Energie und Ressourcen einsparen, Kohlendioxid-Emissionen verringern
Basischemikalien als Grundstoffe für vielfältige Produkte wie Medikamente oder Waschmittel lassen sich bisher nur mit enorm hohem Energie- und Rohstoffaufwand produzieren. Dabei sind häufig noch fossile Energieträger und Rohstoffe im Einsatz. Allein die Gewinnung chemischer Stoffe setzt hohe Temperaturen, teure Katalysatoren aus Edelmetallen und teilweise auch umweltschädliche Ausgangsstoffe voraus. Ziel des vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gemeinsam mit der Johannes Gutenberg-Univerität Mainz (JGU) geleiteten Zukunftsclusters ETOS ist es laut einer Medienmitteilung vom 06.10.2022, auf Basis von Elektrolyse nachhaltigere Verfahren zu entwickeln. Mit grünem Strom sollen sie eine Grundlage für die CO2-neutrale chemische Produktion schaffen.
CO2-Emissionen senken! – Fotomontage – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert ETOS als eines von sieben Vorhaben im Clusters4Future-Wettbewerb. Mit speziellen Elektrolyseverfahren für die Herstellung von Feinchemikalien will das Zukunftscluster ETOS maßgeblich zur Defossilisierung der Chemieindustrie beitragen. „Der Vorteil ist, dass keine Abfälle entstehen, wenn mithilfe von Elektrizität eine Reaktion ausgelöst wird. Es ist ein ‚sauberes‘ Verfahren, erlaubt milde Synthesebedingungen und ist von Natur aus sicher“, sagt Philipp Röse vom Institut für Angewandte Materialien – Elektrochemische Technologien (IAM-ET) des KIT. Die Forschenden wollen die Elektrolyseverfahren nun so anpassen und bis zum industriellen Maßstab entwickeln, dass sich Energie und Rohstoffe einsparen lassen. Im Fokus steht dabei die Produktion von Feinchemikalien als Grundstoffe für zahlreiche Produkte. Bisher lassen sich diese nur mit teils umweltschädlichen Ausgangsstoffen, etwa schwermetallhaltigen Oxidationsmittel, unter hohen Temperaturen und mit teuren Katalysatoren aus Edelmetall wie Palladium oder Platin herstellen. Bei der Forschung setzt das Team auf die organische Elektrosynthese, bei der mittels elektrischen Stroms organische Verbindungen in die erwünschten chemischen Produkte umgesetzt werden.
Das Netzwerk „Elektrifizierung Technischer Organischer Synthesen (ETOS)“ hat die Konzeptionsphase der BMBF-Zukunftscluster-Initiative abgeschlossen und den Antrag für die erste Umsetzungsphase eingereicht. Es strebt die Etablierung eines interdisziplinären Innovationsnetzwerkes an, dass sich mit dem Transfer elektroorganischer Synthesen vom Labor- in den industriellen Maßstab beschäftigt. Ziel ist es die nachhaltige elektrochemische Herstellung von organischen Wertstoffen und Chemikalien (Power-to-Chemicals), zu einer Schlüsseltechnologie der chemischen Industrie in Deutschland zu etablieren. ETOS ist die erste große Technologieplattform, die Brücken zwischen der organischen Synthesechemie bis hin zur (elektro-)chemischen Verfahrens- und Reaktionstechnik schlägt und neuartige Lösungsvorschläge und Schlüsseltechnologien für nachhaltige, robuste und zukunftsfähige Prozesse und Produkte entlang der gesamten Wertschöpfungskette generiert. Das Netzwerk wird den Wirtschaftsstandort Deutschland stärken und zukunftsfähig gestalten und eine nachhaltige chemische Produktion im Hinblick auf die wegweisenden Aspekte der Energie- und Ressourceneffizienz, Defossilierung chemischer Prozesse bis hin zur CO2-Neutralität und der Kreislaufwirtschaft sicherstellen. (etos.uni-mainz.de)
„Noch ist die organische Elektrosynthese eine wenig erforschte Nischentechnologie, die in der Industrie selten eingesetzt wird. Wir wollen daraus nun maßgeschneiderte Verfahren für konkrete Produktionsprozesse entwickeln, die sich ökologisch und wirtschaftlich lohnen“, sagt Professorin Ulrike Krewer, Leiterin des IAM-ET und Co-Sprecherin von ETOS. „Setzen wir dann noch auf Strom aus erneuerbaren Energien, sind die neuen Verfahren ein wichtiger Schritt in Richtung CO2-Neutralität in diesen Prozessen.“ ETOS wird als erste große Technologieplattform den Transfer elektroorganischer Synthesen vom Labor in den industriellen Maßstab vorantreiben und auf dieser Grundlage Lösungsvorschläge und Schlüsseltechnologien für nachhaltige, robuste und zukunftsfähige Prozesse und Produkte erarbeiten.
Verfahrens- und Reaktionstechnik von der Elektrode bis zu Großdemonstratoren
Das Team des KIT um Ulrike Krewer bringt die ingenieurwissenschaftliche Perspektive ins Zukunftscluster ETOS ein. „Dabei geht es um das Verbessern einzelner Bauteile, etwa Elektroden, genauso wie um ganze Demonstratoren bis hin zur kompletten Prozesskette in Großanlagen“, erläutert Röse. In ETOS beschäftigen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT unter anderem mit der experimentellen und modellgestützten Analyse und Optimierung von Elektroden und Zellen und der additiven Fertigung von strukturierten Reaktoren. Sie arbeiten am Prozessdesign sowie am Hochskalieren der Prozesse und der Bewertung im Großanlagenbetrieb. Dazu kommen Expertinnen und Experten für KI-gestütztes Molekülscreening. Neben dem IAM-ET sind auch das Institut für Strömungsmechanik, das Institut für Katalyseforschung und -technologie, das Institut für Mikroverfahrenstechnik, das Institut für Organische Chemie sowie das Institut für Biologische und Chemische Systeme beteiligt.
Die naturwissenschaftliche Leitung von ETOS liegt bei Professor Siegfried Waldvogel an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Hier stehen die Methoden und Reaktionspfade bei der organischen Elektrosynthese im Mittelpunkt der Forschung, aber auch Elektrolyseure mit kleinen Elektrodenabständen, die es ermöglichen sollen, die Energieeffizienz der Zellen weiter zu steigern.
Über das Zukunftscluster ETOS
Das Zukunftscluster „Elektrifizierung technischer organischer Synthesen“ (ETOS) der JGU und des KIT ist eines von sieben Gewinnern im „Cluster4Future“-Wettbewerbs des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Beteiligt sind außerdem die TU Kaiserslautern, die TU Darmstadt, das Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme sowie 15 industrielle Partner, darunter BASF, Boehringer Ingelheim, Merck, Bayer und Evonik an ETOS beteiligt. Für die erste Förderperiode in den Jahren 2023 bis 2025 erhält ETOS eine Förderung von etwa 15 Millionen Euro. Die Industrie bringt zusätzlich circa fünf Millionen Euro ein. Anschließend kann noch zweimal eine solche Förderung für jeweils drei weitere Jahre beantragt werden, sodass ETOS insgesamt mehr als neun Jahre mit bis zu 45 Millionen Euro gefördert werden könnte.
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 800 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 300 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.
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