Südlich von Lyon betreibt die GIE (Economic Interest Group) Osiris die Chemieplattform Les-Roches-Roussillon, die Grundstoffe für viele Chemieunternehmen der Region herstellt. Olefine (Ethylen, Propylen und Buten) werden lokal aus aus Erdgas gewonnenem Methanol hergestellt und sind somit fossilen Ursprungs. Im Projekt Catvic (catalytic valorisation of industrial carbon) entwickeln das CEA und das Max-Planck-Institut in Deutschland neue Technologien zur Dekarbonisierung dieses Industriestandorts.

Methanol wird derzeit vor Ort importiert und aus Synthesegas hergestellt, einem Synthesegas, das hauptsächlich aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) besteht. Die Forscher wollen es vor Ort aus dem CO2 herstellen, das durch den Rauch der verschiedenen Chemieplattformen entsteht und aus dem grünen Wasserstoff. Dieser Prozess ist bekannt und besteht aus der folgenden Reaktion: CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O. „Das Max-Planck-Institut beherrscht diese Technik gut, die es meines Wissens nicht im industriellen Maßstab gibt, sondern nur in Form von recht großen Demonstratoren, erklärt Albans Chapazs, CEA Scientific Engineer. Wir werden die Auswirkungen von CO2-Verunreinigungen auf die Methanolsynthesereaktion untersuchen. Wir werden auch analysieren, wie kupferbasierte Metallkatalysatoren im Laufe der Zeit altern. „

Produziert Olefine mit einem einzigen Katalysator

Die innovativste Forschungsachse des Catvic-Projekts ist die direkte Umwandlung von CO2 und Wasserstoff in Olefine. Die Herstellung dieser Kohlenstoffverbindungen erfordert normalerweise zwei Schritte: die Synthese von Methanol und seine Dehydratisierung. Sie erfordern den Einsatz von zwei Katalysatoren getrennt und unter unterschiedlichen Einsatzbedingungen. Wissenschaftler wollen die Synthese von Methanol und seine anschließende Dehydratisierung in einem Schritt erreichen, unter Verwendung eines Katalysators in einem Reaktor und unter bevorzugten Bedingungen, um die höchstmögliche Leistung der Olefinsynthese zu erzielen. „Wir werden Katalysatoren aus anderen Metallen als Kupfer verwenden, die höheren Temperaturen standhalten, weil die Synthesereaktion bei einer Temperatur von etwa 250 Grad und die Dehydratisierungsreaktion bei 400 bis 500 Grad stattfindet., fügt der Forscher hinzu. Mehrere saure Katalysatoren werden untersucht, um bifunktionelle Katalysatoren mit einem Metall zu erhalten, wie saurem Siliciumdioxid-Aluminiumoxid oder saurem Zeolith. „

Der Vorteil der Kombination dieser beiden Stufen liegt im Wassermanagement. Bei der chemischen Reaktion wird das Wassermolekül gleichzeitig mit dem Methanolmolekül gebildet, und die Reinigung dieses Gemisches ist ein ziemlich teurer Energieschritt. Diese beiden Moleküle sind wirklich schwer voneinander zu trennen, da sie ziemlich ähnliche Siedepunkte haben.

Diese Trennung ist bei der Direktsynthese von Olefinen viel einfacher zu erreichen, da diese unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen im gasförmigen Zustand vorliegen, während das Wasser flüssig ist. Die Gruppierung beider Stufen hat auch den Vorteil, die Kosten für die industrielle Ausrüstung zu senken, da eine Erhöhung der Anzahl der Reaktoren sowie der Anzahl der Verbindungen zwischen ihnen vermieden wird.

Reduzieren Sie den Stromverbrauch des Elektrolyseurs

Das Catvic-Projekt zielt auch darauf ab, den kohlenstofffreien Wasserstoff herzustellen, der für chemische Reaktionen benötigt wird, um die Entphosphatierung von Methanol- und Olefinsyntheseprozessen abzuschließen. Wissenschaftler entwickeln Hochtemperatur-Elektrolysetechnologie von 700 bis 800 Grad. Im Vergleich zu herkömmlichen Elektrolyseuren ermöglicht dies eine höhere elektrische Leistung, wie Elise Le Gofa, CEA-Forscherin und Koordinatorin dieses Forschungsprojekts, erklärt: „Am Ende wollen wir zwischen 40 und 43 kWh pro kg produziertem Wasserstoff verbrauchen, während Niedertemperatur-Elektrolyseure rund 50 kWh verbrauchen.“ Das Wichtigste ist, die Lebensdauer der Elektrolysezellen lang genug zu halten, damit wir die gewonnene Leistung nicht verlieren. „

Das Catvic-Projekt umfasst eine abschließende Machbarkeitsstudie, die aus einer Machbarkeitsstudie verschiedener technologischer Konzepte besteht, die für reale Anwendungen anstelle der Lyon-Plattform entwickelt wurden. Dazu gehört insbesondere eine Schätzung ihrer Kosten, ihrer Umweltleistung und der Gesamteffizienz des Systems. „Dieses Forschungsprojekt startete vor zwei Jahren und soll bis Ende 2022 enden. Je nach technologischem Fortschritt könnte in einer zweiten Phase ein industrieller Demonstrator für die Methanolsynthese entstehen.“, schließt der Forscher.