung, die Wärmeübertragung und der Kontakt zwischen Gasen, Flüssigkeiten und Katalysatoren allesamt Auswirkungen auf die Ausgangsleistung haben. Im Rahmen des Projekts wurde zudem von in Wasser gelöstem Kohlendioxid auf „feuchtes“ Kohlendioxid umgestellt, also einen Gasstrom, der Wasserdampf transportiert. Dadurch stand dem Katalysator mehr Kohlendioxid zur Verfügung, was wiederum die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhte. Damit einher ging der Kompromiss, dass die Feuchtigkeitsregulierung zu einer der größten Herausforderungen im ersten Umwandlungsschritt wurde.
Was der solaren Brennstofftechnologie vor der Maßstabsvergrößerung noch fehlt
Das integrierte Verfahren ist nach wie vor mit einem Engpass konfrontiert: eine geringe Umwandlung in beiden Reaktionsschritten. Selbst bei einer hohen Selektivität gegenüber Ethanol und höheren Alkoholen kann die Gesamtproduktivität begrenzt bleiben. Bei einer höheren Umwandlung kann sich das System in Richtung Methan verschieben, wodurch sich die Ausbeute der gewünschten Flüssigerzeugnisse verringert. González Gálvez skizziert den nächsten Schritt: „Der naheliegendste nächste Schritt, um von TRL 4 zur industriellen Praxis zu gelangen, ist die Verbesserung der Leistung wie auch der Haltbarkeit.“ Bei den meisten Versuchen wurde künstliches gesteuertes Licht verwendet, während echtes Sonnenlicht hauptsächlich auf die Stabilität hin erprobt wurde. Für weitere Arbeit sind daher eine verbesserte langfristige Katalysatorstabilität, eine höhere Umwandlung ohne Verlust der Ethanolselektivität und ein klareres Verständnis über die Auswirkungen von Sonnenlichtschwankungen auf die Leistung erforderlich. Das NEFERTITI-Projekt hat keine marktreife Brennstoffanlage hervorgebracht. Allerdings lieferte es einen erprobten Ansatz für die Kombination von Kohlendioxid, Wasser, Licht und Strömungschemie auf einer einzigen Plattform sowie einen klareren Überblick über die erforderlichen Verbesserungen zur Heranführung der solaren Brennstofferzeugung an die industrielle Praxis.
