Forschungsverbund E4MeWi entwickelt nachhaltiges und skalierbares Verfahren zur Methanolherstellung

Berlin/Karlsruhe/Rostock/Bochum/Bitterfeld-Wolfen

24.11.2020

Methanol wird mit mehr als 100 Millionen Tonnen pro Jahr aus fossilem Erdgas hergestellt. Mit Blick auf das Pariser Klimaabkommen sind die damit zusammenhängenden CO2-Emissionen nicht akzeptabel. Diesen Aspekt adressiert das Forschungsvorhaben E4MeWi unter Leitung von CreativeQuantum: Ein interdisziplinäres Team aus Chemikern und Ingenieuren entwickelt in den kommenden drei Jahren eine Chemiefabrik in Containergröße, die hocheffizient Methanol aus Wasser, Kohlendioxid und Erneuerbaren Energien produziert. Damit können in einigen Jahren auch kleine und mittelständische Unternehmen, sowie regionale Versorger dezentral und umweltfreundlich Methanol herstellen. Der Forschungsverbund E4MeWi besteht aus den Startups CreativeQuantum und INERATEC, sowie dem Leibniz-Institut für Katalyse und der Ruhr-Universität Bochum und dem Chemiepark Bitterfeld-Wolfen. Das Projekt wird seit dem 1.11.2020 und für drei Jahre mit insgesamt 2,0 Millionen Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

