Power2C4: Per Katalyse von Ethanol zu Butadien

Ziel von Power2C4 ist es, ein neues katalytisches Verfahren zu entwickeln, das es erlaubt, ausgehend von einem Synthesegas aus CO₂ und elektrolytisch produziertem H₂, Butadien sowie andere C4-Olefine herzustellen. Im Fokus steht dabei eine zweistufige Butadiensynthese: Im ersten Schritt wird aus dem Synthesegas Ethanol hergestellt, das in einem zweiten Schritt mit einem neuen Katalysator zu Butadien umgesetzt wird. Damit diese Synthese gelingt, muss ein entsprechendes Katalysatorsystem identifiziert und getestet werden. Anschließend wird die gesamte Power-to-Butadien-Prozesskette bewertet – mit Blick sowohl auf die Wirtschaftlichkeit der Prozesskette als auch auf die Nachhaltigkeit des neuen Herstellungspfads für Butadien. Den Rahmen für das Arbeitspaket bildet das »Virtuelle Institut – Strom zu Gas und Wärme« – ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen, die an adaptiven Technologiemaßnahmen für das Strom-, Gas- und Wassersystem arbeiten.

Butadien spielt für die Industrie eine wichtige Rolle: Der ungesättigte Kohlenwasserstoff kommt bei der Produktion von Synthesekautschuk zum Einsatz. Bislang werden Butadien und andere C4-Olefine durch thermisches Cracking der Erdölfraktion Naphtha hergestellt. Aufgrund der Verknappung der Erdölreserven und der damit einhergehenden Preissteigerung von Naphtha gewinnen nachhaltige, alternative Herstellungsverfahren auf Basis von Power-to-X an Bedeutung.

Ein weiterer Vorteil des alternativen Herstellungsverfahrens von Butadien: Es trägt dazu bei, temporäre und räumliche Unterschiede zwischen Erzeugung und Nachfrage von Strom aus erneuerbaren Energien auszugleichen. Sprich: Überschüssiger Strom aus Windkraft oder Photovoltaikanlagen wird genutzt, um ein anderes Produkt – in diesem Fall C4-Olefine – herzustellen.

Die Umsetzung von Ethanol zu Butadien (ETB) verläuft über mehrere gekoppelte Reaktionsschritte – von der Bildung von Acetaldehyd über die Aldol-Kondensation bis zur Dehydratisierung. Im Projekt wurde ein neues vielversprechendes Katalysatorsystem auf Basis künstlicher Saponite synthetisiert und modifiziert. Verglichen mit dem unmodifizierten Katalysatorausgangsmaterial ließ sich die Butadien-Selektivität im Rahmen der Katalysatoroptimierung bereits deutlich erhöhen; die Ergebnisse zeigen aber noch weiteres Potenzial zur Verbesserung der Katalysatorperformance. Die Testung der katalytischen Aktivität erfolgt hierbei in einer eigens konstruierten Versuchsanlage.

Aufbauend auf einer simulativen Bilanzierung der Produktaufbereitung erfolgte eine Lebenszyklusanalyse (Life Cycle Analysis, LCA) zur Nachhaltigkeitsbewertung des Power-to-Butadien-Prozesses. Hierbei wurden insgesamt elf verschiedene Szenarien für die Synthese von Butadien aus Ethanol betrachtet. Die Ergebnisse der Prozessbewertung zeigen, dass der Lebedev-Prozess je nach verwendeter Ethanol- und Energiequelle, das Potenzial hat Butadien und damit auch Styrol-Butadien-Kautschuk aus biobasiertem Ethanol oder CO₂-basiertem Ethanol herzustellen. Einen wichtigen Faktor stellt dabei ebenfalls der eingesetzte Katalysator für die Butadiensynthese dar, welcher eine hohe Butadien-Selektivität erfordert, um den Auftrennungsaufwand zu reduzieren. Die Nutzung von Restbiomasseströmen, wie Bagasse oder Stroh, eröffnet die Möglichkeit Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Zudem trägt ein Strommix mit höheren Anteilen an erneuerbaren Energien wie erwartet zur Treibhausgasreduktion bei.

• Gas- und Wärme-Institut Essen e.V. (GWI)
• Energiewirtschaftliches Institut an der Universität zu Köln (ewi)
• Forschungszentrum Jülich (FZJ)
• Ruhr-Universität Bochum (RUB), Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik
• Wuppertal-Institut (WI)
• ZBT Duisburg (ZBT)