Rohstoffe für die Chemie aus Erdgas

Das Exellenzcluster „UniCat“ fuhr eine neue Chemiefabrik an. Neue Wege beschreiten die Forscher des Exellenzclusters UniCat. Nun haben sie eine Miniplant, eine Chemiefabrik im Kleinen, nach 18 Monaten Aufbauzeit in Betrieb genommen.

Im Februar 2008 ging das Berliner Exellenzcluster „Unifying Concepts in Catalysis“ (UniCat) an den Start. Nun wurde am 7. Dezember 2009 die neue Miniplant des Exzellenzclusters im feierlichen Rahmen eingeweiht. Nur rund 18 Monaten gingen vom Projektstart bis zum Abschluss der Funktionsprüfungen ins Land. Nun kann der reguläre Forschungsbetrieb beginnen.

Eine Miniplant ist eine Anlage, die bereits mit allen Komponenten einer kompletten Chemiefabrik ausgerüstet ist. Nur die Dimension der Anlage ist viel kleiner. Mit einer derartigen Versuchsanlage wird die Brücke zwischen dem Experimenten im Labor und der Produktion in der chemischen Industrie geschlagen.

Ziel und Nutzen des Forschungsprojektes

Die Forscher im Exellenzcluster Unicat wollen neben vielen anderen Projekten wirtschaftliche Wege aufzeigen, wie aus Methan der für die chemische Produktion sehr wichtige Rohstoff Ethylen gewonnen werden kann. Methan ist der Hauptbestandteil des Erdgases. Ein Rohstoff, der heute noch oft bei der Rohölförderung als lästiges Begleitprodukt ohne Nutzung abgefackelt wird. Und ein Rohstoff, dessen Reichweite wohl über die des Erdöles hinaus reicht. Außerdem ist Methan in Kohlevorkommen eingelagert und entsteht bei der Zersetzung biologischer Reststoffe auf Komposthaufen, Mülldeponien und Biogasanlagen.

Wie das Kohlendioxid ist auch Methan ein Treibhausgas. Wobei ein Methanmolekül in der Atmosphäre wesentlich mehr zum Treibhauseffekt beiträgt als ein Molekül des Kohlendioxids. Daher ist es aus zwei Aspekten wichtig, vorhandenes Methan sinnvollen Nutzungen zuzuführen. Wenn es gelingt, Methan chemisch in wertvollere oder flüssige Stoffe umzuwandeln, dann gewinnt die Menschheit einen erheblichen Zeitpuffer für den Übergang zu neuen Rohstoffquellen nach dem Zeitalter des Erdöls, das sich absehbar dem Ende zuneigt.

Die Aufgabe der neuen Miniplant

Mit der neuen Fabrik en miniature soll nun der eigentlich bekannte Prozess der oxidativen Kupplung zur Erzeugung von Ethylen aus Methan den ersten Schritt in die Großtechnik machen und dabei soweit optimiert werden, dass er eine wirtschaftliche Alternative zum Steamcracker wird.

Um aus dem Methan das wertvolle Ethylen zu gewinnen, muss das brennbare Gas aktiviert werden. Dies ist ein schwieriger Prozessschritt. Denn es besteht die Gefahr, dass das Methan bereits bei der Aktivierung vollständig verbrennt.

Bei dem derzeitigen Stand der Entwicklung ist es möglich, dass die Ausbeute an Ethylen aus dem Methan bei etwa 30 Prozent liegt. Das meint, dass 30 Prozent der Kohlenstoffatome des Methans in Ethylenmoleküle eingebaut werden. Die restlichen 70 Prozent reagieren mit Sauerstoff zu Kohlendioxid. Außerdem fällt bei dem Prozess noch Wasser an.

Die Optimierung dieses Prozesses hat zwei Stoßrichtungen. Zum einen soll durch verbesserte Katalysatoren die Prozesstemperatur – derzeit etwa 800°C – deutlich sinken. Damit würde der Energieeinsatz für das Verfahren deutlich sinken und die Wettbewerbsfähigkeit deutlich steigen. Dann lässt sich mit geeigneten Katalysatoren und optimierten Reaktorgeometrien auch die Ausbeute an Ethylen deutlich erhöhen. So sieht Matthias Drieß, der Leiter von Unicat, gute Chancen zum Absenken der Prozesstemperatur um 200°C. Und die Ausbeute hofft er auf über 40 Prozent steigern zu können. 50 Prozent Ausbeute wären traumhaft. Zumal auch der Anfall von Kohlendioxid entsprechend sinken würde.

Der Standort

Die Miniplant befindet sich im ehemaligen Kraftwerksgebäude der Technischen Universität Berlin auf dem Charlottenburger Campus. Ein Teil der Halle wurde für diese Anlage umgebaut. Denn in der Anlage sind im Betrieb explosionsfähige Mischungen von Sauerstoff und Erdgas vorhanden. Der Umgang mit solchen Stoffen erfordert die Einhaltung strenger Sicherheitsstandards. Weithin sichtbar wird die Heißfackel über dem Dach der Halle sein. Die ist eine Art Notschornstein und ist dazu da, eventuell nicht umgesetzte Mengen von Methangas gefahrlos zu vernichten.

Die Forscher konnten auf die Mitarbeit und auch tatkräftige Unterstützung von Kooperationspartnern aus der Industrie bauen. Im Falle der Miniplant wurden vor allem Siemens, Endress+Hauser, Uhde und Bruker BioSpin genannt, die vor allem Komponenten der Mess- und Regeltechnik und zur Prozesssteuerung beisteuerten.

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