LIKAT in Deutschland produziert erstmals zehn Kilogramm CO₂-basierten Katalysator für Kraftstoff in Pilotanlage

de.wedoany.com-Bericht: Chemikern am LIKAT-Technikum in Rostock ist es erstmals gelungen, einen neuartigen Fischer-Tropsch-Katalysator im Versuchsmaßstab herzustellen. Die ersten zehn Kilogramm des Produkts wurden an Forschungspartner in Hamburg und Wien geliefert. Der Katalysator wurde in einer früheren Kooperation des LIKAT entwickelt, dient der CO₂-neutralen Kraftstoffproduktion in Wien und soll seine praktische Eignung in großtechnischen Anlagen unter Beweis stellen. Er ist das Kernmaterial der modernen Fischer-Tropsch-Synthese (FTS). Anders als das vor hundert Jahren von zwei deutschen Chemikern entwickelte konventionelle Verfahren verflüssigt die neue FTS nicht Kohle und Erdgas, sondern nutzt das Treibhausgas CO₂ als Rohstoff.

Die neue Version dieses Fischer-Tropsch-Katalysators wurde vom Leibniz-Institut für Katalyse entwickelt. Das Verfahren wandelt CO₂ zusammen mit nachhaltig erzeugtem Wasserstoff (H₂) in synthetische Kraftstoffe um. Diese Kraftstoffe können herkömmliche Verbrennungsmotoren antreiben und enthalten keine Schwefel- oder Stickstoffverbindungen wie Benzin oder Diesel. Dr. Christoph Wulf, Leiter der Arbeitsgruppe am LIKAT-Transfer-Technikum, erklärte, dass die Forschung auf eine nachhaltige und CO₂-neutrale Mobilität abziele, was auch ein Schwerpunkt der nationalen Hightech-Agenda sei.

Wie beim konventionellen Verfahren läuft auch die moderne Methode in Blasensäulenreaktoren ab, allerdings unter deutlich milderen Reaktionsbedingungen. In langen vertikalen Rohren strömen die beteiligten Stoffe von unten nach oben durch eine zähflüssige Flüssigkeit: auf der einen Seite die gasförmigen Ausgangsstoffe CO₂, H₂ sowie das anschließend gebildete Kohlenmonoxid (CO), auf der anderen Seite flüssige Zwischen- und Endprodukte sowie der Katalysator in Form feiner eisenoxidbasierter Kügelchen.

Der Katalysator wurde im bundesgeförderten Verbundprojekt InnoSyn (Teil der Initiative „Wasserstoffrepublik Deutschland") zusammen mit KI-Modellen für die CO₂-FTS entwickelt und von LIKAT-Chemiker Dr. David Linke betreut. Partner am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben die Machbarkeit des Verfahrens bereits im Gramm-Maßstab in Mehrphasenreaktorsystemen verifiziert. Das Folgeprojekt „Green Fuel and Chemicals" soll die industrielle Anwendung des Verfahrens vorantreiben, einschließlich einer Demonstration im Kilogramm-Maßstab in der Pilotanlage der Bioenergy and Sustainable Technologies GmbH (BEST) in Wien. Bis Anfang 2027 soll dort mehrere Kilogramm CO₂ in nachhaltige Kraftstoffe und Chemikalien umgewandelt werden.

Neue Katalysatoren verlassen das Labor meist nur in Milligramm-Mengen. Die Vergrößerung auf Kilogramm-Maßstab und Lösungsvolumina von bis zu 100 Litern erfordert andere Rezepturen – Chemiker nennen das „Scale-up". Das Ziel der neuen Forschungskooperation ist es, geeignete Methoden zu finden. Diese Aufgabe übernehmen Dr. Christoph Wulf und Dr. Simon Haida am LIKAT-Transfer-Technikum. Nach Angaben der beiden Chemiker geht es dabei auch um die Entwicklung praktikabler Produktionstechniken für den Katalysator. Der Katalysator entsteht durch Fällungsreaktion von Metallsalzen zu einem rostroten Eisenoxid-„Filterkuchen", der nach Sprühtrocknung und Wärmebehandlung nahezu kugelförmige Partikel ergibt. Da die Partikel unterschiedliche Größen aufweisen, müssen sie durch Klassierung nach Größe sortiert werden.

Simon Haida wies darauf hin, dass sich das Verhalten des Katalysators im großen Maßstab nicht direkt vorhersagen lässt. Das Mischen von 100 Millilitern Lösung sei einfach, aber im 50-Liter-Maßstab würden bestimmte Prozessschritte, insbesondere die Abtrennung und Filtration des Rohprodukts von der Reaktionslösung, zur Herausforderung. Daher seien systematische Experimente mit schrittweise erhöhtem Reaktionsvolumen erforderlich. Diese Arbeit erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem ursprünglichen Entwickler des Katalysators, dem LIKAT-Chemiker Dr. Aleksandr Fedorov, der nach jedem Scale-up-Schritt den Katalysator neu einstellt und seine Leistung testet und anschließend die Ausrüstung für den nächsten Schritt plant.

Die Experimente wurden schrittweise von wenigen Millilitern auf den 50-Liter-Maßstab ausgeweitet, der für die Versorgung der Pilotanlage genutzt werden kann. Dabei zeigte sich, dass die Partikelgröße die Katalysatorleistung erheblich beeinflusst. Dr. Wulf erklärte, dass die Eisenoxid-Kügelchen nicht zu groß sein dürfen, damit sie im späteren Blasensäulenreaktor in Suspension bleiben; zu kleine Partikel hingegen neigen zur Agglomeration, verstopfen den Austrittsfilter des Reaktors oder gelangen sogar in das Produkt und verunreinigen es.

Das LIKAT gehört zu den ersten Forschungseinrichtungen in Deutschland, die neue Katalysatoren für die Forschung im Versuchsmaßstab herstellen können. Andere Institute verfügen zwar über Pilotanlagen zum Testen von Katalysatoren, aber es fehlt ihnen an Ausrüstung, um Testsubstanzen im erforderlichen Maßstab zu produzieren. Am LIKAT ist die Technikumsanlage Catalysis2Scale dank Förderprojekten und Forschungskooperationen inzwischen mit umfassender Instrumentierung ausgestattet. Mit den ersten zehn Kilogramm des für die neue Fischer-Tropsch-Synthese produzierten Eisenoxid-Katalysators hoffen Dr. Wulf und Dr. Haida, das Interesse potenzieller Forschungspartner zu wecken.