Ameisensäure: Aus 31 Millionen Tonnen Resten könnte Wasserstoff werden

Ameisensäure riecht stechend, konserviert Futtermittel und gehört mit einer Jahresproduktion von rund einer Million Tonnen zu den wichtigsten Basischemikalien. Künftig könnte sie noch eine andere Aufgabe übernehmen: Wasserstoff aus Ameisensäure ließe sich als Energieträger nutzen, ohne das Gas dauerhaft in großen Drucktanks speichern zu müssen.

Das Leibniz-Institut für Katalyse, kurz LIKAT, hat dafür gemeinsam mit dem bayerischen Unternehmen OxFA ein neues Verfahren entwickelt. Ein Katalysator löst den Wasserstoff bereits bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen aus biobasierter Ameisensäure. Das Verfahren lief in einer Pilotanlage mehr als 820 Stunden stabil und erzeugte rund 30 Kubikmeter Wasserstoff.

Wasserstoff aus Ameisensäure bewährt sich im Dauertest

Der Ausgangspunkt liegt nicht in Öl oder Erdgas, sondern in Biomasse. OxFA stellt Ameisensäure aus biogenen Roh- und Reststoffen her. Dafür eignen sich verholzte Pflanzenreste, feuchte Materialien, vergorene Biomasse und Abfälle. Nach Angaben des Deutschen Biomasseforschungszentrums bleiben allein in Deutschland jährlich rund 31 Millionen Tonnen technisch nutzbare Biomasse ungenutzt.

Aus diesen Stoffen entsteht zunächst Ameisensäure. Anschließend wird daraus Wasserstoff freigesetzt. Die Entwickler bezeichnen diese Abfolge als BFH-Prozess. Die Abkürzung steht für Biomass–Formic Acid–Hydrogen, also Biomasse, Ameisensäure und Wasserstoff. Das gemeinsam entwickelte Verfahren wurde zum Patent angemeldet.

Viel Wasser erschwert die Reaktion

Die chemische Idee ist nicht neu. Ameisensäure gilt schon länger als möglicher Wasserstoffträger. Sie kann Wasserstoff chemisch binden und bei Bedarf wieder abgeben. Bisher stammt die industriell hergestellte Säure jedoch überwiegend aus fossilen Rohstoffen. Für eine nachhaltigere Energienutzung muss deshalb auch ihre Herstellung umgestellt werden.

Das größere Problem lag bislang in der Beschaffenheit der biobasierten Ameisensäure. Feuchte Rohstoffe führen zu einer stark wasserhaltigen Lösung. Bekannte Katalysatoren arbeiten jedoch meist besser mit hoch konzentrierter Ameisensäure. „Eine geringe Substratkonzentration ist für nahezu jede chemische Reaktion ungünstig“, sagt LIKAT-Forscher Henrik Junge.

Eine zusätzliche Reinigung hätte die Ameisensäure konzentrieren können. Doch Destillation braucht viel Energie und würde den gesamten Prozess verteuern. Gerade bei einem Energieträger wäre ein solcher Zwischenschritt ungünstig. Die Forscher suchten deshalb nach einem Katalysator, der auch mit verdünnter und ungereinigter Ameisensäure zurechtkommt.

Ein Additiv bringt die Reaktion in Gang

Dafür veränderten sie bekannte Ruthenium-Komplexe. Außerdem ergänzten sie ein Amin, das die Reaktion zwischen Ameisensäure und Katalysator erleichtert. „Wir hatten schon in früheren Arbeiten erkannt, dass Amine die Wasserstofferzeugung aus Ameisensäure positiv beeinflussen können“, erklärt Junge. Sein Team beschäftigt sich seit rund 15 Jahren mit solchen Systemen.

© OxFA GmbH In der großen Anlage entsteht biobasierte Ameisensäure im Dauerbetrieb – der erste Schritt auf dem Weg zu Wasserstoff aus Biomasse. © OxFA GmbH

Im Technikum von OxFA wurde das Verfahren anschließend unter realen Bedingungen getestet. Die Anlage arbeitete kontinuierlich und nutzte biogene Ameisensäure direkt aus der Produktion. Eine zusätzliche Aufreinigung war nicht nötig. Trotz wechselnder Wasseranteile blieb der Prozess mehr als 820 Stunden stabil.

