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Neuer Kobalt-Mangan-Katalysator macht die Produktion von Bio-Kerosin effizienter
Flugzeuge brauchen energiereiche Flüssigtreibstoffe, doch nachhaltig erzeugtes Kerosin ist bisher teuer. Ein neu entwickelter Kobalt-Mangan-Katalysator wandelt Synthesegas in Versuchen mit hoher Ausbeute in Kohlenwasserstoffe des Kerosinbereichs um. Modellrechnungen lassen eine wirtschaftliche Großproduktion möglich erscheinen, allerdings ist die neue Katalysatorzusammensetzung noch nicht im industriellen Maßstab erprobt.
Shanghai (China). Nachhaltiger Flugtreibstoff kann aus Holzresten und anderer Biomasse gewonnen werden. Dafür wird das organische Material zunächst vergast, wobei ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff entsteht. Dieses Synthesegas lässt sich anschließend mithilfe der Fischer-Tropsch-Synthese in flüssige Kohlenwasserstoffe umwandeln. Dabei entstehen allerdings auch unerwünschte Gase, Benzinbestandteile und schwere Wachse.
Für eine effiziente Herstellung müssen Katalysatoren deshalb zwei Anforderungen erfüllen. Sie sollen möglichst viel Kohlenmonoxid umsetzen und zugleich bevorzugt Moleküle mit acht bis sechzehn Kohlenstoffatomen erzeugen, die für Flugtreibstoff infrage kommen. Bisher ging ein hoher Umsatz häufig zulasten der gewünschten Produktverteilung.
Forscher des Shanxi Research Institute of Huairou Laboratory um Prof. Yuhan Sun haben nun gemeinsam mit Kollegen einen Kobalt-Mangan-Katalysator auf einem veränderten Zeolith-Trägermaterial entwickelt. Die Arbeitsgruppe untersuchte, ob sich dadurch sowohl die Umsetzung des Synthesegases als auch die Ausbeute an Kohlenwasserstoffen des Kerosinbereichs steigern lässt.
Das Team behandelte das poröse Trägermaterial, einen sogenannten Beta-Zeolith, mit einer milden alkalischen Lösung. Dadurch entstanden zusätzliche kleine Poren, während die Stärke bestimmter saurer Reaktionsstellen abnahm. Die Veränderung verbesserte die Verteilung des Kobalts und begünstigte den Umbau längerer Kohlenwasserstoffketten in die gewünschte Größenklasse.
Im Festbettversuch setzte der optimierte Katalysator 82,8 Prozent des Kohlenmonoxids um. Zugleich entfielen 67,5 Prozent der Kohlenwasserstoffprodukte auf Moleküle mit acht bis sechzehn Kohlenstoffatomen. Eine Vergleichsmischung auf unbehandeltem Zeolith erreichte dagegen 61,4 Prozent Umsetzung und 47,8 Prozent Selektivität für den Kerosinbereich. Beide Verbesserungen traten somit gleichzeitig auf.
Auch bei einem erhöhten Kohlendioxidanteil des Ausgangsgases blieb die Bildung der gewünschten Kohlenwasserstoffe weitgehend erhalten. Das Kohlendioxid selbst wurde dabei kaum umgesetzt. Für Synthesegas aus Biomasse könnte diese Toleranz nützlich sein, weil eine aufwendige Abtrennung des Kohlendioxids vor der Reaktion möglicherweise entfallen kann.
Die Wissenschaftler haben den Katalysator anschließend kilogrammweise hergestellt und zu festen Pellets geformt. In einem Versuchsreaktor mit zehn Gramm Katalysator erreichte das Verfahren bei Rückführung des Restgases insgesamt 92,4 Prozent Kohlenmonoxidumsatz. Von den aufgefangenen flüssigen Produkten bestanden 78,9 Prozent aus Kohlenwasserstoffen des Kerosinbereichs. Dieser Flüssigkeitsanteil ist allerdings eine andere Bezugsgröße als die zuvor genannte Selektivität.
Eine bereits 2025 getestete Anlage mit einer Kapazität von 1.000 Tonnen pro Jahr verwendete hingegen einen älteren, verwandten Katalysator. Ihre Ergebnisse lassen sich deshalb nicht als großtechnischer Nachweis für die jetzt entwickelte Zusammensetzung werten. Größere Versuche und Langzeittests unter industriellen Bedingungen stehen für den neuen Katalysator noch aus.
Ausgehend von den Versuchen modellierten die Forscher außerdem eine geplante Anlage, die jährlich 100.000 Tonnen nachhaltigen Flugtreibstoff herstellen könnte. Bei angenommenen 8.000 Betriebsstunden pro Jahr ergeben sich laut der Wirtschaftlichkeitsrechnung rund 302 Millionen US-Dollar Jahresumsatz und etwa 165 Millionen US-Dollar Gewinn. Die daraus abgeleitete Bruttogewinnmarge liegt bei ungefähr 55 Prozent. Dies sind Prognosewerte, keine Einnahmen au