Treibhausgas CO2 zu Benzin
Kohlendioxid (CO2), ein bedeutendes Treibhausgas, gilt als Hauptverursacher der globalen Erwärmung. In den letzten Jahren haben Länder intensiv daran gearbeitet, die CO2-Emissionen aufgrund der Auswirkungen von CO2-Emissionspolitiken zu reduzieren. Benzin ist einer der am weitesten verbreiteten Kraftstoffe weltweit. Mit der Entwicklung der modernen Gesellschaft ist Benzin nicht nur für die Produktion und den Alltag eines Landes unerlässlich geworden, sondern auch zu einem täglichen Bedarf für viele Menschen. Das eine ist ein Treibhausgas, das zur Klimaerwärmung beiträgt, während das andere eine wertvolle Energiequelle darstellt, auf die immer mehr Menschen angewiesen sind. Obwohl diese beiden auf den ersten Blick nicht zusammenhängend erscheinen mögen, haben Wissenschaftler festgestellt, dass sie untrennbar miteinander verbunden sind.
Im Jahr 2017 entdeckte ein Forscherteam unter der Leitung von Sun Jian und Ge Qingjie vom Dalian Institute of Chemical Engineering der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (DIC) einen neuen Prozess für die effiziente Umwandlung von CO2. Durch die Entwicklung eines neuartigen multifunktionalen Verbundkatalysators erreichten sie die erste direkte Hydrierung von CO2 zur Erzeugung von hochoktanigem Benzin. Die Forschungsergebnisse wurden am 2. Mai in der britischen Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht, und der zugehörige Prozess sowie die Katalysatormaterialien wurden patentiert. Diese Arbeit wurde von Fachkollegen als „Durchbruch im Bereich der CO2-katalytischen Umwandlung“ gefeiert.
In der Natur nehmen Pflanzen CO2 aus der Luft auf und wandeln es durch Photosynthese in organische Substanz und Sauerstoff um – ein langsamer Prozess, der Chemiker dazu inspiriert hat, das chemische Recycling von CO2 zu erforschen. Dies würde auch die Abhängigkeit von herkömmlichen fossilen Energiequellen verringern.
Die Aktivierung und selektive Umwandlung von CO2 bleiben jedoch große Herausforderungen. Im Vergleich zu seinem reaktiveren Gegenstück, dem Kohlenmonoxid (CO), sind CO2-Moleküle sehr stabil und schwer zu aktivieren. Traditionelle Methoden wie der Fischer-Tropsch-Prozess führen oft zu kleinen Molekülen wie Methan, Methanol und Ameisensäure anstelle von langkettigen flüssigen Kohlenwasserstoffkraftstoffen, was die direkte Produktion von Benzin erschwert.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwarf das Forscherteam kreativ einen effizienten und stabilen multifunktionalen Verbundkatalysator. Durch die synergistische Katalyse mehrerer aktiver Zentren erreichte der Katalysator unter nahezu industriellen Produktionsbedingungen eine geringe Selektivität für Methan und Kohlenmonoxid und eine Selektivität von 78% für Benzinfraktion-Kohlenwasserstoffe unter den Kohlenwasserstoffprodukten. Dies übertrifft deutlich die in der bisherigen Literatur berichteten Ergebnisse. Darüber hinaus bestanden die Benzinfraktionen hauptsächlich aus hochoktanigen Isoparaffinen und Aromaten, was den Zusammensetzungsanforderungen des nationalen V-Standards für Benzol, Aromaten und Olefine entspricht.
Der Katalysator zeigte zudem eine gute Stabilität und konnte über mehr als 1.000 Stunden kontinuierlich betrieben werden, was sein Potenzial für eine praktische Anwendung unterstreicht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Katalysatoren enthält dieser Katalysator drei kompatible und komplementäre aktive Zentren (Fe3O4, Fe5C2 und saure Zentren).
Das CO2-Molekül wird in einem dreistufigen Tandemprozess über das sorgfältig konstruierte dreikomponentige aktive Zentrum umgewandelt. Zuerst wird CO2 auf dem Fe3O4-Aktivzentrum durch eine inverse Wasser-Gas-Shift-Reaktion zu CO reduziert. Das dabei entstehende CO wird dann auf dem Fe5C2-Aktivzentrum durch eine Fischer-Tropsch-Reaktion in ein Alpha-Olefin umgewandelt. Schließlich wandert das Olefin-Zwischenprodukt zum sauren Zentrum im Molekularsieb, wo es oligomeriert, isomerisiert und aromatisiert wird, um selektiv benzintaugliche Destillat-Kohlenwasserstoffe zu erzeugen.
