p Como podemos alcançar as metas climáticas acordadas internacionalmente? O Instituto Fraunhofer de Engenharia Interfacial e Biotecnologia IGB produz o gás de efeito estufa CO ₂ utilizável como fonte de carbono para a indústria química. Com uma síntese de catalisador patenteada, triagem para o catalisador ideal em processos de alto rendimento e combinados (eletro) químico-biotecnológicos, vários conceitos estão disponíveis para CO ₂ indústrias emissoras. A plataforma química etileno já foi produzida com sucesso a partir de CO ₂ em um demonstrador eletroquímico com área de eletrodo de 130 centímetros quadrados.

É necessária uma ação rápida para limitar o aumento do aquecimento global bem abaixo de 2 ° C, conforme acordado na Convenção-Quadro de Paris sobre Mudança do Clima. Para o setor industrial, o Instituto Fraunhofer de Engenharia Interfacial e Biotecnologia IGB desenvolveu várias novas soluções tecnológicas para o uso do gás de efeito estufa dióxido de carbono (CO ₂ ), que é gerado durante os processos de combustão, como matéria-prima para a produção de produtos químicos, combustíveis ou sistemas de armazenamento de energia química. "Isso reduz o CO líquido ₂ emissões e também conserva recursos fósseis, "explica Gerd Unkelbach, responsável pela área de negócios de Química Sustentável da Fraunhofer IGB.

Os catalisadores são jogadores-chave na conversão química e eletroquímica de CO ₂ . Eles aceleram as reações, mas não são consumidos. Nos carros, por exemplo, o catalisador, "geralmente na forma de metais preciosos, como platina, ródio ou paládio, converte substâncias tóxicas nos gases de escape.

p O Fraunhofer IGB não otimiza apenas os conversores catalíticos. “Também estamos desenvolvendo novos processos e projetando plantas apropriadas para converter CO ₂ eletroquimicamente - com eletricidade de energias renováveis ​​- ou quimicamente; ou os combinamos com processos biotecnológicos, "diz Unkelbach.

Síntese de catalisador otimizado para a produção de metanol regenerativo

p O cobre metálico desempenha um papel importante como um catalisador na síntese de metanol regenerativo a partir de CO ₂ e hidrogênio produzido eletroliticamente. O metanol é uma matéria-prima química versátil que também está se tornando cada vez mais importante para o setor de energia, tanto como aditivo de combustível para motores de combustão quanto como portador de energia em células de combustível. De acordo com um estudo da DECHEMA, até 1,5 toneladas de CO ₂ emissões por tonelada de metanol poderiam ser evitadas se o metanol não fosse sintetizado a partir de matérias-primas fósseis, mas de CO ₂ ou outras matérias-primas regenerativas (A.M. Bazzanella, F. Ausfelder, DECHEMA e.V. Estudo de Tecnologia - Energia de baixo carbono e matéria-prima para a indústria química europeia, DECHEMA, 2017).

Os catalisadores para a síntese de metanol são produzidos a partir de soluções contendo cobre, hoje em dia, usando processos complexos de precipitação em vários estágios intermediários. “Para economizar energia, tempo e recursos durante a síntese do catalisador em escala industrial, otimizamos o processo para operação contínua, "explica o Dr. Lénárd Csepei, que desempenhou um papel importante no trabalho na filial da BioCat em Straubing e entrou com um pedido de patente para o processo.

Outro método com patente pendente para síntese de catalisador é baseado na dissolução de compostos metálicos nos chamados solventes eutéticos profundos. Com esses métodos, catalisadores de diferentes composições elementares podem ser produzidos e sua eficiência otimizada - não apenas para a produção de metanol, mas também para outros processos de síntese química e eletroquímica.

Procurando o melhor catalisador - em alto rendimento

Em todos os processos de síntese, o desempenho do catalisador é de importância fundamental, pois determina se o produto desejado pode ser produzido economicamente. “Um dos fatores mais importantes é o maior rendimento possível do produto desejado. Não queremos que sejam produzidos subprodutos, "explica Csepei. Para determinar qual catalisador é mais adequado para a implementação em questão, os pesquisadores do Fraunhofer examinam os possíveis candidatos em vários sistemas de reatores.