Der Katalysator reagiert zwar etwas langsamer als einige bekannte Systeme. Dafür verkraftet er Ameisensäure mit sehr unterschiedlichen Konzentrationen. Nach Angaben der Entwickler funktioniert die Reaktion bei einem Ameisensäureanteil zwischen fünf und 99 Prozent. „Unser Katalysator zeigt zwar eine leicht geringere Aktivität als andere bekannte Systeme, jedoch können unterschiedlichste Wassergehalte in der biogenen Ameisensäure problemlos verwendet werden“, so Junge.

Zwei Flüssigkeiten halten den Prozess stabil

Im Dauerbetrieb entstand allerdings eine weitere Schwierigkeit. Mit jeder neuen Portion verdünnter Ameisensäure gelangte zusätzliches Wasser in die Anlage. Ohne Gegenmaßnahme hätte sich der Wasseranteil immer weiter erhöht. Gleichzeitig durften weder der Katalysator noch das Amin aus dem System verloren gehen.

Die Entwickler entschieden sich deshalb für zwei Flüssigkeitsphasen. Die Mischung trennt sich ähnlich wie Fett und Brühe. Katalysator und Additiv bleiben in der organischen Phase. Die Ameisensäure gelangt zunächst in die wässrige Phase. Das überschüssige Wasser kann anschließend gezielt entfernt werden.

© OxFA GmbH In der kleinen Anlage wird der Wasserstoff kontinuierlich aus wässriger, biobasierter Ameisensäure freigesetzt. © OxFA GmbH

Die Trennung allein reicht jedoch nicht. Die Ameisensäure muss von der wässrigen in die organische Phase gelangen. Erst dort trifft sie auf Katalysator und Additiv. Dieser Übergang an der Phasengrenze verlangt eine präzise Steuerung von Temperatur, Zufluss und Wasserabzug.

„Es gilt also, Wasser gezielt abzutrennen und aus dem System auszuleiten, ohne dabei aktive Komponenten wie Additiv und Katalysator zu verlieren“, sagt OxFA-Projektleiter Florian Kohler. Die Pilotversuche belegen, dass sich dieses Gleichgewicht über mehrere Wochen aufrechterhalten lässt.

Schon 65 Grad setzen Wasserstoff frei

Besonders auffällig ist die niedrige Reaktionstemperatur. Das System arbeitet bereits bei 65 Grad Celsius. Damit liegt es in einem Temperaturbereich, der zu Niedertemperatur-Brennstoffzellen passt. Solche Brennstoffzellen werden bei weniger als 100 Grad Celsius betrieben.

Bei der Reaktion wird die Ameisensäure nahezu vollständig in Wasserstoff und Kohlendioxid zerlegt. Die Entwickler sprechen von einer annähernd hundertprozentigen Atomeffizienz. Die Atome des Ausgangsstoffs landen damit fast vollständig in den entstehenden Produkten. Die biobasierte Ameisensäure könnte so künftig als flüssiger Träger dienen, aus dem Wasserstoff direkt am Einsatzort freigesetzt wird.

Kurz zusammengefasst:

Ameisensäure kann Wasserstoff chemisch speichern und wird zunehmend als flüssiger Energieträger interessant.
Ein neuer Katalysator setzt Wasserstoff bereits bei 65 Grad Celsius aus stark verdünnter, biobasierter Ameisensäure frei.
Im Pilotbetrieb lief das Verfahren mehr als 820 Stunden stabil und erzeugte dabei rund 30 Kubikmeter Wasserstoff.

Übrigens: Während biobasierte Ameisensäure Wasserstoff speichern soll, arbeitet MTU bereits am nächsten Schritt und will damit Regionalflugzeuge ohne Kerosin antreiben. In München entsteht dafür ein elektrischer Brennstoffzellenantrieb mit bis zu 1,8 Megawatt Leistung – mehr dazu in unserem Artikel.