E4MeWi steht für Energie-Effiziente Erneuerbare-Energien basierte Methanol-Wirtschaft. Die geplante Chemiefabrik in Containergröße soll zeigen, dass Methanol um Größenordnungen schneller und energieeffizienter aus nachhaltigen Quellen hergestellt werden kann als bisher. Ein weiteres Ziel der Projektpartner ist es, die Technologie so zu gestalten, dass Methanol zu wettbewerbsfähigen Preisen an Orten hergestellt werden kann, wo günstiger Strom auf lokale CO2-Emissionen trifft. So könnten in der Vision der E4MeWi-Partner Windkraft- und Müllverbrennungsanlagen oder Solarenergie- und Biogasanlagen für eine neue Wertschöpfung zusammengeführt werden, die in eine nachhaltige Rohstoffquelle für die Chemische Industrie mündet. Der Mobilitätssektor ist ein weiterer Zielmarkt für grünes Methanol, das als Treibstoffzusatz eingesetzt oder für Brennstoffzellen verwendet werden kann. Dr. Marek Checinski, Geschäftsführer und Mitgründer von CreativeQuantum aus Berlin, ist einer der Erfinder der in dem Projekt umgesetzten Verfahrensinnovationen. Sein Unternehmen berechnet in Computern chemische und physikalische Eigenschaften von Substanzen und Materialien und klärt chemische Reaktionen und Prozesse im Detail auf. Aus seinen Erfahrungen sind „Chemiker oft skeptisch und zweifeln daran, dass man mit Hilfe von Computern und modernen Algorithmen in der Lage ist, vollkommen neue Verfahren von 0 an zu evaluieren und zu optimieren. Methanol ist eine der bedeutendsten Chemikalien, an der wir das einmal demonstrieren wollten.“ Er hat dabei den neuen Capture-and-Hydrogenation-Ansatz (CHA) entwickelt. CreativeQuantum wird dieses Verfahren nun weiter im virtuellen Raum verbessern. Dabei kommen moderne Methoden, wie Genetische Algorithmen und Maschinelles Lernen zum Einsatz. Das Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock (LIKAT) gehört zu den europaweit führenden Forschungseinrichtungen bei der Entwicklung von homogenen und heterogenen Katalysatoren. In Kooperation mit CreativeQuantum entwickelte die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Matthias Beller und Dr. Kathrin Junge im letzten Jahr den ersten Mangan-basierten Katalysator zur Produktion von Methanol aus Synthesegas. Die Symbiose von gezielten Simulationen und systematischen Laborexperimenten führte dazu, dass beide Partner es in nur vier Monaten von der Idee zur Patentanmeldung schafften. „Die Anforderungen an die am LIKAT entwickelten Katalysatoren sind nicht nur außerordentliche Selektivität und Aktivität, die für die Wirtschaftlichkeit entscheidend sind. Ganz wesentlich für eine Überführung in den industriellen Maßstab ist auch die Nachhaltigkeit des entsprechenden katalytischen Prozesses. Deswegen setzen wir einen besonderen Fokus auf die Entwicklung edelmetallfreier Homogen-Katalysatoren“, erklärt Matthias Beller. Unter Leitung von Dr. Ralf Jackstell am LIKAT wird in dem Projekt jetzt die Entwicklung hocheffektiver homogener Katalysatoren zur Umwandlung von Methanol aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid sowie die erstmalige Demonstration technischer Anwendbarkeit mit der damit verbundenen Skalierung der Anlagentechnik vorangetrieben. INERATEC wird neben der Evaluation neuer Mikroreaktortechnologien auch Container-Anlagen für das Projekt entwickeln und bauen. Die Demonstrationsanlage wird dabei helfen, herauszufinden, ob die Laborergebnisse auch in einer deutlich größeren Anlage auf dem Feld reproduziert werden können. Tim Böltken ist Geschäftsführer und Mitgründer von INERATEC. „Lokal produziertes Methanol aus nicht-fossilen Rohstoffen, also Erneuerbarer Energie und CO2, ist ein zwingend wichtiger Schritt in Richtung Nachhaltigkeit für die chemische Industrie. Unsere Technologieplattform hilft dabei, den Time-to-Market zu verkürzen.“ Prof. Dr. Ulf-Peter Apfel von der Ruhr-Universität Bochum ist ein ausgewiesener Fachmann in der Elektrokatalyse. Seine Arbeitsgruppe übernimmt im E4MeWi-Projekt die Katalysator- und Reaktorentwicklung für die elektrochemische Reduktion von CO2 hin zu Synthesegas. Hierbei greift das Team ebenfalls auf begleitende Simulationen von CreativeQuantum für das Katalysatorscreening zurück. Prof. Apfel ist davon überzeugt: „Nur im Zusammenspiel mit der geeigneten Prozesstechnik kann ein Katalysator sein Potential entfalten. Mit den Berechnungen wird es uns deutlich schneller möglich sein, geeignete und optimierte Katalysatoren zu finden und in die neuen Reaktoren einzubauen.“ Der Chemiepark Bitterfeld-Wolfen ist der größte offene Chemiestandort in Europa und die Wiege der industriellen Elektrochemie mit mehr als 125 Jahren Erfahrung in der Wasserstoffinfrastruktur. Die Standortbetreibergesellschaft unterstützt das E4MeWi-Projekt und führt damit sein Engagement in Projekten für eine nachhaltige Chemie und industrielle Kreislaufwirtschaft wie z.B. die Produktion von grünen C1 building blocks, fort. Weitere Informationen zum Projekt sowie Fotomaterial sind auf der Internetseite https://www.e4mewi.de/ dargestellt. Über den Twitter-Account twitter.com/E4MeWi werden aktuelle Nachrichten veröffentlicht.

CreativeQuantum, Dr. Alexander Janz, Mail: kontakt@e4mewi.de, Tel.: +49 (0)30 9599 911 88; LIKAT, Dr. Ralf Jackstell, Mail: ralf.jackstell@catalysis.de, Tel.: +49 (0)381 1281 128; INERATEC, Isabel Fisch, Mail: isabel.fisch@ineratec.de, Tel.: +49 (0)721 8648 4460; RUB, Prof. Ulf-Peter Apfel, Mail: ulf.apfel@rub.de, Tel.: +49 (0)234 3221 831; Chemiepark Bitterfeld-Wolfen, Max Fuhr, Mail: max.fuhr@chemiepark.de, Tel.: +49 (0)3493 720 18;

Ziele erreicht: Forschungsverbund E4MeWi erprobt nachhaltige und skalierbare Verfahren zur Methanolherstellung

