Ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf basiert auf der steten Umsetzung von Kohlendioxid mit Energie –  idealerweise aus regenerativen Quellen. So lässt sich aus regenerativ erzeugtem Strom beispielswiese Wasserstoff herstellen, welcher unter Nutzung von Kohlendioxid zu speicherbaren Stoffen wie Methanol umgewandelt werden kann. Der nach dem Prinzip »Power-to-Liquid« hergestellte flüssige und somit transportable Speicherstoff Methanol besitzt eine hohe Energiedichte und erlaubt eine unbegrenzte Lagerung ohne Verluste. Außerdem ist dieser wertvolle Energieträger auch eine wichtige Basischemikalie für weiterführende Synthesen, beispielsweise für Kunststoffe.

Derzeit ist bei der Synthese von Methanol aus Wasserstoff und Kohlendioxid die notwendige Abtrennung des Wassers noch ein separater Schritt. Die dabei zum Einsatz kommenden thermischen Verfahren sind energieaufwändig und reduzieren den Wirkungsgrad. Mit einem so genannten Membranreaktor ist es nun erstmals gelungen, die chemische Reaktion mit der Stofftrennung in einem Apparat zu koppeln. Das Konzept wurde vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS und der MUW-SCREENTEC GmbH unter Förderung der Thüringer Aufbaubank entwickelt und in Hardware demonstriert. Durch die membranunterstützte Abtrennung des Wassers aus dem Reaktionsraum wird die Lage des chemischen Gleichgewichts während der Synthese gezielt zugunsten des Methanols verschoben. Auf Basis dieser Ergebnisse lassen Simulationsrechnungen eine deutliche Steigerung der Methanolausbeute auf 60 % in Membranreaktoren statt bisher 20 % in konventionellen Reaktoren erwarten, wenn man auf industrielle Anlagen hochskaliert. Der experimentelle Nachweis der genauen Steigerung der Ausbeute wird derzeit von den Projektpartnern erbracht. Die für die Reaktoren notwendigen Membranen wurden ebenfalls am Fraunhofer IKTS entwickelt. Sie müssen neben den wasserabtrennenden Eigenschaften auch unter den anspruchsvollen Prozessbedingungen mechanisch, chemisch und thermisch stabil sein. Für die Methanolsynthese erwiesen sich bislang wasserselektive Kohlenstoffmembranen als besonders effektiv.

Die umgekehrte Reaktion der Methanolsynthese – das Methanol-Reforming – lässt sich ebenfalls äußerst effizient im neuen Membranreaktor realisieren. Hierbei dient das Methanol als gut handhabbarer flüssiger Wasserstoffspeicher. Das entstehende Kohlendioxid wird im Membranreaktor abgetrennt und steht somit wieder als Ausgangsstoff für einen geschlossenen Kohlenstoffkreislauf zur Verfügung. Nutzbar sind solche geschlossenen Konzepte beispielsweise zur Versorgung von Schiffen mit dem Treibstoff Wasserstoff, welcher aus gut transportablem Methanol und Wasser gewonnen wird.
Mit den neu entwickelten Membranreaktoren kann unter modifizierten Prozessbedingungen und mit anderen Katalysatoren aus Kohlendioxid und Wasserstoff auch synthetisches Methan hergestellt werden, welches sich im Erdgasnetz unbegrenzt speichern lässt. Darüber hinaus können alternative Treibstoffe wie Dimethylether oder die wichtige Basischemikalie Formaldehyd synthetisiert und damit die »Power-to-Chemicals-Strategie« umgesetzt werden.

Um eine weitere Effizienzsteigerung der Syntheseprozesse zu erzielen, fokussieren zukünftige Forschungsarbeiten nun auf einer gezielten Verbesserung der Katalysatoreigenschaften. Daher werden am Fraunhofer IKTS Katalysatoren entwickelt, die sich künftig direkt – und nicht wie bislang als Schüttung – auf die Membran applizieren lassen. »Das Fraunhofer IKTS verfügt sowohl über die gesamte Prozesskette zur Herstellung stabiler und selektiver Membranen als auch über umfangreiche Kompetenzen zur Katalysator- und Prozessentwicklung – ein weltweit einmaliger Wettbewerbsvorteil«, sagt Dr. Norman Reger-Wagner, Gruppenleiter am Thüringer Standort.

Perspektivisch sind durch die kontinuierliche Verbesserung der Membranen und des Verfahrens – beispielsweise durch eine selektive, membrangestützte Eindosierung von Wasserstoff in den Reaktionsraum – weitere deutliche Effizienzsteigerungen zu erwarten.

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