DE102014016894A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung gasförmiger Kohlenstoffverbindungen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffes durch Reduktion von CO2, bei dem man CO2 mit Hilfe einer direkt geheizten Elektrode zu einem Kohlenwasserstoff reduziert. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens, ein entsprechendes Kraftwerk und ein dieses Kraftwerk und ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor umfassendes System. Die Verfahren und Vorrichtungen können z.B. als Mikro-Energie-System für dezentralisierte Energieversorgung eingesetzt werden.

Description

  • Kurzbeschreibung des Antrags für die Geschäftsleitung
  • Unsere Vision – Unabhängigkeit, Dezentralisierung und kommerzielle Rentabilität
  • In den nächsten 5 bis 7 Jahren kann, durch unsere Lösung, jeder Haushalt zu einer CO2-freien Wirtschaft beitragen und energetische Unabhängigkeit von externen Gas- oder Energie-Lieferungen zur Heizung von Wohnungen oder Gebäuden erreichen. Dies wird durch die Verwendung alternativer Brennstoffe und energieeffizienter Energiespeichersysteme erreicht werden, die auf Nutzung von Ansätzen der Umwandlung von CO2 zu Chemikalien beruhen.
  • Für dieses Ziel ist jedoch eine strukturelle Änderung existierender Infrastruktur nicht nötig. Tatsächlich wird unsere System kompatibel mit existierenden Heizungssystemen sein und Edukte verwenden, welche in großem Maße zu geringen Kosten verfügbar sind: Umgebungsluft, Wasser, und überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen.
  • Erstrebtes Ergebnis des Projekts – ein Mikro-Energie-System für dezentralisierte, häusliche Verwendung
  • Nicht nur für die Eigentümer von Eigenheimen, die unabhängiger von der zentralisierten Energieversorgung sein wollen und ihr existierendes erneuerbares Energie-System (renewable energy system, RES) in einer Umgebung mit ungewissen Preisen und Anreizen rentabler machen wollen, ist das Projektergebnis ein Mikro-Energie-System (MES), welches dabei hilft, die überschüssige Energie des RES zu speichern und die Versorgung mit Energie hauptsächlich zum Heizen in kleinem Maßstab sicherzustellen. Im Gegensatz zu anderen CO2-Nutzungen und Energie zu X Speicher-Strategien ist diese Anwendung besonders für häusliche Anwendungen geeignet, da sie bei milden Umgebungsbedingungen läuft (kein hoher Druck, keine hohen Temperaturen). Durch die Selektivität des grundlegenden neuen elektro-enzymatischen Ansatzes besteht kein Bedarf für die elektrolytische Herstellung von H2. Tatsächlich können alle Edukte direkt aus der Umwelt verwendet werden (Umgebungsluft, Leitungswasser).
  • Ziel des Projekts ist es, dass prototypische System, welches in seiner Klasse das erste ist, in einem Pilotmarkt zu validieren. Dies zu erreichen, ist eine Voraussetzung für eine breite nicht-exklusive IP-Kommerzialisierungs-Strategie, die nach dem Projekt (Fachpartner) relaisiert wird. Für dieses Ziel nutzen wir die aktuelle Marktposition von NELBO Ltd (BLG/SME), einem Entwickler von Heizkosten-Zuordnungs-Technologie und Dienstleistungsanbieter mit Zugang zu mehr als 65000 privaten Kunden in Bulgarien. Das integrierte prototypische System wird nach allen relevanten Standards der Sicherheit und Verwendbarkeit von Tecnalia (ESP/SME) entworfen und hergestellt. Die Kernexpertise bei Optimierung des elektrochemischen Reaktors wurd durch Gensoric GmbH (GER/SME) repräsentiert, ein Unternehmen mit mehr als 15 Jahren Erfahrung in diesem Gebiet der Elektrochemie an direkt geheizten Elektroden. Sie werden durch den Subumternehmer Ehrfeld Mikrotechnik, ein 100% Bayer Technologies Subunternehmen, welches in dem Entwurf und Maßstabsvergrößerung von Mikro-Reaktor-Technologie erfahren ist, unterstützt. Die Expertise zu den kataytischen Reaktionen (elektro-bio katalytisch und elektro-katalytisch) wird durch Fraunhofer-IGB (GER/R&D) – Projektgruppe BioCats zur Verfügung gestellt. In dem Projekt ist die elektro-biokatalytische Konversion von CO2 und Elektrizität durch eine Kaskade enzymatischer Reaktionen zu Methanol der Schlüsselprozess. Das erhaltene Methanol wird als Brennstoff für das Heizungssystem verwendet. Keine externe Speicherung oder Infrastruktur ist nötig.