Berlin/Karlsruhe/Rostock/Bochum/Bitterfeld-Wolfen

28.02.2024

Der Forschungsverbund E4MeWi demonstriert aktuell in einer Container-Anlage im Chemiepark Bitterfeld-Wolfen, wie effektiv grünes Methanol in Zukunft hergestellt werden kann. Methanol gilt als Schlüssel(technologie), um die Schiff- und Luftfahrt zu defossilisieren und auch die chemische Industrie aus der Abhängigkeit von Erdöl zu befreien. In dem Projekt werden zwei unterschiedliche zukunftsträchtige Verfahrensansätze in einer Container-Anlage verglichen: INERATEC startet mit der etablierten heterogen-katalysierten Direktsynthese von e-Methanol aus grünem Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2). CreativeQuantum und das Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) setzen ein vergleichsweise neues, homogen-katalysiertes Verfahren ein. Dafür benötigtes Synthesegas soll aus einer neuartigen Co-Elektrolyse stammen, welche die Ruhr- Universität Bochum entwickelt hat. Das homogen-katalysierte Verfahren arbeitet, bei deutlich geringeren Temperaturen und Drücken. Das Projekt wird seit dem 01.11.2020 mit insgesamt etwa zwei Millionen Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

Ziel des Projektes ist es, die zwei Verfahren zur Herstellung von e-Methanol in einem Container in industrieller Umgebung im Chemiepark Bitterfeld-Wolfen zu testen und deren Leistungsfähigkeit zu demonstrieren. Aufgrund der Nutzung erneuerbarer Quellen für grünen Wasserstoff sind diese Lastflexibilität und Rohstoffeffizienz entscheidend. Das homogen-katalysierte Verfahren verfolgt einen vollkommen neuen Ansatz. „Durch die am Computer begonnene Entwicklung von den hochspezialisierten homogenen Katalysatoren konnten wir bei signifikanten Produktionsraten und hohen Selektivitäten die Reaktionstemperatur von 260°C auf 130 °C zu senken. Ebenfalls ließ sich auch der erforderliche Druck von 80 bar deutlich mehr als halbieren. Darüber hinaus entsteht nicht wie beim konventionellen Prozess 15 % Wasser als Nebenprodukt, wodurch eine energieintensive Abtrennung entfällt.“, sagt der Geschäftsführer der CreativeQuantum GmbH und Initiator des Konsortiums Dr. Marek Checinski. Die nächste große Aufgabe besteht nun darin, durch größere Anlagen und größere Katalysatormengen, die Produktionskosten zu senken. Nachdem der Grundstein für die Technologie 2017 gelegt, das neue Verfahren 2018 zum Patent angemeldet, fokussierte sich die Zusammenarbeit im Rahmen des Forschungsprojekts von CreativeQuantum und LIKAT, mit dem Team um Dr. Ralf Jackstell, auf die Verbesserung des katalytischen Systems und der Prozessbedingungen. Zusätzlich wurde der Prozess weiter skaliert. Durch den intensiven Austausch aus Quantenmechanischen Simulationen und Experimenten konnte dieser iterative Prozess deutlich beschleunigt werden. „Gemäß Leibniz ́ Leitspruch „Theoria cum Praxi“ haben wir den Prozess von der Entwicklung der Katalysatorsynthese im Labormaßstab über die Lösungsmitteloptimierung bis zum Upscaling begleitet“, sagt Dr. Ralf Jackstell, Themengruppenleiter für „Angewandte Carbonylierungen“ am Leibniz-Institut für Katalyse. