Come possiamo raggiungere gli obiettivi climatici concordati a livello internazionale? L'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB rende il gas serra CO ₂ utilizzabile come fonte di carbonio per l'industria chimica. Con una sintesi catalitica brevettata, screening per il catalizzatore ottimale nei processi ad alto rendimento e combinati (elettro)chimico-biotecnologici, vari concetti sono disponibili per CO ₂ industrie emittenti. La piattaforma chimica etilene è già stata prodotta con successo da CO ₂ in un dimostratore elettrochimico con un'area dell'elettrodo di 130 centimetri quadrati.

È necessaria un'azione rapida per limitare l'aumento del riscaldamento globale ben al di sotto dei 2°C, come concordato nella Convenzione quadro di Parigi sui cambiamenti climatici. Per il settore industriale, l'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB ha sviluppato diverse nuove soluzioni tecnologiche per l'utilizzo del gas serra biossido di carbonio (CO ₂ ), che si genera durante i processi di combustione, come materia prima per la produzione di prodotti chimici, combustibili o sistemi di accumulo di energia chimica. "Questo riduce la CO . netta ₂ emissioni e conserva anche le risorse fossili, " spiega Gerd Unkelbach, responsabile dell'area commerciale Chimica sostenibile presso Fraunhofer IGB.

I catalizzatori sono attori chiave nella conversione chimica ed elettrochimica della CO ₂ . Accelerano le reazioni, ma non si consumano. Nelle auto, Per esempio, il catalizzatore, " di solito sotto forma di metalli preziosi come platino, rodio o palladio, converte le sostanze tossiche nei gas di scarico.

Fraunhofer IGB non solo ottimizza i convertitori catalitici. "Stiamo anche sviluppando nuovi processi e progettiamo impianti adeguati per convertire la CO ₂ elettrochimicamente - con elettricità da energie rinnovabili - o chimicamente; oppure li combiniamo con processi biotecnologici, "dice Unkelbach.

Sintesi ottimizzata del catalizzatore per la produzione di metanolo rigenerativo

Il rame metallico svolge un ruolo importante come catalizzatore nella sintesi di metanolo rigenerativo da CO ₂ e idrogeno prodotto elettroliticamente. Il metanolo è una materia prima chimica versatile che sta diventando sempre più importante anche per il settore energetico, sia come additivo per carburanti per motori a combustione che come vettore energetico nelle celle a combustibile. Secondo uno studio DECHEMA, fino a 1,5 tonnellate di CO ₂ le emissioni per tonnellata di metanolo potrebbero essere evitate se il metanolo non fosse sintetizzato da materie prime fossili, ma da CO ₂ o altre materie prime rigenerative (A.M. Bazzanella, F. Ausfelder, DECHEMA e.V. Studio tecnologico—Energia a basse emissioni di carbonio e materia prima per l'industria chimica europea, DECHEMA, 2017).

I catalizzatori per la sintesi del metanolo sono prodotti da soluzioni contenenti rame, al giorno d'oggi utilizzando processi di precipitazione complessi in più fasi intermedie. "Per risparmiare energia, tempo e risorse durante la sintesi del catalizzatore su scala industriale, abbiamo ottimizzato il processo per il funzionamento continuo, " spiega il dottor Lénárd Csepei, che ha svolto un ruolo importante nel lavoro presso la filiale BioCat di Straubing e ha depositato una domanda di brevetto per il processo.

Un altro metodo in attesa di brevetto per la sintesi di catalizzatori si basa sulla dissoluzione di composti metallici nei cosiddetti solventi eutettici profondi. Con questi metodi, possono essere prodotti catalizzatori di diverse composizioni elementari e la loro efficienza ottimizzata, non solo per la produzione di metanolo, ma anche per altri processi di sintesi chimica ed elettrochimica.

Alla ricerca del miglior catalizzatore, ad alta produttività

In tutti i processi di sintesi, la prestazione del catalizzatore è di fondamentale importanza che determina se il prodotto desiderato può essere prodotto in modo economico. "Uno dei fattori più importanti è la massima resa possibile del prodotto desiderato. Non vogliamo che vengano prodotti sottoprodotti, " spiega Csepei. Al fine di determinare quale catalizzatore è più adatto per l'implementazione in questione, i ricercatori Fraunhofer selezionano i possibili candidati in vari sistemi di reattori.

