Katalyse Emissionsärmere Syntheseroute von Butadien

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Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

Chemische Fabrik Dr. Weigert GmbH & Co. KG

Axel Semrau GmbH /Trajan Scientific and Medical

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Eine neue Synthese-Route soll die Plattformchemikalie Butadien aus Ethanol und regenerativ erzeugtem Strom herstellen statt wie bisher auf Basis von Erdöl. Dies wäre nachhaltiger und deutlich emissionsärmer als der bisherige Weg.

Butadien ist eine wichtige Plattformchemikalie, um Polymere herzustellen – u. a. für die Produktion von Autoreifen. Neben Polybutadien, das in Autoreifen Anwendung findet, können Polytetrahydrofuran (PTHF), Polybutylenterephtalat (PBT) und Polybutylensuccinat (PBS) aus dem Monomer erzeugt werden. „Der Haken: Aktuell wird Butadien zu 95 Prozent als Nebenprodukt beim thermischen Zersetzen von Rohbenzin zu Ethen gewonnen – unter Ausstoß von Kohlendioxid“, erklärt Marc Greuel vom Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik „Umsicht“. „Zudem werden die Preise für Butadien perspektivisch ansteigen, da sich die Rohstoffbasis für Ethen immer mehr in Richtung Schiefergas verschiebt und dadurch die Produktionskapazität für Butadien sinkt“, führt der Forscher aus. Das Interesse an einem alternativen Herstellungsprozess ist also nicht nur aus Klimaschutzgründen groß.

Die Frage, wie eine nachhaltigere, emissionsärmere und auch günstige Syntheseroute aussehen kann, stand im Zentrum des Projektes Power2C4. Angesiedelt im Kompetenzzentrum „Virtuelles Institut – Strom zu Gas und Wärme“ hat es Experten des Fraunhofer „Umsicht“, des Gas- und Wärme-Instituts Essen e. V., des energiewirtschaftlichen Instituts an der Universität zu Köln, des Forschungszentrums Jülich, der Ruhr-Universität Bochum, des Wuppertal-Instituts und des Zentrum für Brennstoffzellen-Technik (ZBT) Duisburg zusammengeführt. Ihre Zielsetzung: Flexibilitätsoptionen vor dem Hintergrund der Energiewende zu untersuchen.

Im Fokus des Teilprojekts Power2C4 stand ein neues katalytisches Herstellungsverfahren unter Einsatz regenerativ erzeugten Stroms. Ausgangspunkt ist Ethanol, das zum Beispiel im Zuge einer Hydrierungsreaktion aus CO₂ und elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff gewonnen wird. Dieses Ethanol dient in einem zweiten Schritt zur Synthese von Butadien mittels des so genannten Lebedev-Prozesses.

Katalysatorsystem auf Basis synthetischer Minerale

Da der erste Schritt bereits Gegenstand zahlreicher Forschungsaktivitäten ist, konzentrierten sich Wissenschaftler auf die Weiterveredlung des Ethanols zu Butadien und die Verfahrenskopplung beider Schritte. „Wir haben u. a. ein neues Katalysatorsystem auf Basis eines synthetischen Saponiten identifiziert und anschließend synthetisiert“, erklärt Dr. Barbara Zeidler-Fandrich vom Fraunhofer „Umsicht“. Saponite sind Mineral aus der Ordnung der Silikate und sind aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche interessant für die Katalyse.

Die Testung der katalytischen Aktivität erfolgte in einer eigens konstruierten Versuchsanlage. „Aufbauend auf einem ersten Screening haben wir aussichtsreiche Materialien weiter optimiert. Das Ergebnis: Verglichen mit dem unmodifizierten Ausgangsmaterial lässt sich die Butadien-Selektivität im Rahmen der Katalysatoroptimierung deutlich erhöhen. Allerdings ist auch klar geworden, dass noch weiteres Potenzial zur Verbesserung der Katalysatorperformance besteht“, ordnet Zeidler-Fandrich ein.

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Ein neuer, nachhaltiger Weg zum Butadien

Wie nachhaltig dieser Power-to-Butadien-Prozess wirklich ist, haben Dr. Markus Hiebel und Dr. Daniel Maga vom Fraunhofer „Umsicht“ in einer Life Cycle Analysis (LCA) untersucht. Beleuchtet haben sie dabei – neben unterschiedlichen Katalysatoren – die Herstellungsmethode von Ethanol und die Relevanz der eingesetzten Energiequelle.

„Wir konnten 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 und CO₂-Emissionen zu reduzieren“, sagt Maga. „Damit ermöglicht der Power2C4-Prozess die Nutzung alternativer Kohlenstoffquellen.“ Besonders die Nutzung von Ethanol aus Restbiomasseströmen wie Bagasse oder Stroh eröffne Wege, Treibhausgasemissionen von Butadien deutlich zu reduzieren. Zudem führe ein Strommix mit immer höheren Anteilen an erneuerbaren Energien zur Möglichkeit, Treibhausgasreduktionen über Carbon-Capture-and-Utilization-Prozesse (CCU) zu realisieren.

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