1 Oktober 2018

Synthetische Kraftstoffe: 3D-Druck soll Effizienz steigern und Kosten senken

Die Co-Elektrolyse ist ein neuer, sehr effizienter Weg, um aus CO2 und Wasser synthetische Kraftstoffe und Chemikalien herzustellen

Dieselautos und Benziner, aber auch LKWs, Flugzeuge und Schiffe könnten mit solchen Kraftstoffen praktisch klimaneutral fahren. Zudem bieten sie sich als Energiespeicher an, um Schwankungen von Wind- und Sonnenenergie auszugleichen. Im Projekt PROMETHEUS wollen Jülicher Forscher gemeinsam mit der WZR ceramic solutions GmbH sowie der griechischen Aristoteles-Universität Thessaloniki und dem Mineralölunternehmen Hellenic Petroleum nun mittels 3D-Druck einen Membranreaktor für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe mit extradünnen Zellen entwickeln. Dieser soll deutlich effizienter und kostengünstiger sein als bisherige Anlagen, die sich größtenteils noch in einem experimentellen Stadium befinden.

Prof. Wilhelm Albert Meulenberg (links) und Dr. Falk Schulze-Küppers (rechts) mit Gastrennmembran Copyright: Forschungszentrum Jülich / T. Schlößer

Prof. Wilhelm Albert Meulenberg (links) und Dr. Falk Schulze-Küppers (rechts) mit Gastrennmembran
Copyright: Forschungszentrum Jülich / T. Schlößer

Synthetische Kraftstoffe sind eine mögliche Lösung, um Verbrennungskraftwerke und –motoren oder industrielle Anlagen klimaschonend zu betreiben. Zumindest dann, wenn die dafür benötigte Energie aus regenerativen Quellen stammt. Werden sie verbrannt, setzen sie nur das CO2 frei, das bei der Herstellung der Stoffe gebunden wurde. Synthetische Kraftstoffe sind „von Natur aus rein“ und verbrennen nahezu schadstofffrei. Stickoxide oder Feinstaub werden so erst gar nicht in größeren Mengen freigesetzt. Weil sie sich gut transportieren und lagern lassen, sind sie darüber hinaus als Speicher für die Energiewende geeignet. Ins Gasnetz eingespeist, könnten sie bei Bedarf in Gaskraftwerken rückverstromt werden, wenn Sonne und Wind allein nicht genügend Energie liefern.

Die Preise für synthetische Kraftstoffe sind im Vergleich zu fossilen Rohstoffen allerdings noch recht hoch und stehen der Produktion größerer Mengen entgegen. Das noch recht neue Verfahren der Co-Elektrolyse stellt eine vielversprechende Möglichkeit dar, die Kosten für die Herstellung zu senken. Die Methode gilt als sehr effizient, steckt aber noch in den Kinderschuhen.

Prof. Wilhelm Albert Meulenberg (links) und Dr. Falk Schulze-Küppers (rechts) mit Gastrennmembran Copyright: Forschungszentrum Jülich / T. Schlößer

Prof. Wilhelm Albert Meulenberg (links) und Dr. Falk Schulze-Küppers (rechts) mit Gastrennmembran
Copyright: Forschungszentrum Jülich / T. Schlößer

Die neue Technik macht es möglich, synthetische Chemikalien und Kraftstoffe direkt in einem Schritt herzustellen. Gängige Verfahren setzen dagegen mehrere Prozessschritte voraus. Im Projekt PROMETHEUS verfolgen Jülicher Forscher die Entwicklung eines Membranreaktors für die Co-Elektrolyse, in dem mehrere chemische Reaktionen möglich sind. Kernelement ist eine keramische Membran, die für Wasserstoff- und Sauerstoffionen durchlässig ist. An ihren Oberflächen befinden sich Katalysator-Schichten, die den Ablauf der gewünschten Umwandlungsreaktionen vorantreiben.

