PlasCO₂ - Plasmainduzierte Generierung von Kohlenmonoxid aus Kohlendioxid 

Das "PlasCO₂"-Team setzt eine neuartige Energiequelle ein, um Kohlendioxid als Ressource nutzbar zu machen. Erstmals wird mittels Niedertemperatur-Plasma CO₂ mit Wasserstoff zu Kohlenmonoxid und zu Synthesegas umgewandelt. Im industriellen Prozess der Hydroformlyierung wird die Effizienz der Umwandlung praktisch überprüft. Das Projekt wird im Rahmen der Fördermaßnahme "CO2 als nachhaltige Kohlenstoffquelle - Wege zur industriellen Nutzung (CO₂-WIN)" gefördert. Die Maßnahme unterstützt Projekte, die Kohlendioxid als Rohstoff für die deutsche Wirtschaft nutzbar machen.

Neue Wege zur CO₂-Aktivierung

Für die Herstellung von zum Beispiel Medikamenten, Reinigungsmitteln, Lacken oder Duftstoffen benötigt die chemische Industrie eine Kohlenstoff-Quelle. Derzeit wird dazu in erster Linie Erdöl verwendet, mit dem dann unter anderem die universelle Vorstufe Synthesegas hergestellt wird. Dieses besteht aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂). Die industrielle Nutzung von CO2 als nachhaltiger Kohlenstoff-Quelle wird gegenwärtig dadurch verhindert, dass es ein sehr reaktionsträges Molekül ist und damit nur mit sehr hohem Energieaufwand zum Beispiel in CO überführt werden kann.

Im Zentrum des Projektes steht daher die Umwandlung von CO₂ mit Wasserstoff zu Kohlenmonoxid und damit auch zu Synthesegas. Als neuartige Energiequelle für diese Reaktion sollen Niedertemperaturplasmen verwendet werden. Diese Energiequelle wird derzeit zum Beispiel in der Abluftreinigung eingesetzt, indes noch nicht in chemischen Reaktionen. Sobald das Forschungsteam die Grundlagen für die Niedertemperatur-Plasma-Aktivierung gelegt hat, soll das so erhaltene Synthesegas direkt in der Herstellung von Aldehyden verwendet werden.

Plasma als hocheffiziente Energiequelle

Plasma wird durch Anlegen von Strom an ein Gas erzeugt, wobei in sogenannten nicht-thermischen Plasmen die Energie aus dem elektrischen Feld auf die Elektronen übertragen wird. Durch Reaktionen der schnellen Elektronen mit den Gasmolekülen entstehen angeregte Moleküle und Atome sowie weitere Ionen-Elektron-Paare. Außerdem finden Dissoziationsprozesse statt. Die so erzeugten reaktiven Spezies führen zu chemischen Reaktionen unter milden Bedingungen wie beispielsweise Umgebungstemperatur und -druck. Dies macht Plasmen für die CO₂-Umwandlung besonders attraktiv, da die Elektronen die CO2-Moleküle aktivieren und damit neue Produkte entstehen, ohne dass das gesamte Gas erwärmt werden muss. Plasmen werden durch elektrischen Strom erzeugt, können also einfach ein- und ausgeschaltet werden und damit ein fluktuierendes Energieangebot nutzen.

Für die Generierung des Niedertemperaturplasmas sollen neuartige Reaktoren konzipiert und gebaut werden, die sowohl die Generierung von CO aus CO2 in Gegenwart von Wasserstoff als auch chemische Reaktionen mit dem generierten Gasgemisch erlauben. Im Rahmen von "PlasCO2" werden Carbonylierungs-Reaktionen eingehend untersucht. Zunächst werden die Prozesse bei Atmosphärendruck erforscht und validiert. Für den Einsatz in der chemischen Industrie wird auch der Betrieb bei höherem Druck angestrebt.

Breite Anwendbarkeit

Als Ergebnis ist angestrebt, einen Reaktor für Übergangsmetall-katalysierte Carbonylierungen im kombinierten Betrieb von Plasmareaktor und nachgeschalteter chemischer Reaktionseinheit sowie für den Direktbetrieb chemischer Reaktionen im Plasmareaktor zu etablieren.

Das Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie ist für die Entwicklung der Plasmatechnologie und die Entwürfe für das Reaktordesign verantwortlich, dass dann vom Partner Rafflenbeul in konkrete Anlagen umgesetzt wird. Die ersten Verknüpfungen zwischen Plasmareaktor und den chemischen Reaktoren werden beim Leibniz-Institut für Katalyse ebenso durchgeführt wie die Optimierung der Katalysatoren. Evonik kümmert sich vor allem um die quantenchemischen Berechnungen und wird anhand von Lebenszyklusanalysen die ökologische und ökonomische Bewertung vornehmen.

Die kleinen, leicht skalierbaren und variabel einsetzbaren Reaktoren erlauben ein sehr großes Anwendungsspektrum in der Chemischen Industrie überall dort, wo Synthesegas eingesetzt werden soll. Das kann in einem Großkonzern sein, aber auch in einem mittelständischen Betrieb.

PlasCO2-Projektblatt zum Download