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Ulf-Peter Apfel von der Ruhr-Universität Bochum hat sich zusammen mit CreativeQuantum mit der Frage beschäftigt: Wie lässt sich grünes Synthesegas gewinnen? Dazu braucht es grünen Strom, Wasser und Kohlenstoffdioxid. Durch systematische virtuelle Screenings und ausgewählte Experimente im Labor konnte das Team neue Materialien für die Katalyse finden, die mittels Co-Elektrolyse CO2 und Wasser gleichzeitig verarbeiten. Hierbei wurde der Prozess von einzelnen Atomen bis zu komplexen Oberflächenzusammensetzungen untersucht. Das Team von Prof. Apfel trieb darüber hinaus die Reaktorentwicklung bis hin zu einer ersten leistungsfähigen Zelle voran. „Durch die enge Zusammenarbeit mit CreativeQuantum war es uns schnell möglich, neue, robuste Katalysatorsysteme zu entwickeln und die Reaktionsbedingungen zu ermitteln, mit denen wir nun CO2 zu Synthesegas selektiv umwandeln können“, sagt Prof. Ulf-Peter Apfel. Das heterogen-katalysierte Verfahren in diesem Projekt steuerte die Firma INERATEC bei. INERATECs Herausforderung war dabei, die Festkörper-katalysierte Methanolherstellung mittels der Direkthydrierung von CO2 in diese Versuchsanlage herunterzuskalieren. In diesem Verfahren werden CO2 und grüner Wasserstoff in einem weiteren Schritt in das Zielprodukt Methanol umgewandelt. Der Geschäftsführer Dr.-Ing. Tim Böltken sagt dazu: „Neben e-Fuels betrachten wir synthetisches Methanol als unverzichtbaren Baustein für eine nachhaltige Zukunft, in der wir fossile Rohstoffe nicht mehr benötigen. Die erfolgreiche Produktion von nachhaltigem Methanol in diesem Versuchsmaßstab ist ein entscheidender Schritt auf unserem Weg. Er legt ein solides Fundament für die Skalierung unserer wegweisenden Technologie. In Übereinstimmung mit der Thermodynamik wurde die nächste Skalierungsstufe der Reaktortechnologie nachgewiesen und legt damit ein solides Fundament für die globale Skalierung unserer Methanol-Technologie.“ Nach erfolgtem Testbetrieb sollen die jeweiligen Vorteile beider Verfahren bezüglich potenzieller Produktionskosten von grünem Methanol dargestellt werden. Dank der tatkräftigen Unterstützung von lokalen Partnern wie Miltitz Aromatics und dem Chemiepark Bitterfeld-Wolfen konnte in kurzer Zeit eine Verbundanlage im Chemiepark aufgebaut und erfolgreich betrieben werden. Ausgelegt und errichtet wurde die Verbundanlage von INERATEC unter Zuarbeit der Projektpartner. Ebenfalls unterstützt wurde das Projekt durch den wirtschaftlichen Beirat von Vertretern der Firmen Linde, ThyssenKrupp und Clariant. E4MeWi steht für Energie-Effiziente Erneuerbare-Energien basierte Methanol-Wirtschaft. Gerade in der Schifffahrtindustrie kann man gegenwärtig den Wandel hin zu einer E4 MeWi gut beobachten. So investieren bereits große Reedereien massiv in nachhaltige Methanol-Mobilität. Die Projektpartner entwickeln die E4MeWi-Technologie weiter, um sie möglichst schnell marktreif zu bekommen. E4MeWi steht für Energie-Effiziente Erneuerbare-Energien basierte Methanol-Wirtschaft. Gerade in der Schifffahrtindustrie kann man gegenwärtig den Wandel hin zu einer E4 MeWi gut beobachten. So investieren bereits große Reedereien massiv in nachhaltige Methanol-Mobilität. Die Projektpartner entwickeln die E4MeWi-Technologie weiter, um sie möglichst schnell marktreif zu bekommen. Kontakt: Weitere Informationen zum Projekt sowie Fotomaterial sind auf der Internetseite https://www.e4mewi.de dargestellt.

CreativeQuantum, Dr. Alexander Janz, Mail: kontakt@e4mewi.de, Tel.: +49 (0)30 9599 911 88; LIKAT, Dr. Ralf Jackstell, Mail: ralf.jackstell@catalysis.de, Tel.: +49 (0)381 1281 128; INERATEC, Isabel Fisch, Mail: isabel.fisch@ineratec.de, Tel.: +49 (0)721 8648 4460; RUB, Prof. Ulf-Peter Apfel, Mail: ulf.apfel@rub.de, Tel.: +49 (0)234 3221 831; Chemiepark Bitterfeld-Wolfen, Max Fuhr, Mail: max.fuhr@chemiepark.de, Tel.: +49 (0)3493 720 18;