Die präzise Kontrolle der Struktur und räumlichen Anordnung dieser drei aktiven Zentren ist der Schlüssel zur erfolgreichen Hydrierung von CO2 zu Benzin. Diese Technologie eröffnet nicht nur neue Wege zur Erforschung der CO2-Hydrierung zu flüssigen Brennstoffen, sondern bietet auch innovative Möglichkeiten zur Nutzung intermittierender erneuerbarer Energiequellen (Wind, Solar, Wasser usw.). Neben der Reduzierung von CO2-Emissionen bietet dieser neue Prozess erhebliche wirtschaftliche Vorteile.
Publikationen: Direkte Umwandlung von CO2 in einen Benzinkraftstoff
Industrielle Massenproduktion
Laut einem Bericht in China News vom 4. März hat das Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (DICP) angekündigt, dass die weltweit erste Pilotanlage zur Hydrierung von Kohlendioxid zu Benzin, mit einer jährlichen Produktionskapazität von 1.000 Tonnen, erfolgreich in Zusammenarbeit mit Zhuhai Fusheng Energy Technology Co. entwickelt wurde.
Das Team arbeitet seit 2017 an der Industrialisierung dieser Technologie, und im Jahr 2020 schlossen sie den Bau einer 1.000-Tonnen-Pilotanlage im Zoucheng Industrial Park in der Provinz Shandong ab. Seitdem haben sie verschiedene Tests durchgeführt, einschließlich Inbetriebnahme, regulärem Betrieb und Optimierung der Industriedaten.
Im Oktober 2021 organisierte die China Petroleum and Chemical Industry Federation eine Vor-Ort-Bewertung der Anlage. Die Bewertung ergab, dass die Einheit den Verbrauch von Rohwasserstoff und Kohlendioxid erheblich reduziert, einen niedrigen Gesamtenergieverbrauch des Prozesses aufrechterhielt, umweltfreundliches und sauberes Benzin produzierte und die Leistungs- sowie Ausgabetoleranzen erfüllte. Ein Test durch Dritte ergab, dass das produzierte Benzin einen Oktanzahlwert von über 90 aufwies und einen Destillationsbereich sowie eine Zusammensetzung besaß, die den National-VI-Standards entsprechen.
Am 4. März 2022 bestand die Technologie eine weitere Bewertung durch den Ausschuss für wissenschaftliche und technologische Errungenschaften der Organisation in Shanghai. Die Experten des Bewertungsgremiums kamen einstimmig zu dem Schluss, dass die CO2-Hydrierung zu Benzin die weltweit erste ihrer Art sei, über vollständig unabhängige geistige Eigentumsrechte verfüge und eine weltweit führende Leistung darstelle.
Überraschende Höhepunkte
Der in diesem Prozess verwendete Katalysator ist relativ einfach herzustellen, und die Rohstoffe sind kostengünstig: FeCl3, FeCl2, NaOH und ein gängiges Molekularsieb. Dies macht ihn weitaus kosteneffizienter im Vergleich zu den ausgefeilten Katalysatoren, die üblicherweise in der wissenschaftlichen Literatur diskutiert werden. Das Team hat außerdem Mechanismen vorgeschlagen, durch die alle drei Reaktionsschritte durch Anpassung der Katalysatorzusammensetzung feinabgestimmt werden können. In Zukunft könnte eine bessere Selektivität mit der Verwendung geeigneter Molekularsiebe erreicht werden, was möglicherweise die Synthese anderer wertvoller Produkte ermöglicht.
Die Leistung dieses Materials erfüllt jedoch nicht vollständig die anfänglich hohen Erwartungen, und die Umwandlungsraten bei H2/CO2=3 sind nicht besonders beeindruckend. Dennoch ist sein Anwendungswert unbestreitbar. Bemerkenswert ist, dass die Selektivität für C5-C11-Produkte zwischen 70% und 80% konstant bleibt, wobei eine stabile Produktfraktionierung erreicht wird. Das System zeigt zudem eine Langzeitstabilität, die die Grundanforderungen für industrielle Anwendungen erfüllt.