"Nel nostro sistema multiuso con quattro tubi del reattore paralleli, possiamo testare i catalizzatori in diverse condizioni di reazione, come diverse miscele di gas di sintesi, pressioni e temperature, ad alto rendimento, " dice Csepei. Le reazioni sono monitorate analiticamente in tempo reale in modo che i prodotti risultanti possano essere direttamente quantificati. I ricercatori hanno progettato e costruito un sistema di reattori per testare i catalizzatori a pressione atmosferica. "Stiamo utilizzando questa apparecchiatura per studiare le successive cascate di reazione, ovvero un'ulteriore conversione con metodi biotecnologici, "dice Csepei.

Da catalizzatore a dimostratore

Basato sui catalizzatori ottimizzati e come esempio per la CO ₂ conversione, nel progetto faro Fraunhofer "Electricity as a Raw Material" IGB ha realizzato un prototipo completamente automatizzato per la produzione elettrochimica di etilene, uno dei materiali di partenza più importanti nell'industria chimica. L'elemento centrale è una cella elettrochimica sviluppata appositamente da IGB. In questa cella, gli elettroni per la riduzione della CO ₂ vengono trasferiti ad un elettrolita acquoso e portati a contatto con il catalizzatore e l'anidride carbonica gassosa in corrispondenza di un elettrodo a diffusione di gas poroso.

"Con questo sistema, produciamo etilene da CO ₂ e acqua in un unico passaggio su una superficie dell'elettrodo di 130 cm ² e con i nostri catalizzatori, " spiega il dottor Carsten Pietzka, che sta facendo ricerche a Stoccarda. "Finora risultati comparabili per questo processo di elettrosintesi sono stati ottenuti solo su scala di laboratorio, con superfici elettrodiche di pochi centimetri quadrati e catalizzatori realizzabili solo su piccola scala, " afferma lo scienziato. Il design del dimostratore può essere trasferito ad altri processi di elettrosintesi e consente lo screening dei materiali del catalizzatore e dell'elettrodo su una scala immediatamente più ampia.

"Dal 2020, la nuova piattaforma di elettrolisi Fraunhofer a Leuna ci consentirà anche di scalare le sintesi elettrochimiche su scala industriale, "aggiunge Ulrike Junghans, che svolge attività di ricerca presso il Centro Fraunhofer per i processi chimico-biotecnologici CBP, la filiale di Leuna di IGB. Nel progetto "SynLink", che è gestito da lei e finanziato dal Ministero federale tedesco dell'economia e dell'energia, questa piattaforma dimostrerà che l'energia rinnovabile può essere utilizzata per produrre gas di sintesi da H2O e CO ₂ —con entrambe le molecole adsorbite dall'aria. Il gas di sintesi viene quindi convertito chemocataliticamente in metanolo e combustibili.

Prodotti chimici di alta qualità combinando chimica e biotecnologia

Prodotti chimici prodotti da CO ₂ possono competere con i prodotti petrolchimici solo se sono prodotti in grandi quantità e se è disponibile energia elettrica sufficiente a basso costo. Questo di solito non è il caso dei tipici piccoli, CO . decentralizzata ₂ -impianti di emissione come impianti di biogas o birrifici.

Per garantire che il valore aggiunto del metanolo rigenerativo diventi anche un business redditizio su scala ridotta, i ricercatori di Fraunhofer hanno perseguito un nuovo approccio e hanno combinato la sintesi chimica in un processo recentemente brevettato con la successiva fermentazione biotecnologica per produrre sostanze chimiche di valore più elevato. "Utilizzando un nuovo processo di reazione, CO ₂ viene trasformato in metanolo come prodotto intermedio, che viene pompato direttamente in un fermentatore a determinati intervalli senza ulteriori lavorazioni, " spiega Csepei. I microrganismi crescono con il metanolo come unica fonte di carbonio e producono acido lattico, isoprene, acido poliidrossibutirrico e terpeni a catena lunga:prodotti di pregio che possono essere ottenuti solo con processi chimici catalitici convenzionali utilizzando complessi, sintesi a più stadi.

L'obiettivo dei ricercatori è sviluppare ulteriormente questi promettenti sistemi e processi catalitici per l'utilizzo della CO ₂ verso la maturità commerciale, in stretta collaborazione con partner del settore, e quindi dare un contributo sostanziale alla protezione del clima.