Comment pouvons-nous atteindre les objectifs climatiques convenus au niveau international ? L'Institut Fraunhofer d'ingénierie interfaciale et de biotechnologie IGB produit le gaz à effet de serre CO 2 utilisable comme source de carbone pour l'industrie chimique. Avec une synthèse de catalyseur brevetée, le criblage du catalyseur optimal dans les procédés à haut débit et combinés (électro)chimiques-biotechnologiques, divers concepts sont à la disposition du CO 2 industries émettrices. La plateforme chimique éthylène a déjà été produite avec succès à partir de CO 2 dans un démonstrateur électrochimique d'une surface d'électrode de 130 centimètres carrés.

Une action rapide est nécessaire pour limiter l'augmentation du réchauffement climatique bien en dessous de 2°C, comme convenu dans la Convention-cadre de Paris sur les changements climatiques. Pour le secteur industriel, l'Institut Fraunhofer d'ingénierie interfaciale et de biotechnologie IGB a développé diverses nouvelles solutions technologiques pour l'utilisation du gaz à effet de serre dioxyde de carbone (CO 2 ), qui est généré lors des processus de combustion, comme matière première pour la fabrication de produits chimiques, carburants ou systèmes de stockage d'énergie chimique. "Cela réduit le CO net 2 émissions et préserve les ressources fossiles, " explique Gerd Unkelbach, qui est responsable du domaine d'activité Chimie durable chez Fraunhofer IGB.

Les catalyseurs sont des acteurs clés de la conversion chimique et électrochimique du CO 2 . Ils accélèrent les réactions, mais ne sont pas consommés eux-mêmes. Dans les voitures, par exemple, le catalyseur, " généralement sous forme de métaux précieux tels que le platine, rhodium ou palladium, convertit les substances toxiques dans les gaz d'échappement.

Fraunhofer IGB n'optimise pas seulement les pots catalytiques. "Nous développons également de nouveaux procédés et concevons des usines appropriées pour convertir le CO 2 par voie électrochimique - avec de l'électricité issue d'énergies renouvelables - ou chimiquement; ou nous les combinons avec des procédés biotechnologiques, " dit Unkelbach.

Synthèse de catalyseur optimisée pour la production de méthanol régénératif

Le cuivre métallique joue un rôle majeur en tant que catalyseur dans la synthèse de méthanol régénératif à partir de CO 2 et de l'hydrogène produit par électrolyse. Le méthanol est une matière première chimique polyvalente qui devient également de plus en plus importante pour le secteur de l'énergie, à la fois comme additif de carburant pour les moteurs à combustion et comme vecteur d'énergie dans les piles à combustible. Selon une étude DECHEMA, jusqu'à 1,5 tonne de CO 2 les émissions par tonne de méthanol pourraient être évitées si le méthanol n'était pas synthétisé à partir de matières premières fossiles, mais de CO 2 ou d'autres matières premières régénératives (A.M. Bazzanella, F. Ausfelder, DECHEMA e.V. Étude technologique — Énergie et matières premières à faible teneur en carbone pour l'industrie chimique européenne, DECHEMA, 2017).

Les catalyseurs de synthèse du méthanol sont produits à partir de solutions contenant du cuivre, utilisant aujourd'hui des processus de précipitation complexes sur plusieurs étapes intermédiaires. « Pour économiser de l'énergie, du temps et des ressources lors de la synthèse du catalyseur à l'échelle industrielle, nous avons optimisé le processus pour un fonctionnement continu, " explique le Dr Lénárd Csepei, qui a joué un rôle important dans les travaux de l'agence BioCat de Straubing et a déposé une demande de brevet pour le procédé.

Une autre méthode en instance de brevet pour la synthèse de catalyseurs est basée sur la dissolution de composés métalliques dans des solvants eutectiques profonds. Avec ces méthodes, des catalyseurs de différentes compositions élémentaires peuvent être produits et leur efficacité optimisée, non seulement pour la production de méthanol, mais aussi pour d'autres procédés de synthèse chimique et électrochimique.

À la recherche du meilleur catalyseur à haut débit

Dans tous les procédés de synthèse, la performance du catalyseur est d'une importance clé qui détermine si le produit souhaité peut être produit de manière économique. "L'un des facteurs les plus importants est le rendement le plus élevé possible du produit souhaité. Nous ne voulons pas que des sous-produits soient produits, " explique Csepei. Afin de déterminer quel catalyseur est le mieux adapté à la mise en œuvre en question, les chercheurs de Fraunhofer sélectionnent les candidats possibles dans divers systèmes de réacteurs.

