Versuchsstand Kunststoff (Versuchsstand Kunststoffsynthese aus Methanol)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 579.08.18

Schlüsselwörter (Deutsch)

Kunststoffsynthese, Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Substitution fossiler Rohstoffe, Kunststoffherstellung, Olefin-Synthese, Polymerisation

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Der Bedarf an den Polyolefinen Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) ist weltweit sehr hoch und weiterhin ansteigend. Diese Werkstoffe werden hauptsächlich aus fossilen Rohstoffen hergestellt (Öl, Gas, Kohle), was zu einem hohen Ausstoss von geogenem Kohlendioxid CO2 führt. Die Idee des Gesamt-Projektes ist es nun, drei in einer Reihe angeordnete Versuchsstände aufzubauen, welche Polyolefine (PE oder PP) aus molekularem Wasserstoff H2 und aus CO2 herstellen können. Die drei Versuchsstände beinhalten je eine Prozessstufe:

Versuchsstand 1: Methanol Herstellung

Versuchsstand 2: Olefin Synthese

Versuchsstand 3: Polymerisation

Im Rahmen eines Vorgänger-Projekts am IET Institut für Energietechnik der HSR Hochschule für Technik Rapperswil wurde ein Synthese-Reaktor gebaut, welcher aus elementarem Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) Methanol (CH3OH) synthetisieren kann. Ein Elektrolyseur für die Wasserstoffherstellung und ein CO2-Adsorber der Firma Climeworks, welcher Kohlendioxid aus der Umgebungsluft filtert, stehen zur Verfügung. Diese Anlageteile entsprechen dem Versuchsstand 1 (Methanol Herstellung).

In einem nächsten Schritt sollen nun die Prozessschritte Olefin Synthese und Polymerisation entwickelt werden. Diese Versuchsstände sollen dabei helfen, die Herstellung von nachhaltigen Kunststoffen zu erforschen und, wenn möglich, die Prozesse zu verbessern. Es sollen Prozessmanipulationen möglich sein, um die Verfahrenskette zu analysieren und gegebenenfalls auch zu optimieren. Des Weiteren bietet diese Installation Studierenden der HSR Möglichkeiten zu Studienarbeiten. Mit Führungen soll die Anlage zudem der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden, um auf die Umweltauswirkungen der Kunststoffherstellung, aber auch auf das Potential für eine Herstellung aus erneuerbaren Rohstoffen, aufmerksam zu machen.

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 25.06.2018 genehmigt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1    Versuchsstände (Olefin Synthese & Polymerisation) sind aufgebaut und Inbetriebnahme-Protokolle dokumentieren die Einsatzbereitschaft

2    Erste Messungen belegen, dass die geforderten Outputs (siehe Kapitel 2) erreicht werden können. (Meilenstein 1)

3    Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 und 2 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.

4    Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.

5    Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung ist dem BAFU abgegeben und kann auf Nachfrage beim BAFU vorgetragen werden.

Projektziele (Deutsch)

Die beiden Versuchsstände zur Olefin-Synthese und zur Polymerisation sind getestet und in Betrieb. Sie können unabhängig voneinander betrieben werden und erbringen folgende Leistungen:

Versuchsstand 2 (Olefin Synthese): Verarbeitung von ca. 500 ml Methanol pro Stunde

Versuchsstand 3 (Polymerisation): Herstellung von ca. 250 Gramm Polyolefin pro Stunde

Die Anlagen sollen grössenmässig so konzipiert sein, dass alle drei Prozessstufen in einem

6 m ISO-Container untergebracht werden können.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Ziel des Projekts war es, Versuchsstände für die Herstellung von nachhaltigen Kunststoffen zu bauen. Dazu sind mehrere Prozessschritte nötig. Bereits bestehend war die Synthese von Methanol aus elementarem Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Dieses Methanol dient als Ausgangsstoff für den zweiten Prozessschritt: die Herstellung von Olefinen (Ethylen/Propylen). Der letzte Schritt ist die Synthese des Zielstoffes Polyethylen oder Polypropylen. Die beiden neuen, separaten Versuchsstände wurden als Teil des Masterstudiums geplant. Im Verlauf des Projekts konnte ein multifunktionaler Versuchsstand zur Synthese von Olefinen (Ethylen/Propylen) und Dimethylether geplant, gebaut und in Betrieb genommen werden. Erste Laborauswertungen der Produktgase konnten die Herstellung von Olefinen nachweisen. Die vertraglich vereinbarten Ziele konnten für dieses Teilprojekt erreicht werden.
Die Prozessstufe Polymerisation zur Herstellung von Kunststoffen konnte aus zeitlichen Gründen nicht vollumfänglich umgesetzt werden. Es konnte jedoch sowohl ein Polymerisationskatalysator hergestellt und alle nötigen Komponente bestellt werden. Dadurch ist es möglich, die Ziele in einer nachfolgenden Arbeit zu vervollständigen.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Der Versuchsstand für die Olefin Synthese konnte gebaut und getestet werden. Daher steht er funktionsbereit zur Verfügung und kann für weitere Experimente verwendet werden. Dabei können verschiedene Betriebszustände (Druck- und Temperaturvariationen) untersucht werden. Auch verschiedene Katalysatoren könnten getestet werden. Ebenfalls interessant ist die Verwendung des Versuchsstands für die Synthese von Dimethylether (DME), da dies als vielversprechender Ersatz für Diesel gilt. In diesem Bereich laufen bereits weitere Arbeiten und der Versuchsstand wurde bereits um eine DME Speichervorrichtung erweitert. Die Polymerisation konnte noch nicht fertiggestellt werden. Die erarbeiteten Resultate können jedoch dazu verwendet werden, das Teilprojekt im Rahmen einer späteren Arbeit abzuschliessen. Sowohl ein Katalysator als auch ein Autoklav stehen dazu zur Verfügung.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Weitere Arbeiten für die Verwendung des Versuchsstands für die Olefin Synthese müssen noch ausformuliert werden. Mögliche weitere Vorgehen können folgende Arbeiten beinhalten: Ausführliches Testen des Versuchsstands, Analyse des Produktgases, bestimmen der Methanol Umwandlungsrate, ermitteln der optimalen Betriebsparameter, Implementation einer Speichervorrichtung für die Produktgase, verwenden verschiedener Katalysatoren, vollständige Automatisierung des Versuchsstandes. Denkbar sind auch weitere Arbeiten im Bereich Dimethylether Synthese. Interessant wäre in diesem Fall dessen Nachweis und die Analyse der Leistungsfähigkeit des Katalysators.
Das weitere Vorgehen bei der Stufe Polymerisation ist klar das Umsetzten der bereits geplanten arbeiten. Dazu muss der Autoklav in Betrieb genommen und erste Polymerisationsversuche durchgeführt werden. Danach kann das produzierte Polymer analysiert und die Funktionstüchtigkeit des Katalysators bestimmt werden.