3D-Druck für synthetische Kraftstoffe
Im deutsch-griechischen Forschungsprojekt Prometheus nutzen Wissenschaftler und Unternehmen den 3D-Druck, um synthetische Kraftstoffe effizenter und kostengünstiger herzustellen.
TEXT Kristina Simons

n der griechischen Mythologie bringt Prometheus den Menschen das Feuer und damit die notwendige Energiequelle für die Zivilisation. Das deutsch-griechische Forschungsprojekt Prometheus geht in eine ähnliche Richtung: Es will die Energieversorgung verbessern. „Mit dem Unterschied, dass wir kein Feuer mehr entfachen, sondern CO2 als Rohstoff verwenden“, sagen Projektleiter Wilhelm A. Meulenberg vom Forschungszentrum Jülich und Wolfgang Kollenberg, Gründer und Geschäftsführer der WZR ceramic solutions GmbH. Auf griechischer Seite sind die Aristoteles-Universität Thessaloniki und das Mineralölunternehmen Hellenic Petroleum (HELPE) mit dabei.

Das Prometheus-Projekt nutzt die Co-Elektrolyse, ein sehr effizientes Power-to-X-Verfahren, bei dem aus klimaschädlichem CO2 und Wasser mithilfe von Strom aus Erneuerbaren chemische Verbindungen wie Methan, Methanol oder Synthesegas hergestellt werden. Sie können als Ausgangsrohstoffe für die Produktion synthetischer Kraftstoffe genutzt werden, mit denen Benzin- und Dieselautos, Lkw, Flugzeuge und Schiffe klimaneutral unterwegs sein können. Zugleich lassen sich die chemischen Verbindungen gut transportieren und als Energiespeicher im Gasnetz nutzen, um die schwankende Erzeugung von Wind- und Sonnenenergie auszugleichen. In einem der Kopernikus-Projekte für die Energiewende, dem Projekt P2X, wird die Co-Elektrolyse entwickelt, genauer gesagt: die Hochtemperatur-Co-Elektrolyse. Dabei wird Kohlendioxid 700 bis 900 Grad heißem Dampf zugeführt und so erstmals grünes Synthesegas hergestellt. Federführend sind die RWTH Aachen, das Forschungszentrum Jülich und die Dechema.

Maßgeschneidert mit 3D-Druck
Aus fossilen Brennstoffen wird Synthesegas schon seit Jahrzehnten hergestellt. Die Co-Elektrolyse von CO2 kann jedoch im Vergleich dazu die Treibhausgasemissionen signifikant reduzieren. Zudem ist das Endprodukt bereits weitgehend frei von Schwefel- und Stickstoffkomponenten, die bei Gasgemischen aus fossilen Brennstoffen vor der Weiterverarbeitung erst aufwendig entfernt werden müssen. Synthetische Kraftstoffe kosten derzeit noch mehr als ihre fossilen Pendants. Doch auch diesbezüglich ist die Co-Elektrolyse vielversprechend: Sie kann die Herstellungskosten senken. Das Verfahren steckt allerdings noch in den Kinderschuhen. Im Projekt Prometheus arbeiten die Jülicher Forscher mit ihren Verbundpartnern derzeit daran, die Co-Elektrolyse noch effizienter und kostengünstiger zu machen. „Die Effizienz des Verfahrens hängt von mehreren Faktoren wie der Membrandicke, der Oberflächenaktivität und der Porosität des Trägermaterials ab“, erläutert Meulenberg. „Die wollen wir im Projekt optimieren.“ Mithilfe spezieller 3D-Druckverfahren arbeiten die Forschungspartner an einem Membranreaktor zur Herstellung synthetischerKraftstoffe mit einer extradünnen keramischen Membran. Denn je dünner sie ist, desto besser ist der Durchfluss und desto mehr Wasserstoff lässt sich herstellen. Mit zehn bis 50 Mikrometern ist die Membran gerade mal halb so „dick“ wie ein menschliches Haar. Für die notwendige mechanische Stabilität wird die Membranschicht auf ein dickeres, poröses Trägermaterial aufgebracht. Hier kommt WZR ins Spiel, dessen 3D-Keramik-Druckverfahren es möglich macht, einen Träger mit maßgeschneiderter und für den Gastransport optimierter Porenstruktur herzustellen. „Mit herkömmlichen Verfahren lassen sich solche Strukturen nur schwer oder nur mit hohen Kosten realisieren“, sagt WZR-CEO Kollenberg. „Die 3D- beziehungsweise Additiven Verfahren bieten hingegen bisher unbekannte Freiheiten bei der Fertigung komplexer Bauteile.“ Mit keinem anderen Prozess könne das Gefüge keramischer Werkstoffe lokal so modifiziert und den funktionalen Anforderungen an ein Bauteil exakt angepasst werden. „Dadurch, dass wir für die Trägerstruktur mit Keramik ein preiswertes, umweltfreundliches Material verwenden, sinken zudem die Kosten.“

