Wasserstoff aus Glycerin: Mainzer Forscher entwickeln neues Verfahren
Bei der Produktion von Biodiesel fallen Mio. Tonnen Glycerin als Nebenprodukt an. Mainzer Forscher machen daraus Wasserstoff – und einen weiteren begehrten Industrierohstoff.
Prof. Dr. Carsten Streb (l.) und Dr. Soressa Abera Chala vom Department Chemie der JGU haben das neue Elektrolyseverfahren entwickelt, mit dem sich aus Glycerin Ameisensäure und Wasserstoff gewinnen lassen
Foto: Tobias Rios-Studer
Bei der Herstellung von Biodiesel entsteht ein Nebenprodukt im Millionen-Tonnen-Maßstab: Glycerin. Die meisten kennen den Stoff aus Kosmetik oder Lebensmitteln, doch in seiner Rohform ist er dafür nicht ohne Weiteres verwendbar.
Ein Forschungsteam der Universität Mainz hat ein Verfahren entwickelt, um dieses Roh-Glycerin in zwei wertvolle Stoffe umzuwandeln: Wasserstoff und Ameisensäure. Damit lösen die Mainzer womöglich zwei Probleme auf einen Streich: Die Verwertung eines Massenabfalls sowie den Transport von Wasserstoff über weite Strecken.
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4 Mio. t „Abfall-Glycerin“ pro Jahr
Reines Glycerin ist ein begehrter Rohstoff in der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie. Die größte Quelle ist die Biodiesel-Produktion: Bei der sogenannten Veresterung von Pflanzenölen fällt Glycerin im großen Stil an, laut Marktanalysen sind es etwa 4 Mio. t pro Jahr. Und die Tendenz ist stark steigend: Bis 2035 könnte sich das Angebot fast verdoppeln.
Zwar kann die Chemieindustrie das einst als Abfall behandelte Material inzwischen sinnvoll verwerten, doch die Biodieselproduktion wächst weltweit. Das Angebot an Roh-Glycerin steigt mit – und damit auch der Bedarf an zusätzlichen Nutzungsmöglichkeiten.
Wasserstoff und Ameisensäure in einem Schritt
Carsten Streb, Professor für anorganische Chemie an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, hat mit seinem Team eine vielversprechende Lösung entwickelt. Aus dem Roh-Glycerin – chemische Formel C₃H₈O₃ – stellt er per Elektrolyse zwei Produkte gleichzeitig her: Ameisensäure (CH₂O₂) und Wasserstoff (H₂). Der Clou: Das Glycerin muss dafür nicht aufwendig gereinigt werden, wie es für die herkömmliche Nutzung nötig wäre.
Ameisensäure, die früher aus toten Insekten extrahiert wurde, ist ein wichtiger Industrierohstoff. Heute wird sie überwiegend aus Erdgas gewonnen. Dabei fällt CO₂ in großen Mengen an. „Die chemische Industrie könnte mit unserem Verfahren ihren CO₂-Ausstoß verringern“, erläutert Streb.
Ein neuer Katalysator macht es möglich
Das Verfahren funktioniert so: Das Glycerin wird in Wasser gelöst und per Elektrolyse mit grünem Strom aufgespalten.
Chemisch gesehen verliert das Glycerin-Molekül dabei zwei seiner drei Kohlenstoffatome – übrig bleibt Ameisensäure. Den Schlüssel dazu liefert ein neu entwickelter Katalysator aus Kupfer und Palladium.
Theoretisches und experimentelles Know-how steuerte ein Team der National Taiwan University of Science and Technology in Taipeh bei.
Ausstehende Forschungsarbeit
Noch befindet sich die Technologie im Laborstadium: Die aktuelle Anlage arbeitet mit einem Volumen von gerade einmal 50 ml. Doch Streb führt nach eigenen Angaben bereits Gespräche mit Industriepartnern, um auf den Litermaßstab zu skalieren. Ein nächstes Ziel: das teure Edelmetall Palladium im Katalysator durch ein günstigeres Material zu ersetzen, um das Verfahren wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu machen.
In industriellen Anlagen könnte künftig Überschussstrom aus Wind- und Solarkraftwerken genutzt werden, um Glycerin umzuwandeln. Ameisensäure und Wasserstoff ließen sich dann in Strom zurückverwandeln, wenn die Produktion von grünem Strom wetterbedingt nachlässt – eine Art chemischer Energiespeicher.
Ameisensäure als Wasserstofftransporteur
Besonders interessant ist die Rolle, die Ameisensäure beim Transport von Wasserstoff spielen könnte. Industrieländer werden darauf angewiesen sein, große Mengen Wasserstoff aus sonnen- und windreichen Regionen zu importieren. Dafür muss das Gas entweder auf −253° C heruntergekühlt oder unter enormen Druck gesetzt werden. Beides ist extrem energieaufwendig.
Die Alternative: Wasserstoff chemisch an einen Trägerstoff binden und am Zielort wieder freisetzen. Neben Stoffen wie Ammoniak, Methanol oder Dimethylether bietet sich auch Ameisensäure dafür an.
„Aus jedem Liter Ameisensäure lassen sich 53 g Wasserstoff gewinnen“, erklärt Streb. „Das ist mehr Wasserstoff, als in ein Volumen von einem Liter passt, wenn das Gas auf 700 bar verdichtet wird.“ Auch mehr als in einem Liter LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers), einer organischen Trägerflüssigkeit, die ebenfalls als Transportmedium diskutiert wird.
Ungiftig, flüssig, unkompliziert
Im Vergleich zu anderen Wasserstoff-Trägern hat Ameisensäure handfeste Vorteile. Ammoniak, das derzeit als Transportmedium favorisiert wird, ist giftig und ätzend und muss in speziellen Druckbehältern befördert werden. Methanol ist ebenfalls giftig, und die Rückgewinnung von Wasserstoff daraus ist energieintensiv.
Ameisensäure hingegen ist ungiftig und bereits ab 8 °C flüssig. Damit lässt sie sich problemlos in herkömmlichen Tanks transportieren. Die Rückumwandlung in Wasserstoff gelingt mit vergleichsweise geringem Energieeinsatz. Dabei wird zwar CO₂ frei, doch da das Glycerin aus Ölpflanzen stammt, die den Kohlenstoff zuvor aus der Atmosphäre aufgenommen haben, ist der Prozess bilanziell klimaneutral.
Von daher wird es spannend sein zu sehen, wie sich das neue Verfahren aus Mainz zur Verwertung von Glycerin weiterentwickelt. Womöglich rückt Ameisensäure als Wasserstofftransportmedium mit steigender Verfügbarkeit stärker in den Blick und wird damit ein ernstzunehmender Konkurrent für das heute favorisierte Ammoniak.
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