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12 | 2017

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Energie Biosprit aus

Energie Biosprit aus Abfällen Modell des Zeolith-Katalysators. Sprit aus Abfall ist machbar. Doch Biomüll in Treibstoffe umzuwandeln, ist bisher kaum konkurrenzfähig. Zu hohe Temperaturen und zu viel Energie sind nötig. Bislang – denn Forschern der Technischen Universität München ist es nun gelungen, mit Zeolith-Katalysatoren Temperatur und Energiebedarf eines wichtigen Schrittes im chemischen Prozess entscheidend zu senken. Der Trick: Die Reaktion findet auf engstem Raum, im Inneren der Zeolith-Kristalle, statt. Immer mehr Strom wird dezentral erzeugt – durch Windräder, Wasserkraft und Solaranlagen. „Da liegt es nahe, auch die Chemieproduktion zu dezentralisieren“, meint Prof. Johannes Lercher, der an der TU München den Lehrstuhl für Technische Chemie II leitet. „Theoretisch könnte jede Gemeinde ihren eigenen Sprit oder ihren eigenen Dünger herstellen.“ Bisher ist dies nicht möglich, weil chemische Prozesse viel Energie benötigen – mehr als die regenerativen Energiequellen vor Ort liefern. „Wir haben uns daher das Ziel gesetzt, durch neue Prozesse die Voraussetzungen für eine dezentrale chemische Produktion zu schaffen, die durch alternative Energiequellen gespeist werden kann“, erklärt der Chemiker, der in Personalunion Direktor des amerikanischen Institute for Integrated Catalysis an dem Pacific Northwest National Laboratory ist. Eine Grundlage für die Wende in der chemischen Produktion hat sein Team jetzt geschaffen: Im Labor konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass sich mithilfe von Zeolith-Kristallen in wässriger Lösung die zur Spaltung von Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen notwendige Temperatur drastisch senken lässt. Zeolith-Katalysatoren beschleunigen den Prozess darüber hinaus erheblich 1 ). Die Natur als Vorbild Bei der Entwicklung des neuen Verfahrens stand die Natur Pate: In biologischen Systemen sorgen Enzyme, an deren Oberflächen sich kleine Taschen befinden, dafür, dass chemische Prozesse schneller ablaufen. „Wir haben uns überlegt, wie wir diese biologischen Funktionen auf die organische Chemie übertragen können“, erläutert Lercher. „Auf der Suche nach geeig- 1 ) Die Arbeiten entstanden in einer Kooperation des Lehrstuhls für Technische II mit dem Zentralinstitut für Katalyseforschung der TU München und dem Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Sie wurden gefördert mit Mitteln des U.S. Department of Energy (DOE). Ein Teil der NMR-Experimente wurde am Environmental Molecular Science Laboratory (EMSL) des PNNL durchgeführt, dessen National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) auch Rechenzeit für Simulationen zur Verfügung stellte. 40 UmweltMagazin Dezember 2017