  • Kommerzielle Rentabilität
  • Für den Endverbraucher wird unser System eine attraktive Alternative zu zentralisierter Gas- oder Energieversorgung. Die angestrebte jährlichen Kostenstruktur für das System und Verbrauchsmaterialien sollten vergleichbar mit den Kosten für jährlichen Gasverbrauch sein (Referenz 10 Ct / KwH Erdgas in Deutschland in ca. 5–10 Jahren). Zusätzlich ermöglicht unsere Lösung die effiziente Speicherung von Energie, die durch erneuerbare Quellen (wie solar) hergestellt wurden.
  • Für den Vertreiber, also strategische Partner bietet der Bedarf an wiederkehrenden Käufen von Verbrauchsmaterial (Enzymreaktor) neben dem Einzelverkauf des MES ein attraktives Verkaufspotential, welches 1 Milliarde € p.a. in Deutschland übersteigt.
  • Neue Technologie
  • Der Kern des geplanten Produkts ist die Kombination bewährter Technologien: Gensoric hat seine eigene Plattform-Technologie der Elektrochemie an direkt geheizten Elektroden bereits mehr als fünf Jahre im Vertrieb (TRL = 9). Die elektro-enzymatischen Reaktionen zur Konversion von CO2 zu Methanol stellen einen innovativen Weg dar, welcher bei der Fraunhofer IGB /AG Biokat die letzten fünf Jahre erforscht und optimiert wurden, wobei die Technik fertig zur Demonstration von Prototypen und Verbesserung in einer relevanten Umgebung ist (TRL = 5).
  • 1 Ausmaß des Projekts – das erste System der Klasse, validiert in einem Pilotmarkt.
  • 2 Geplantes Ergebnis der Projektaktivität: Verbesserung der Enzymproduktivität und Stabilität
  • 3 Kerntechnologie – Elektro-Enzymatischer Reaktor, in dem CO2, H2 aus H2O und Elektrizität in hochwertige Brennstoffe wie CH3OH (Methanol) umgewandelt wird
  • Projektbeschreibung
  • Entwicklungsaktivitäten in der Schlüsseltechnologie I – Elektro-enzymatische Reaktionen
  • Unsere Schlüssel-Reaktion wird die elektrochemische Bildung eines organischen C1-Moleküls wie Methanol (CH3OH) in einer enzymatischen Kaskade über mehrere Schritte, ausgeführt an leitenden und direkt geheizten Elektroden.
  • Schema 1: Schlüssel-Reaktion (kaskadierende elektro-biokatalytische Reduktion)
    Figure DE102014016894A1_0002
  • Dieser Ansatz ist wegen der folgenden Merkmale neu:
    • – Milde Bedingungen – kein hoher Druck oder hohe Temperaturen nötig
    • – Hohe Selektivität • Keine Reinigung / Konzentration von Strömungen von Umgebungsluft mit hohem Volumen • Keine Elektrolyse bei H2O-Umwandlung, um H2 direkt aus Wasser zu bilden (wobei O2 entsteht)
    • – Höhere Reaktionsgeschwindigkeit, höhere Umsätze ohne Degradierung von Enzymen durch Verwendung von direkt geheizten Elektroden
    • – Direkte Kontrolle des Umsatzes und der Enzymaktivität durch integrierte elektrochemische Umsatz- und Temperatur-Messungen.
  • Diese Merkmale unterscheiden unseren Ansatz von weiteren CO2-Nutzungstechniken und machen ihn passend für Anwendungen in kleinem Maßstab.Ein Überblick über zusammenwirkende Techniken wird in Tabelle 1 unten gegeben. Tabelle 1: Überblick über eixtierende CO2-Nutzungstechniken
    Name Kurze Beschreibung Anwendungen Nachteile
  • Schlüsselaktivitäten in diesem Projekt zielen auf die Verbesserung der Enzym-Erträge und Stabilität ab, d.h. Verlängerung der Lebensdauer. Der aktuelle Status und geplante Ergebnisse sind in 2 unten gezeigt.