« Dans notre système polyvalent avec quatre tubes réacteurs parallèles, nous pouvons tester des catalyseurs dans différentes conditions de réaction, telles que différents mélanges de gaz de synthèse, pressions et températures - à haut débit, " explique Csepei. Les réactions sont surveillées analytiquement en temps réel afin que les produits résultants puissent être directement quantifiés. Les chercheurs ont conçu et construit un système de réacteur pour tester des catalyseurs à pression atmosphérique. " Nous utilisons cet équipement pour étudier les cascades de réactions ultérieures, c'est-à-dire une reconversion à l'aide de méthodes biotechnologiques, " dit Csepei.

De catalyseur à démonstrateur

Sur la base des catalyseurs optimisés et à titre d'exemple pour le CO 2 conversion, dans le projet phare de Fraunhofer « L'électricité comme matière première », IGB a construit un prototype entièrement automatisé pour la production électrochimique d'éthylène, l'une des matières premières les plus importantes de l'industrie chimique. L'élément central est une cellule électrochimique spécialement développée par IGB. Dans cette cellule, les électrons pour la réduction du CO 2 sont transférés dans un électrolyte aqueux et mis en contact avec le catalyseur et le dioxyde de carbone gazeux au niveau d'une électrode poreuse à diffusion gazeuse.

« Avec ce système, nous produisons de l'éthylène à partir de CO 2 et de l'eau en une seule étape sur une surface d'électrode de 130 cm ² et avec nos propres catalyseurs, " explique le Dr Carsten Pietzka, qui fait des recherches à Stuttgart. "Des résultats comparables pour ce procédé d'électrosynthèse n'ont été obtenus jusqu'à présent qu'à l'échelle du laboratoire, avec des surfaces d'électrodes de quelques centimètres carrés et des catalyseurs qui ne peuvent être produits qu'à petite échelle, ", explique le scientifique. La conception du démonstrateur peut être transférée à d'autres procédés d'électrosynthèse et permet le criblage des matériaux de catalyseur et d'électrode à une prochaine plus grande échelle.

« A partir de 2020, la nouvelle plateforme d'électrolyse Fraunhofer à Leuna nous permettra également de faire évoluer les synthèses électrochimiques à l'échelle industrielle, " ajoute Ulrike Junghans, qui mène des recherches au Fraunhofer Center for Chemical-Biotechnological Processes CBP, la branche Leuna d'IGB. Dans le projet "SynLink", qui est géré par elle et financé par le ministère fédéral allemand de l'économie et de l'énergie, cette plateforme démontrera que les énergies renouvelables peuvent être utilisées pour produire du gaz de synthèse à partir d'H2O et de CO 2 -avec les deux molécules adsorbées de l'air. Le gaz de synthèse est ensuite converti par voie chimiocatalytique en méthanol et en carburants.

Produits chimiques de haute qualité en combinant chimie et biotechnologie

Produits chimiques produits à partir de CO 2 ne peut concurrencer les produits pétrochimiques que s'ils sont produits en grande quantité et si suffisamment d'électricité est disponible à faible coût. Ce n'est généralement pas le cas pour les petits CO décentralisé 2 -les usines émettrices telles que les usines de biogaz ou les brasseries.

Pour faire en sorte que la valeur ajoutée du méthanol régénératif devienne également une activité rentable à plus petite échelle, les chercheurs de Fraunhofer ont poursuivi une nouvelle approche et combiné la synthèse chimique dans un processus récemment breveté avec une fermentation biotechnologique ultérieure pour produire des produits chimiques de plus grande valeur. "En utilisant un nouveau processus de réaction, CO 2 est transformé en méthanol comme produit intermédiaire, qui est pompé directement dans un fermenteur à certains intervalles sans autre traitement, " explique Csepei. Les micro-organismes croissent avec du méthanol comme seule source de carbone et produisent de l'acide lactique, isoprène, acide polyhydroxybutyrique et terpènes à longue chaîne :des produits de valeur qui ne peuvent être obtenus qu'avec des procédés catalytiques chimiques classiques utilisant des complexes, synthèses en plusieurs étapes.

L'objectif des chercheurs est de poursuivre le développement de ces systèmes et procédés catalytiques prometteurs pour l'utilisation du CO 2 vers la maturité commerciale, en étroite collaboration avec des partenaires industriels, et ainsi apporter une contribution substantielle à la protection du climat.