CO2 als Rohstoff nutzen

Bioreaktor-Elektrolyseur-Plattform für Spezialchemikalien der Zukunft

Evonik und Siemens haben das gemeinsame Forschungsprojekt Rheticus II gestartet. Ziel ist eine effiziente und leistungsfähige Versuchsanlage, die Spezialchemikalien erzeugt. Die vier Zutaten: Kohlendioxid (CO2), Wasser, Strom aus erneuerbaren Quellen und Bakterien.

Im Evonik-Modul der Rheticus Versuchsanlage arbeiten Bakterien an der Umwandlung von Synthesegasen in Spezialchemikalien wie Butanol. © Evonik

Im Projekt Rheticus I hatten die beiden Unternehmen zwei Jahre lang die Grundlagen für die technische Machbarkeit dieser künstlichen Photosynthese aus Bioreaktor und Elektrolyseur entwickelt. Jetzt führen sie die beiden bislang noch getrennten Anlagenteile in einer Versuchsanlage am Evonik-Standort Marl (NRW) zusammen. Rheticus II hat eine Laufzeit bis 2021 und wird vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 3,5 Mio. € gefördert.

„Die innovative Technologie von Rheticus hat das Potenzial, zum Gelingen der Energiewende beizutragen“, sagt Thomas Haas, der bei Evonik für Rheticus verantwortlich ist. „Die Plattform könnte künftig überall dort installiert werden, wo CO2 vorhanden ist – etwa an Kraftwerken oder Biogasanlagen. Wir nutzen das CO2 als Rohstoff, um über künstliche Photosynthese wertvolle Chemikalien zu erzeugen.“ Siemens bringt in Rheticus den weltweit ersten CO2-Elektrolyseur ein. „Wir entwickeln ein flexibles System, das Antworten auf mehrere Fragen der Energiewende geben kann“, sagt Karl-Josef Kuhn, der bei Siemens die Power2X-Forschung leitet. „Wir machen erneuerbare Energie speicherbar, indem wir sie in Wertstoffe wie Spezialchemikalien oder Treibstoffe umwandeln. Wir tragen zur Netzstabilität bei – denn wir produzieren so variabel, dass wir auf Stromschwankungen reagieren können.“

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CO2-Elektrolyseur und künstliche Photosynthese im Biorektor

Anfang 2020 soll die Versuchsanlage ihren Testbetrieb aufnehmen. Sie besteht aus einem CO2-Elektrolyseur und einem Bioreaktor. In Elektrolyseuren werden in einem ersten Schritt Kohlendioxid und Wasser mit Strom in Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff umgewandelt. Aus dem dabei entstehenden Synthesegas wandeln spezielle Mikroorganismen die CO-haltigen Gase in Chemikalien um. Mit der Elektrolysetechnik und der Biotechnologie bringen Siemens und Evonik jeweils ihre Kernkompetenzen in diese künstliche Photosynthese ein.

Bei der künstlichen Photosynthese werden chemische und biologische Schritte so kombiniert, dass mit Hilfe von elektrischer Energie aus CO2 und Wasser verwertbare Chemikalien entstehen. Pflanzen machen es bei der natürlichen Photosynthese ganz ähnlich: Sie nutzen Chlorophyll, Enzyme und Sonnenlicht, um damit Glucose herzustellen – einen lebenswichtigen und energiereichen Nährstoff. Ein weiterer Vorteil von Rheticus: Die Technologie trägt dazu bei, die Kohlendioxidbelastung der Atmosphäre zu reduzieren, da CO2 als Rohstoff verwendet wird. So würde etwa die Herstellung einer Tonne Butanol drei Tonnen Kohlendioxid benötigen.

Im Frühjahr 2019 hatte Evonik das Synthese-Modul in Betrieb genommen. Kernstück ist ein acht Meter hoher Bioreaktor aus Edelstahl mit einem Fassungsvermögen von 2000 Litern. Mikroorganismen verrichten darin kontinuierlich ihre Arbeit. Wasserstoff und Kohlenmonoxid bilden die Hauptnahrung der Bakterien. Siemens hat einen CO2-Elektrolyseur entwickelt, vollständig automatisiert und im Sommer 2019 in einen Container integriert. Der weltweit erste CO2-Elektrolyseur besteht aus zehn Zellen mit einer Gesamtelektrodenfläche von 3000 cm².

In den nächsten Monaten geht es darum, Elektrolyseur und Bioreaktor zusammenzuschließen. Zusätzlich entsteht eine Einheit zur Aufarbeitung der Flüssigkeit aus dem Bioreaktor, um die reinen Chemikalien zu erhalten.

Im Testbetrieb erzeugen die Bakterien zu Forschungszwecken Butanol und Hexanol, Ausgangsstoffe zum Beispiel für Spezialkunststoffe oder Nahrungsergänzungsmittel. Künftig sind auch noch andere Spezialchemikalien vorstellbar – je nach Bakterienstamm und Bedingungen.

Nach erfolgreichem Abschluss von Rheticus II werden Evonik und Siemens eine einzigartige Plattformtechnologie zur Verfügung haben, die energie- und werthaltige Stoffe wie Spezialchemikalien oder künstliche Treibstoffe aus CO2 herstellt – modular und flexibel.

Quelle: Evonik / Siemens

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