  • Die geplanten Aktivitäten, um diese Ziele zu erreichen, sind
    • – Verbesserte Enzymstabilität und Aktivität (um Faktoren von je 100 und 30)
    • – Verringerte Herstellungskosten des Enzyms (Ziel: < 10 €/g)
  • Ähnliche Verfahren waren in bisherigen Projekten von 3 Jahren Dauer erfolgreich.
  • Es gibt Beispiele von wissenschaftlich erprobten Entwicklungen, bei denen Enzyme durch Verwendung von geheizten Elektroden oder geheizten Reaktionsmedien verbessert wurden.
  • Diese Enzyme sind normalerweise von thermophilen Organismen abgeleitet und katalysieren die Teilreaktion innerhalb des NADH-Cyclus [McPherson, I. J. und Vincent, K. A.; Electrocatalysis by hydrogenases: lessons for building bio-inspired device. Journal of the Brazilian Chemical Society, 2014].
  • Entwicklungsaktivitäten in der Schlüsseltechnologie II – Elektro-enzymatischer Reaktor
  • Die Schlüssel-Reaktions-Kaskade wird in einem speziell entworfenen Reaktor ausgeführt. Wegen unseres geplanten Wirtschaftsmodells ist das Hauptziel in diesem Projekt die Entwicklung und Realisierung eines Einweg-Elektro-enzymatischen Reaktors auf kosteneffiziente Art (Zusammenbau, Platzierung der Enzyme, Verdrahtung).
  • Der Reaktor wird direkt geheizte Elektroden umfassen, auf denen die Enzyme auf eine Art immobilisiert sind, dass Elektronen von der elektrischen Energiequelle zu der elektro-biokatalytischen Reaktion transferiert werden können. Dies wird durch Verwendung von Elektroden mit großer Fläche im Becherglas oder durch Modifizierung der Innenseite der Röhren-Reaktoren erreicht.
  • Entwicklungsaktivitäten in der Schlüsseltechnologie III – Systemintegration
  • Entsprechend dem Gesamtziel des Projekts werden die Schlüsseltechnologien in ein alleinstehendes System integriert, welches in existierende häusliche Heizungs-Infrastruktur integriert werden kann. Die Entwicklungsaktivitäten für System-Design, Nutzbarkeit und Sicherheit (ISO Standard) werden hauptsächlich durch Tecnalia in zusammenarbeit mit Nelbo, Gensoric und Fhg-IGB durchgeführt werden.
  • Die grundlegende Funktion der Systems: eine optimierte Enzym-Kaskade ist dazu in der Lage, x Gramm Produkt innerhalb von y Stunden unter Verwendung von z Milligramm Katalysator zu produzieren. Es ist unser Ziel, 5 kg Methanol pro Tag zur Verwendung in existierender Infrastruktur, so wie Heizungssystemen, zu produzieren. Wegen der Komplexität der Maßstabsvergrößerung biokatalytischer Reaktionen werden wir uns auf eine diskrete Strategie zur Maßstabsvergrößerung fokussieren: „einfach“ die Anzahl an parallel laufenden (Einweg) elektro-biokatalytischen Reaktoren erhöhen. Gemäß aktueller Entwürfe sind 1000 parallele Reaktoren dazu in der Lage, die angestrebte Menge von Energie / Brennstoff pro Tag herzustellen.