Der bedeutendste Beitrag dieser Forschung liegt in ihrer praktischen Anwendung. Während sich ein Großteil der aktuellen CO2-Reduktionsforschung noch auf Laborexperimente konzentriert, oft unter Einsatz von Edelmetallen zur Erreichung höchster Effizienz, verfolgt diese Studie einen anderen Ansatz. Anstatt die Effizienz um jeden Preis zu maximieren, wird ein relativ kostengünstiger Katalysator eingesetzt. Dieses Papier kehrt zum Kern der CO2-Reduktionstechnologie zurück, indem es unter industriellen Bedingungen eine angemessene Umwandlung und Selektivität erzielt.
Die Bedeutung der CO2-Hydrierung zu Benzin
Viele Menschen fragen sich vielleicht, warum wir CO2 in Benzin umwandeln sollten, nur damit das Benzin verbrannt wird und wieder zu CO2 wird. Es mag den Anschein erwecken, dass viel Energie vergeblich aufgewendet wird, um Dinge hin und her zu konvertieren, wenn das Endergebnis dasselbe CO2 ist.
Um ehrlich zu sein, dachte ich dasselbe, als ich mich zum ersten Mal mit diesem Thema befasste. Mit fortschreitender Forschung wurde mir jedoch klar, dass dieser Prozess tatsächlich viel Sinn macht.
1. Energiespeicherung.
Es gibt viele Regionen auf der Welt, in denen Wind- und Solarenergie hervorragend für die Entwicklung geeignet sind. Allerdings sind Wind- und Solarenergie intermittierend und instabil, was sie für eine direkte Netzeinbindung weniger ideal macht. Die Energie, die für die Umwandlung von CO2 in Benzin benötigt wird, kann aus diesen erneuerbaren Quellen gewonnen werden. In diesem Zusammenhang können Wind-, Solar- und Industrieabfallstrom – die nicht direkt genutzt werden können – verwendet werden, um diese Reaktion anzutreiben. Dieser Punkt wird auch in der Arbeit erwähnt.
Obwohl der Prozess der Umwandlung von CO2 und Wasserstoff in Benzin von Natur aus ineffizient ist, verbessert sich seine Machbarkeit im industriellen Maßstab, wenn man ihn im Kontext der Absorption von überschüssiger Elektrizität betrachtet. Dieser Energiewandlungsweg wird in gewisser Weise mit einer Spitzenlastquelle im Netz verglichen, wie etwa einem Pumpspeicherkraftwerk, bei dem kostengünstiger Strom während der Nebenzeiten in wertvolleren Strom während der Spitzenlast umgewandelt wird. Aus der Perspektive des Kraftwerks allein mag dies nicht kosteneffizient erscheinen, doch unter Berücksichtigung der gesamten Netzlast und der Unterschiede zwischen Spitzen- und Talzeiten wird es wirtschaftlich rentabel.
Auf größerer Ebene ist die industrielle Kette aus Windenergie + Kohlenstoffabscheidung + CO2-Hydrierung zu Benzin sinnvoll. Wenn diese Technologie, die es uns ermöglicht, verfügbares Wasser und CO2 in Benzin umzuwandeln, realisiert werden kann, könnte jede Solar- und Windkraftanlage effektiv zu einem Ölfeld werden.
2.Reduzierung der Ausbeutung fossiler Brennstoffe:
Der Zyklus von CO2 zu Benzin zu CO2 hält CO2 innerhalb des Kohlenstoffkreislaufs und verringert somit den Bedarf an der Ausbeutung bestehender fossiler Energiequellen. Gleichzeitig kann dieser Prozess einen Teil (wenn auch nur einen kleinen Teil) des Energiebedarfs decken.
3. Anwendung in spezifischen Situationen:
In bestimmten Szenarien ist die Umwandlung von CO2 besonders notwendig. Zum Beispiel ist es in begrenzten Umgebungen wie in Atom-U-Booten, in denen CO2 kontrolliert werden muss, möglich, CO2 mit Peroxiden in Sauerstoff umzuwandeln. Mit aufkommenden Technologien, die eine Umwandlung von CO2 in Methanol oder sogar Benzin ermöglichen, wird die Umwandlung von CO2 in einen Brennstoff zu einer praktikablen Lösung. In solchen Fällen, in denen CO2 umgewandelt werden muss, wird der Kostenfaktor zu einem sekundären Anliegen.