„Die Materialkosten sind
niedriger, da es beim
3D-Druck keinen Verschnitt oder Abfall gibt.“
Wilhelm A. Meulenberg,
Projektleiter bei der WZR ceramicsolutions GmbH
Die Langfassung des Projekttitels lautet übrigens
„Proton andoxygen co-ionic conductors for CO2/H2O
co-electrolysis and intermittent RES conversion to
methanol and other chemicals towards EU sustainability“
.
Das Projekt wird auf deutscher Seite vom Bundes-
ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund
350.000 Euro gefördert.
Mehr Effizienz, weniger Kosten
„Im Unterschied zur Hochtemperatur-Co-Elektrolyse können die im Prometheus-Projekt entwickelten keramischen Co-Elektrolysezellen bei Temperaturen von 250 bis 600° Celsius eingesetzt werden“, ergänzt Meulenberg. Zudem sei der Prozess mit keramischen Zellen, die hohe Temperaturen ertragen können, auch deshalb besonders effizient, weil durch die Reaktion Wärme freigesetzt werde. Der Membranreaktor des Prometheus-Projekts ermöglicht es zudem, synthetische Kraftstoffe und Chemikalien in nur einem Schritt und damit kostengünstiger herzustellen – andere Verfahren benötigen mehrere Prozessschritte. Perspektivisch kann das 3D-Verfahren somit auch synthetische Kraftstoffe günstiger machen. „Die Materialkosten sind niedriger, da es beim 3D-Druck keinen Verschnitt oder Abfall gibt. Außerdem reduzieren die dünnen Schichten auf einem optimierten Träger die Kosten für die Co-Elektrolysezellen, weil diese effizienter arbeiten, also weniger Zellen für die gleiche Menge an produzierten Kraftstoffen oder Energieträgern benötigt werden“, sagt Meulenberg. Ein weiterer Vorteil des 3D-Drucks sei es, so Kollenberg, dass bei diesem Herstellungsverfahren Geometrien und der Aufbau der Zellen schnell verändert werden können. „Dadurch lassen sich neue Erkenntnisse und sonst oftmals zeitintensive technische Lösungen in kürzester Zeit umsetzen.“ Das Prometheus-Projekt ist im März 2018 gestartet und läuft noch bis Ende Februar 2021. „In der momentanen Projektphase stehen uns Zellen mit einem Durchmesser von 15 Millimetern für erste grundlegende Untersuchungen zur Verfügung, an denen wir die Materialkombinationen testen und die Mikrostruktur weiter verbessern können“, so Projektleiter Wilhelm A. Meulenberg. Zum Projektende wollen die Wissenschaftler dann den Low-Cost-Membranreaktor präsentieren, mit dem sich Methan, Methanol oder Synthesegas herstellen lassen. Das beteiligte griechische Mineralölunternehmen ist mit seiner Erneuerbare-Energien-Sparte HELPE RES ein möglicher Endanwender. Es erstellt für das Projekt eine Machbarkeits- und Umsetzungsstudie.
Komplexer Prozess:
Gas-Trennmembran,
wie sie auch im Projekt
Pometheus
entwickelt wird.