  • Das Reaktions-Medium wird von dem Produkt Methanol z.B. durch Nutzung eines Pervaporations-Verfahrens abgetrennt. Das Reaktionsmedium wird in einem Kreislauf gepumpt, während das Methanol innerhalb der Vorrichtung produziert und gelagert wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • McPherson, I. J. und Vincent, K. A.; Electrocatalysis by hydrogenases: lessons for building bio-inspired device. Journal of the Brazilian Chemical Society, 2014 [0019]

Claims (18)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffs durch Reduktion von CO2, Schritte umfassend, bei denen man CO2 mit Hilfe einer direkt geheizten Elektrode zu einem Kohlenwasserstoff reduziert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion enzymatisch erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion in mehreren Schritten durchgeführt wird, wobei die Reduktion bei mindestens einem, bevorzugt allen, Schritten durch ein Enzym katalysiert wird, welches mit einer direkt geheizten Elektrode assoziiert ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, bevorzugt alle Schritte von Enzymen katalysiert werden, welche jeweils mit einer Elektrode assoziiert sind, die auf eine für die jeweilige Reaktion optimale Temperatur direkt geheizt ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, bevorzugt alle Schritte von Enzymen katalysiert werden, welche mit der gleichen direkt geheizten Elektrode assoziiert sind.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion in mehreren Schritten durchgeführt wird, wobei die Reduktion bei mindestens einem, bevorzugt allen, Schritten jeweils durch ein Enzym katalysiert wird, welches dabei einen Cofaktor oxidiert, der an einer direkt geheizten Elektrode regeneriert wird, wobei der Cofaktor ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend NADH, NADPH, und FADH.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion durch Formiatdehydrogenase, Aldehyddehydrogenase und/oder Alkoholdehydrogenase katalysiert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass CO2 durch eine Carboanhydrase zu Bicarbonat umgewandelt wird, wobei die Carboanhydrase optional mit einer direkt geheizten Elektrode assoziiert ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion nicht-enzymatisch an einer geheizten Elektrode abläuft, wobei das die Elektrode bevorzugt ein Material umfasst, welches ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Platin, Kupfer, Titan, Ruthenium und Kombinationen davon.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die direkt geheizte Elektrode als Spirale oder Helix oder Netz oder Fläche geformt ist.
  11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die direkt geheizte Elektrode aus einem Elektrodenmaterial besteht, welches ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Kohlenstoff, insbesondere Glaskohle oder Graphit, einem Edelmetall, insbesondere Gold oder Platin, einem optisch transparenten leitfähigen Material, insbesondere indiumdotiertem Zinnoxid, Kupfer, Edelstahl und Nickel.
  12. Vorrichtung, in der ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche abläuft, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus zwei Elektroden sowie einer Membran zur Trennung der anodischen und kathodischen Reaktion besteht.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl an Reaktionsgefäßen parallel geschaltet werden und in Summe das Reaktionsprodukt erzeugen.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Einweg – bzw. recycelbarer Reaktor aufgebaut ist und genutzt wird.
  15. Vorrichtung zur Herstellung eines Kohlenwasserstoffs durch Fixierung von CO2, umfassend a) eine direkt geheizte Elektrode, mit der bevorzugt mindestens ein Enzym assoziiert ist, welches einen Schritt der Reduktion von CO2 zu einem Kohlenwasserstoff katalysieren kann, oder mit der bevorzugt mindestens ein Cofaktor assoziiert ist, der mit einem Enzym zusammenwirken kann, welches einen Schritt der Reduktion von CO2 zu einem Kohlenwasserstoff katalysieren kann, und b) eine Vorrichtung zum Einleiten von gasförmigem CO2, welche dafür geeignet ist, das CO2 in einen Reaktionsraum einzubringen, in dem es mit der direkt geheizten Elektrode in Kontakt treten kann.
  16. Kraftwerk zur Bereitstellung von Energie in Form von Strom und/oder einem Kohlenwasserstoff, umfassend i) eine Energiequelle, bevorzugt eine regenerative Energiequelle basierend etwa auf Photovoltaik, ii) die Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die für die Herstellung von einem Kohlenwasserstoff notwendige Energie aus der Energiequelle i) stammt, iii) einen Kohlenwasserstoff-Speicher, und iv) optional, eine Kohlenwasserstoff-Brennstoffzelle zur Produktion von Strom, oder v) optional eine Vorrichtung zur Verbrennung von Kohlenwasserstoff zur Herstellung von Warmwasser bzw. Wärmeenergie für das Heizen von Gebäuden oder Wohungen.
  17. System aus einem Kraftwerk nach Anspruch 16 und einem Fahrzeug ausgewählt aus der Gruppe umfassend Auto, Bus und Motorrad, wobei das Fahrzeug mit einem Motor ausgestattet ist, der für die Verbrennung von einem Kohlenwasserstoff, bevorzugt, Methanol, geeignet, bevorzugt optimiert, ist.
  18. Verfahren, Vorrichtung, Kraftwerk oder System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Methanol und Methan und Ameisensäure und Formaldehyd.
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