Grünes Methanol für die Kreislaufwirtschaft: Forscher entwickeln neuen Katalysator

Forscher wollen den Rohstoff Methanol mithilfe erneuerbarer Energien am Feldrand oder auf dem Bauernhof herstellen. Um die Rohstoffe für den grünen Methanolprozess herzustellen, wären neben Wind oder Sonne auch Wasser und CO2 nötig: Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2), die katalytisch zu Methanol reagieren.

Möglich macht dies ein neuer, in Rostock entwickelter Katalysator. Ein darauf basierendes Verfahren verzichtet vollständig auf fossile Rohstoffe. Und es ist äußerst selektiv und erzeugt praktisch keine Nebenprodukte.

Der Katalysator basiert auf Mangan, wie Gordon Neitzel vom Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) erklärt: „Das Metallatom bildet das katalytische Zentrum. Es wird durch eine Art Gerüst, den sogenannten Liganden, fixiert und geschützt.“

Im Rahmen seiner Promotion optimierte Gordon Neitzel die Molekülstruktur dieses Liganden und gab dem Katalysatorkomplex sozusagen den letzten Schliff. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht ChemCatChem.

Klimaneutrales Management mit E4MeWi

Die Arbeit ist Teil des Forschungsnetzwerks E4MeWi. Die Abkürzung steht für „Energie-Effiziente Erneuerbare Energien basierte Methanol-Wirtschaft“. Projektpartner sind die CreativeQuantum GmbH in Berlin, die Ineratec GmbH in Karlsruhe, die Ruhr-Universität Bochum und der Chemiepark Bitterfeld-Wolfen.

„Eine klimaneutrale Wirtschaft, wie sie die Bundesrepublik Deutschland bis 2045 anstrebt, braucht auch Grundchemikalien“, sagte Gordon Neitzel.

Methanol wird beispielsweise für Kunststoffe und Harze benötigt, die von der Möbel- bis zur Automobilindustrie überall eingesetzt werden. Die Methanolproduktion, derzeit weltweit 110 Millionen Tonnen pro Jahr, erfolgt traditionell mit Erdgas – je nach Verfahren bei hohen Drücken von etwa 50 bis 100 bar und Temperaturen zwischen 200 und 300 °C. Mit jeder Tonne Methanol stoßen die riesigen Anlagen eineinhalb Tonnen Kohlendioxid aus. Das hat keine Zukunft.

Reduzierte Druck- und Temperaturanforderungen

Ziel des E4MeWi-Projekts ist es, eine Alternative zum herkömmlichen Verfahren bereitzustellen. Sein Kernelement ist der Katalysator, der H2 und CO in gelöstem Zustand zu Methanol reagieren lässt. Das Kohlenmonoxid wird zunächst aus CO2 gewonnen.

Der hierfür verwendete Mangankatalysator wurde ursprünglich am LIKAT in der Forschungsgruppe von Dr. Kathrin Junge und Prof. Dr. Matthias Beller entwickelt. Es ermöglicht ein völlig neues Verfahren, das den für die Methanolproduktion erforderlichen Druck und die Temperatur halbiert.

Darüber hinaus kommt das Verfahren ohne fossile Rohstoffe aus, was den Katalysator zu einem Schlüsselelement einer künftigen CO2- und klimaneutralen Kreislaufwirtschaft macht. Zumal sich Methanol, grün hergestellt, auch gut als chemischer Speicher für Wasserstoff eignet, eine der Hoffnungen der Energiewende.

Methanolanlagen in Containergröße

Die E4MeWi-Projektteilnehmer stellen sich eine Anlage in Containergröße vor, die lokale Ressourcen für eine nachhaltige Wertschöpfung quasi am Feldrand, auf dem Bauernhof oder auf dem Hof ​​nutzt: Wind- und Solarenergie, CO2-Emissionen aus Punktquellen und aus Biogas, Plastikmüll oder Holzabfälle. Aus CO2 und Wasser entsteht zunächst Synthesegas, ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, das mithilfe des neuen Katalysators in Methanol umgewandelt wird.

Gordon Neitzel hat den bekannten Mangan-Katalysator deutlich optimiert, indem er neue Strukturen für den Liganden entwickelt hat, der das katalytisch aktive Zentrum schützend umgibt. „Ohne diese Hülle würde Kohlenmonoxid das Manganatom im Zentrum des Katalysators angreifen und die komplexe Verbindung zerstören.“ Diese Arbeit hat nun die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Methanolproduktion verdoppelt.

Damit kommen die Projektpartner einer wirtschaftlichen Anlage ein gutes Stück näher. Denn auch das gehört zum Ziel einer solchen dezentralen Produktion: einen völlig neuen Markt für den Methanolhandel zu etablieren und damit wirtschaftliche Transformationsprozesse voranzutreiben.