3D-Druck für maßgeschneidertes Design

„Die Effizienz des Verfahrens hängt von mehreren Faktoren wie Membrandicke, Oberflächenaktivität und Porosität des Trägermaterials ab, die es im Projekt zu optimieren gilt“, erklärt Projektleiter Prof. Wilhelm Meulenberg vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1). Um den Durchfluss zu steigern, haben die Forscher die Membran als hauchdünne Schicht ausgelegt. Mit 10 – 50 Mikrometer ist sie gerade einmal so dick wie ein menschliches Haar. Denn je geringer die Materialstärke, desto geringer ist auch der Transportwiderstand und desto mehr Wasserstoff kann die Membran in gleicher Zeit passieren.

Dünnschichtmembran aus Keramik zur Trennung von Gasen auf einem nicht optimierten, porösen Träger Copyright: Forschungszentrum Jülich

Dünnschichtmembran aus Keramik zur Trennung von Gasen auf einem nicht optimierten, porösen Träger
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Um die notwendige mechanische Stabilität zu erzielen, wird die Membranschicht auf ein wesentlich dickeres poröses Trägermaterial aufgebracht. Der Einsatz von 3D-Keramik-Druckverfahren, auf die sich die am Projekt beteiligte WZR ceramic solutions GmbH spezialisiert hat, bietet dabei gleich mehrere Vorteile. „Zum einen ermöglichen es die Verfahren, einen Träger mit maßgeschneiderter Porenstruktur herzustellen, der für den Gastransport optimierte Porenkanäle enthält. Zum anderen trägt der 3D-Druck aber auch dazu bei, die späteren Herstellungskosten für die Membranzellen gegenüber mehrstufigen Gieß- und Sinterprozessen deutlich zu reduzieren“, sagt Wilhelm Meulenberg.

Die WZR ceramic solutions GmbH entwickelt unterschiedliche Verfahren der Additiven Fertigung (3D-Druck) für industrielle Anwendungen. „Neben der geometrischen Freiheit der neuen Verfahren, eröffnet auch die Möglichkeit Werkstoffe auf mikroskopischer Ebene lokal zu verändern bzw. zu kombinieren ganz neue Produkte. Mit keinem anderen Prozess gelingt es das Gefüge keramischer Werkstoffe lokal zu modifizieren und den Anforderungen an ein Bauteil exakt anzupassen. Dieses Potential wollen wir nun für die Fertigung von optimierten Trägern nutzen,“ ergänzt Wolfgang Kollenberg (CEO, WZR ceramic solutions GmbH).

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung anteilig mit rund 350.000 Euro im Rahmen des Deutsch-Griechischen Forschungs- und Innovationsprogramms über eine Laufzeit von drei Jahren gefördert. Wenn alles gut läuft, wollen die Forscher zum Ende des Projektes ein funktionsfähiges Konzept für einen Low-Cost-Membranreaktor präsentieren, mit dem sich Methan (CH4), Methanol (CH3OH) und Synthesegas (CO+H2) herstellen lassen. Ein möglicher End-Anwender der Technologie ist bereits involviert: das griechische Mineralölunternehmen Hellenic Petroleum (HELPE) mit seiner Erneuerbare-Energien-Sparte HELPE RES, das für das Projekt eine Machbarkeits- und Umsetzungsstudie erstellt.

So funktioniert der Membranreaktor

Auf der Anodenseite der Membran wird mithilfe eines elektrischen Stromes Wasser aufgespalten. Der freigesetzte Wasserstoff wird auf die andere Seite, zur Kathode, gepumpt, wo er mit zugeführtem Kohlendioxid reagiert. Dort lässt sich über die Wahl des Katalysatormaterials und weiterer Prozessparametern wie Temperatur und Stoffkonzentration die Entstehung verschiedener Chemikalien und Kraftstoffe steuern. Copyright: Forschungszentrum Jülich

Auf der Anodenseite der Membran wird mithilfe eines elektrischen Stromes Wasser aufgespalten. Der freigesetzte Wasserstoff wird auf die andere Seite, zur Kathode, gepumpt, wo er mit zugeführtem Kohlendioxid reagiert. Dort lässt sich über die Wahl des Katalysatormaterials und weiterer Prozessparametern wie Temperatur und Stoffkonzentration die Entstehung verschiedener Chemikalien und Kraftstoffe steuern.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Source: Forschungszentrum Jülich,  Pressemitteilung, 2018-09-25.

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