Verwertung von CO2 als Kohlenstoff-Baustein unter Verwendung überwiegend regenerativer Energie

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© Urheberrecht: Lehrstuhl fuer Technische Thermodynamik der RWTH Aachen

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Kai Leonhard

Gruppenleitung Modellierung und Design molekularer Systeme

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Im Rahmen des Projekts CO2RRECT wird die stoffliche Umwandlung von Kohlenstoffdioxid (CO2) in Rohstoffe für die chemische Industrie unter Einsatz von überwiegend regenerativer Energie untersucht. Das aus Kohlekraftwerken abgeschiedene CO2 soll auf diese Weise nachhaltig in Kunststoffen gebunden werden. Da das CO2 dabei hauptsächlich Methan als Ausgangsstoff für die Kunststoffherstellung ersetzt, kann somit gleichzeitig der Bedarf an fossilen Primärenergieträgern reduziert werden.

Für die Produktion von Isocyanaten (z. B. MDI), einem Edukt der Polyadditions-Reaktion zur Herstellung von Polyurethan, werden unter anderem Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffmonoxid (CO) benötigt. In CO2RRECT werden die folgenden drei Prozesse zur Bereitstellung dieser beiden Rohstoffe untersucht:

Reverse Water-Gas-Shift CO2 + H2 --> CO + H2O
Dry Reforming CO2 + CH4 --> 2CO + 2H2
CO2 Hydrierung CO2 + H2 --> HCOOH

Wie die Reaktionsgleichungen zeigen wird allen Prozessen CO2 als Edukt zugeführt. Zur chemischen Aktivierung des thermodynamisch sehr stabilen CO2 wird hauptsächlich H2 eingesetzt, der durch eine Elektrolyse bereitgestellt wird. Ein Teil des dabei erzeugten H2 wird außerdem direkt für die Herstellung der Isocyanate benötigt. Durch den Einsatz der Elektrolyse kann der Wasserstoff überwiegend aus regenerativen Energiequellen erzeugt werden. Da diese regenerative Energie hauptsächlich aus fluktuierenden Energieträgern (z. B. Wind) besteht, ist es notwendig die Elektrolyse auch in Teillast zu fahren. Die chemische Produktion ist jedoch für ein konstantes Energieangebot optimiert, deshalb ist die Speicherung der zugeführten Energie in Form von H2 notwendig. Aufgabe von CO2RRECT ist damit auch die Identifikation eines geeigneten Wasserstoffspeichers.

Ziel der Arbeiten an der RWTH Aachen (LTT) ist die Auswahl geeigneter Lösungsmittel für die Ameisensäuresynthese, zur Realisierung des in der Abb. dargestellten zweiphasigen Reaktors. In diesem Herstellungsverfahren stellt d ie Auswahl der Lösungsmittel neben dem Katalysator einen zentralen Erfolgsfaktor dar, der einen dramatischen Einfluss auf die Effizienz haben kann. Daher soll ein systematisches „Screening“ nach geeigneten Lösungsmitteln für die Reaktionsdurchführung und für die Produktabtrennung durchgeführt werden. Diese „Screenings“ sollen mit dem prädiktiven thermodynamischen Modell COSMO-RS durchgeführt werden und dazugehörige Prozesssimulationen sowie weitere benötige Werkzeuge erstellt werden.