Energie Mitarbeiter von Prof. Lerchers Team im Labor des Katalyseforschungszentrums. Dr. Yue Liu, Teresa Schachtl und Daniel Melzer (v.l.n.r.). neten Katalysatoren, die die Reaktion beschleunigen, sind wir auf die Zeolithe gestoßen: Kristalle mit kleinen Hohlräumen, in denen Reaktionen unter ähnlich beengten Verhältnissen ablaufen wie in den Taschen der Enzyme.“ Doch steigert die Enge tatsächlich die Reaktivität? Um diese Frage zu beantworten, verglich Lerchers Team im Labor die Reaktion von Kohlenstoffverbindungen mit Säuren im Becherglas mit der in Zeolithen. Ergebnis: In den engen Hohlräumen der Kristalle, wo reagierende Moleküle, beispielsweise Alkohole, auf Hydronium-Ionen der Säuren treffen, laufen Reaktionen bis zu hundert Mal schneller und bereits knapp über 100 °C mit hohen Raten ab. „Unsere Experimente zeigen, dass die Zeolithe als Katalysatoren eine Wirkung entfalten, die vergleichbar ist mit der von Bilder: Andreas Heddergott / TUM Enzymen: Beide senken das Energieniveau, das für die Reaktionen notwendig ist, ganz erheblich“, so Lercher. „Die katalytische Wirkung wird dabei stärker, je kleiner die Hohlräume sind, in denen die Reaktionen stattfinden. Die besten Ergebnisse haben wir bei Durchmessern von weit unter einem Nanometer erzielt.“ Doch warum macht Enge die Moleküle reaktionsfreudiger? „Die Kraft, die den Reaktionspfad verbessert, ist dieselbe, die dafür sorgt, dass Wachs an der Tischplatte klebt und Geckos an der Decke laufen können“, sagt Lercher. „Je mehr Kontaktpunkte es zwischen zwei Oberflächen gibt, desto größer die Adhäsion. In unserem Experiment werden die organischen Moleküle, die sich in wässriger Lösung befinden, von den Poren der Zeolithe regelrecht angezogen.“ Grafisches Modell des Zeoliths HBEA 150. Im Inneren der Hohlräume haben die Hydronium-Ionen daher eine erheblich höhere Wahrscheinlichkeit, auf einen Reaktionspartner zu treffen, als außerhalb. Das Ergebnis ist eine sauer katalysierte chemische Reaktion, die schneller und mit weniger Energiezufuhr abläuft. Aus Müll wird Sprit Durch den Kontakt mit den Hydronium- Ionen verlieren die organischen Moleküle Sauerstoff. Das Verfahren eignet sich daher gut, um Bio-Öl, das aus organischen Abfällen gewonnen wird, in Treibstoff umzuwandeln. Bis das neue Verfahren in der Praxis eingesetzt werden kann, wird freilich noch einige Zeit vergehen. „Noch arbeiten wir an den Grundlagen“, betont Lercher. „Mit denen wollen wir die Voraussetzung schaffen für eine neue, dezentrale Chemie, die keine großtechnischen Anlagen mehr benötigt.“ Prof. Dr. Johannes Lercher, Technische Universität München, Lehrstuhl für Technische Chemie II, Garching, johannes.lercher@ch.tum.de Bild: Lehrstuhl für Technische Chemie II Sonderdrucke – ein werbewirksames Marketing- und PR-Instrument Ist in einer unserer Fachzeitschriften ein Beitrag von Ihrem Unternehmen erschienen? Dann nutzen Sie doch die Möglichkeit, von diesem Beitrag einen attraktiven Sonderdruck erstellen zu lassen. Sonderdruck aus UmweltMagazin 4/5-2012 Der nac haltige Umgang mit Re sourcen gewi nt in a len Wirtschaftszweigen immer mehr an Bedeutung. In Bund und Ländern gibt es zunehmend Aktivitäten rund um das Thema ressourceneffizientes, also material- und energiesparendes Wirtschaften, dessen Kern der Produktionsintegrierte Umweltschutz (PIUS) ist. Um a len Beteiligten den gleichen Wissensstand zum Themenbereich zu vermitteln, Doppelungen zu vermeiden und Synergien zu nutzen, ist der kontinuierliche Austausch über die Ländergrenzen hinweg eine Grundvoraussetzung. Henning H. Si tel I PIUS: Wissen über Ressourceneffizienz PIUS-Länderkonferenzen: Austausch zum Erfolg das Thema mi tlerweile geworden ist. mi tlung über das Internet werden über Einzelaktivitäten wie beispielsweise das das Angebot der PIUS-Länderkonferenzen, des PIUS-Internet-Portals und der durch das BMU initiierte Netzwerk Ressourcene fizienz sowie die steigende PIUS-Netzwerke unterstützt. Anzahl von Unterstützungsangeboten in diesem Bereich sind ein weiterer Ausdruck dafür, da s dieses Thema ganz oben auf der politischen Agend angekommen ist. und Re sourcene fizienz“ – das ist das „Gemeinsam zu mehr Innovation Mo to der vierten PIUS-Länderkonferenz, die am 15. und 16. Ma in Mainz sta tfinden wird. Mit der Veranstaltung wird der kontinuierliche Dialog über die Ländergrenzen hinweg fortgesetzt, der mit der ersten Konferenz im Dezember 2002 in Duisburg gestartet und 2006 sowie 2009 in Bonn erfolgreich fortgesetzt Ziel a ler Aktivitäten ist die Wirtschaft. Die produzierenden Unterneh- wurde. Der Kreis der Veranstalter hat n Politik und Wirtschaft sowie in Wissenschaft und Forschung wir dem men in Deutschland, insbesondere die sich seit 2002 kontinuierlich vergrößert. In Mainz wird eine Pla tform ge- Thema Re sourcene fizienz ein immer kleinen und mi tleren, mü sen kontinuierlich für das Thema Re sourcenscha fen, auf der Unternehmen, Berater größerer Ste lenwert eingeräumt. Die Gründung der Deutschen Materiale fizienzagentur (demea; 2006) durch das möglichst schne l und aktue fizienz sensibilisiert und Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) e l mit Infos und Unterstützungsangeboten versorgt un der VDI-Zentrum für Re sourcene fizienz GmbH (VDI ZRE; 2009) durch werden, damit in der Praxis das Bundesumweltministerium (BMU) die Chancen für eine gesteigerte We tbewerbsfähigkeit genutzt und Vertreter von Ministerien aus Bund sowie die vielfältigen Aktivitäten auf EU-Ebene zum „Re sourcenschonenden Europa“ sind auf politischer Seite eine Kombination aus der Internet-Nut- von Institutionen die Chance zum per- werden können. Dabei zeigt sich, da s und Ländern, aus der Verwaltung und Beispiele für die große Bedeutung des zung un dem regelmäßigen persönlichen Austausch die besten Chancen cene fizientes Wirtschaften mit Blick sönlichen Austausch haben. Re sour- Themas. Auch die Gründung der „Deutschen Rohsto fagentur“ im Oktober bietet. Sowohl der persönliche Austausch als auch die Informationsver- sende Themenfelder steht dabe im auf Innovationen und zukunftswei- 2010 durch das BMWi zeigt, wie sensibel Mit- • Sonderdrucke werden individuell nach Ihren Wünschen gestaltet • Ihr Logo und Ihre Kontaktdaten können eingefügt werden • Fremdanzeigen und Fremdtexte werden entfernt • Sonderdrucke sind kostengünstig und lassen sich vielseitig einsetzen (z. B. auf Ihrem Messestand, für Kunden und Mitarbeiter etc.) Profitieren Sie vom Imagetransfer und dem hohen Renommee unserer Fachzeitschriften. Gerne unterbreiten wir Ihnen ein unverbindliches Angebot. Informieren Sie sich jetzt: Kornelia Grund Telefon: 0211/6103-369, Fax: 0211/6103-300 E-Mail: grund@springer-vdi-verlag.de Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, VDI-Platz 1, 40468 Düsseldorf, Internet: www.springer-vdi-verlag.de

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