Produktion von Ethen aus Recycleströmen und erneuerbaren Kohlenstoffquellen als eine nachhaltige und ökonomische Route zu Grundbausteinen der chemischen Industrie; Akronym: SynGas2Ethene

Abstract

Ausgangssituation und Zielsetzung: Ethen ist eine wichtige Grundchemikalie, die bislang überwiegend durch Steamcracken fossiler Kohlenwasserstoffe hergestellt wird – ein energieintensiver Prozess, der erhebliche CO₂-Emissionen verursacht. Allein in Deutschland ist die Ethenproduktion für rund 3,5 % der industriellen Treibhausgasemissionen verantwortlich. Vor diesem Hintergrund verfolgte das Projekt SynGas2Ethene das Ziel, eine neue, treibhausgas-neutrale Route zu entwickeln, die darüber hinaus aus CO₂-haltigen Recycleströmen und erneuerbaren Kohlenstoffquellen auch den Kreislaufschluss zu Ethen und weiteren kurzkettigen Alkenen ermöglicht. Damit sollte ein zentraler Baustein für die Transformation der Grundstoffindustrie in Richtung Klimaneutralität geschaffen werden.

Projektidee und Vorgehen: Im Projekt wurde ein neuartiges Prozessfenster erschlossen, das auf der Entwicklung innovativer Katalysatoren und optimierter Reaktionsbedingungen basiert. Die Arbeiten konzentrierten sich auf: (i) die Entwicklung von Katalysatoren auf Basis von Ruthenium, Eisen sowie deren Kombination, teils unter Verwendung von Alkalimetall-Promotoren, (ii) die Untersuchung zweier Prozessrouten: eine zweistufige Route mit vorgelagerter Reverse-Water-Gas-Shift-Reaktion (RWGS) und anschließender Alkensynthese, oder eine einstufige Route mit direkter Umsetzung von CO₂/H₂ unter Fischer-Tropsch-analogen Bedingungen, (iii) den Aufbau und Betrieb eines kontinuierlich betriebenen Reaktorsystems am Lehrstuhl CSC, (iv) die Errichtung einer Pilotanlage bei RWE im Innovationszentrum Niederaußem, (v) ergänzende Prozesssimulationen sowie eine ökologische Bewertung.

Wesentliche Ergebnisse: Katalysatorentwicklung und Tests im kontinuierlichen Betrieb

Die Arbeiten zur katalytischen Umsetzung von CO und CO₂ mit H₂ zu kurzkettigen Alkenen – mit Fokus auf Ethen – im kontinuierlich betriebenen Reaktor zielten auf die Optimierung von Selektivität und Aktivität durch Promotorzugabe sowie durch strukturelle Variation der Katalysatoren. - Ein auf Aluminiumoxid geträgerter, Natrium-dotierter Ru-Fe-Bimetallkatalysator erwies sich als besonders vielversprechend. Er erreichte unter den gewählten Bedingungen CO-Umsätze bis 82 % bei guter Selektivität zu Ethen und anderen kurzkettigen Alkenen. - Die Kombination mit Eisen steigerte sowohl Katalysatoraktivität als auch Selektivität deutlich. - Die Dotierung mit Natriumverbindungen erhöhte die Alkenbildung bei moderaten Temperaturen (250–330 °C), führte jedoch bei höheren Temperaturen zu einer zunehmenden Desaktivierung und verstärkter Methanbildung. - SiO₂-geträgerte Katalysatoren zeigten eine hohe Aktivität und Selektivität, allerdings einhergehend mit verstärkter Bildung höhermolekularer Wachse. - Für Ruthenium-basierte Katalysatoren zeigte sich ein enges Temperaturfenster: Mit steigender Temperatur nahm der Umsatz zunächst zu, oberhalb eines Schwellenwerts dominierte jedoch die Methanisierung.

RWE errichtete eine Pilotanlage im Innovationszentrum Niederaußem und nahm sie in Betrieb. Die Anlage wurde für unterschiedliche Betriebsbedingungen ausgelegt und erlaubt eine detaillierte Produktanalytik. Sie bildet die Grundlage für eine Skalierung der Technologie über den Labor- und Technikumsmaßstab hinaus.

Die ökologische Bewertung verdeutlichte das Potenzial der Technologie: Die heutige Herstellung von Alkenen ist mit erheblichen Treibhausgasemissionen verbunden. Für Ethen entstehen derzeit 1,21 kg CO₂-Emissionen je Kilogramm Produkt (ecoinvent, EU). Bei Propen liegt der Wert bei 1,24 kg CO₂ pro Kilogramm Produkt, bei Misch-Butenen bei 1,28 kg CO₂ pro Kilogramm. In einem idealisierten Zukunftsszenario ergibt ein Cradle-to-Gate-Ansatz auf Basis von Windstrom und CO₂ aus Direct Air Capture eine CO₂-negative Bilanz von bis zu –2,5 kg CO₂-Äquivalent pro kg Ethen. Da die Folgeprodukte am Ende ihrer Lebensdauer zu Synthesegas umgesetzt werden können, trägt die vorgeschlagene Verfahrensroute zu einer durchgehend klimaneutralen Wertschöpfungskette bei.

Zusammenarbeit im Konsortium: Das Projekt wurde von einem Konsortium getragen, das entlang der Wertschöpfungskette aufgestellt war. Heraeus Precious Metals entwickelte und optimierte die Katalysatoren. Rubokat etablierte Schnelltestmethoden zur Bewertung neuer Katalysatoren und setzte diese systematisch ein. RWE Power übernahm den Aufbau und Betrieb einer Pilotanlage im Innovationszentrum Niederaußem und brachte die industrielle Perspektive ein. An der Ruhr-Universität Bochum wurden die Grundlagenuntersuchungen an den Katalysatoren durchgeführt, geeignete Reaktionsfenster identifiziert sowie Prozesssimulationen und Ökobilanzen erstellt. Durch diese enge Zusammenarbeit von Industrie und Wissenschaft gelang es, die Ergebnisse aus dem Labor in Richtung industrieller Anwendung weiterzuentwickeln und die Anschlussfähigkeit der Technologie zu sichern.

Nutzen und Ausblick: Die Ergebnisse von SynGas2Ethene zeigen, dass die Herstellung kurzkettiger Alkene aus CO₂-haltigen Strömen technisch möglich ist und langfristig einen Beitrag zu einer klimaneutralen Produktion chemischer Grundbausteine leisten kann. Mit dem Projekt wurde ein wesentlicher Ansatzpunkt für die nachhaltige Herstellung von Ethen und kurzkettigen Alkenen geschaffen. Auf dieser Grundlage eröffnen sich Perspektiven für die weitere technologische Entwicklung, die schrittweise Skalierung sowie die Einbindung in internationale Forschungs- und Entwicklungsinitiativen.