"Em nosso sistema multifuncional com quatro tubos de reator paralelo, podemos testar catalisadores em diferentes condições de reação, como diferentes misturas de gases de síntese, pressões e temperaturas - em alto rendimento, "diz Csepei. As reações são monitoradas analiticamente em tempo real para que os produtos resultantes possam ser quantificados diretamente. Os pesquisadores projetaram e construíram um sistema de reator para testar catalisadores à pressão atmosférica." Estamos usando este equipamento para investigar cascatas de reação subsequentes, ou seja, uma conversão adicional usando métodos biotecnológicos, "diz Csepei.

De catalisador a demonstrador

Com base nos catalisadores otimizados e como um exemplo para CO ₂ conversão, no projeto do farol Fraunhofer "Eletricidade como matéria-prima", o IGB construiu um protótipo totalmente automatizado para a produção eletroquímica de etileno, uma das matérias-primas mais importantes da indústria química. O elemento central é uma célula eletroquímica desenvolvida especialmente pela IGB. Nesta célula, os elétrons para a redução do CO ₂ são transferidos para um eletrólito aquoso e colocados em contato com o catalisador e dióxido de carbono gasoso em um eletrodo de difusão de gás poroso.

p "Com este sistema, nós produzimos etileno a partir de CO ₂ e água em uma única etapa em uma superfície de eletrodo de 130 cm ² e com nossos próprios catalisadores, "explica o Dr. Carsten Pietzka, quem está pesquisando em Stuttgart. "Resultados comparáveis ​​para este processo de eletrossíntese até agora só foram alcançados em escala de laboratório, com superfícies de eletrodo de apenas alguns centímetros quadrados e catalisadores que só podem ser produzidos em pequena escala, "diz o cientista. O design do demonstrador pode ser transferido para outros processos de eletrossíntese e permite a triagem de catalisador e materiais de eletrodo na próxima escala maior.

"A partir de 2020, a nova plataforma de eletrólise Fraunhofer em Leuna também nos permitirá dimensionar sínteses eletroquímicas para a escala industrial, "adiciona Ulrike Junghans, que conduz pesquisas no Centro Fraunhofer para Processos Químicos-Biotecnológicos CBP, a filial Leuna do IGB. No projeto "SynLink", que é administrado por ela e financiado pelo Ministério Federal da Economia e Energia da Alemanha, esta plataforma irá demonstrar que a energia renovável pode ser usada para produzir gás de síntese de H2O e CO ₂ - com ambas as moléculas adsorvidas do ar. O gás de síntese é então quimocataliticamente convertido em metanol e combustíveis.

p Produtos químicos de alta qualidade, combinando química e biotecnologia

Produtos químicos produzidos a partir de CO ₂ só pode competir com os produtos petroquímicos se forem produzidos em grandes quantidades e se houver eletricidade suficiente disponível a baixo custo. Isso geralmente não é o caso de pequenas, CO descentralizado ₂ -estações emissoras, como usinas de biogás ou cervejarias.

Para garantir que o valor agregado do metanol regenerativo também se torne um negócio lucrativo em menor escala, os pesquisadores Fraunhofer buscaram uma nova abordagem e combinaram a síntese química em um processo recentemente patenteado com subsequente fermentação biotecnológica para produzir produtos químicos de alto valor. "Usando um novo processo de reação, CO ₂ é transformado em metanol como produto intermediário, que é bombeado diretamente para um fermentador em determinados intervalos sem processamento adicional, "explica Csepei. Os microrganismos crescem tendo o metanol como única fonte de carbono e produzem ácido lático, isopreno, ácido poli-hidroxibutírico e terpenos de cadeia longa:produtos valiosos que só podem ser obtidos com processos catalíticos químicos convencionais usando complexos, sínteses em vários estágios.

O objetivo dos pesquisadores é desenvolver ainda mais esses sistemas e processos catalíticos promissores para a utilização de CO ₂ em direção à maturidade comercial, em estreita colaboração com parceiros da indústria, e, assim, dar uma contribuição substancial para a proteção do clima.