Ein Bohrturm auf einer Ölplattform. Er fördert einen zähen Schlamm –Rohöl. Um Treibstoff daraus zu machen, muss dieser Schlamm erst mal in die Raffinerie. Benzin und Diesel nämlich bestehen aus eher kurzen Kohlenwasserstoff-Molekülen. Im Rohöl jedoch gibt es auch jede Menge lange Moleküle, mit denen ein Verbrennungsmotor nichts anfangen kann. Also versucht man, möglichst viele dieser langen Molekülketten in kurze zu zerhacken. Cracken, so heißt dieser Spaltvorgang, den Ölkonzerne schon seit Jahrzehnten nutzen. In der Raffinerie übernehmen dann unter anderem chemische Katalysatoren diesen Job.
"Die Katalysatoren haben Porengrößen, die genau im Bereich der Molekülgrößen liegt",
sagt Ferdi Schüth, Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr.
"Dadurch tritt so etwas wie ein Molekularsieb-Effekt auf: Die großen Moleküle werden ausgesiebt, nur die kleinen können das Porensystem verlassen, sodass genau die richtigen Kettenlängen entstehen."
Die Katalysatoren sind Kristalle mit nanometergroßen Poren – eine Art Schweizer Käse im Nanoformat. In diese Poren passen die langen Moleküle aus dem Rohöl genau hinein. Genau hier werden sie dann gecrackt, und die kurzen Moleküle, die dabei entstehen, können dann ungehindert aus der Pore entwischen. Allmählich aber scheint diese Technik an ihre Grenzen zu stoßen. Denn die Ölvorkommen von guter Qualität, jene mit nicht ganz so langen Molekülen, werden allmählich rar. Deshalb fördern die Multis immer mehr zähflüssige Öle, bitumenreiche Öle genannt. Und die enthalten extrem lange Molekülketten.
"Die Katalysatoren, die wir heute nutzen, haben eine bestimmte Größe von Poren. In bitumenreichen Rohölen gibt es wirklich große Moleküle, die passen in diese Poren einfach nicht mehr rein. Können dann also nicht mehr reagieren, und dann wird es schwierig, diese Rohöl-Qualitäten zu prozessieren. Noch schlimmer ist es bei den Teersanden, die heute zunehmend genutzt werden."
Um solche schweren Öle effizient zu Treibstoff verarbeiten zu können, bräuchte es Katalysatoren mit deutlich größeren Poren als heute. Kein leichter Job für die Chemiker. Die Ausgangssituation:
"Die heutigen Katalysatoren bestehen im Wesentlichen aus Silizium und Aluminium. Man weiß, dass man durch den Einsatz des Elements Germanium die Poren vergrößern kann."
Das Problem dabei:
"Dadurch werden die Katalysatoren leider instabil."
Die Lösung:
"Man muss versuchen, nach der Synthese gezielt die Germaniumatome aus dem Kristall herauszunehmen und durch Siliziumatome ersetzen. In die Richtung wird heute geforscht."
Bei der Synthese des Katalysators würde Germanium die nötigen Räume schaffen, sprich: große Poren. Doch da Germanium nicht für den Betrieb taugt, wollen es die Fachleute Atom für Atom durch Silizium ersetzen – wobei die großen Poren erhalten bleiben, so die Hoffnung. Aber es gibt auch eine andere Art, um flüssige Treibstoffe zu gewinnen: Als Ausgangsstoff dient hier nicht Erdöl, sondern Methan, Hauptbestandteil von Erdgas. Methan lässt sich zum Beispiel zu Methanol umwandeln. Heutige Motoren müssten nur geringfügig modifiziert werden, um mit Methanol laufen zu können. Bislang aber ist die Methanolherstellung zu energieaufwendig und damit zu teuer. Doch nun haben Schüth und sein Team einen kostengünstigeren Weg zum Methanol entwickelt. Basis ist ein neuer Nano-Katalysator, oberflächlich gesehen ein schwarzes Pulver.
"Dieses schwarze Pulver ist etwas ähnliches wie eine Aktivkohle, die man aus geruchsabsorbierenden Schuheinlagen kennt. In diese Aktivkohle ist Stickstoff eingelagert. Und dann sind einzelne Platinatome gezielt an den Stickstoffatomen angelagert. An diesen Platinatomen findet die Reaktion statt. Da reagiert das Methan mit Schwefelsäure zu einem Zwischenprodukt, das zu Methanol weiterreagiert."
Im Labormaßstab funktioniert der neue Katalysator schon recht ordentlich. Jetzt arbeiten die Forscher daran, den Prozess tauglich für die Großfertigung zu machen. Die Industrie jedenfalls ist schon an der Sache dran: Vor einiger Zeit hat sich BASF das Patent aus Mülheim gesichert.
"Die Katalysatoren haben Porengrößen, die genau im Bereich der Molekülgrößen liegt",
sagt Ferdi Schüth, Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr.
"Dadurch tritt so etwas wie ein Molekularsieb-Effekt auf: Die großen Moleküle werden ausgesiebt, nur die kleinen können das Porensystem verlassen, sodass genau die richtigen Kettenlängen entstehen."
Die Katalysatoren sind Kristalle mit nanometergroßen Poren – eine Art Schweizer Käse im Nanoformat. In diese Poren passen die langen Moleküle aus dem Rohöl genau hinein. Genau hier werden sie dann gecrackt, und die kurzen Moleküle, die dabei entstehen, können dann ungehindert aus der Pore entwischen. Allmählich aber scheint diese Technik an ihre Grenzen zu stoßen. Denn die Ölvorkommen von guter Qualität, jene mit nicht ganz so langen Molekülen, werden allmählich rar. Deshalb fördern die Multis immer mehr zähflüssige Öle, bitumenreiche Öle genannt. Und die enthalten extrem lange Molekülketten.
"Die Katalysatoren, die wir heute nutzen, haben eine bestimmte Größe von Poren. In bitumenreichen Rohölen gibt es wirklich große Moleküle, die passen in diese Poren einfach nicht mehr rein. Können dann also nicht mehr reagieren, und dann wird es schwierig, diese Rohöl-Qualitäten zu prozessieren. Noch schlimmer ist es bei den Teersanden, die heute zunehmend genutzt werden."
Um solche schweren Öle effizient zu Treibstoff verarbeiten zu können, bräuchte es Katalysatoren mit deutlich größeren Poren als heute. Kein leichter Job für die Chemiker. Die Ausgangssituation:
"Die heutigen Katalysatoren bestehen im Wesentlichen aus Silizium und Aluminium. Man weiß, dass man durch den Einsatz des Elements Germanium die Poren vergrößern kann."
Das Problem dabei:
"Dadurch werden die Katalysatoren leider instabil."
Die Lösung:
"Man muss versuchen, nach der Synthese gezielt die Germaniumatome aus dem Kristall herauszunehmen und durch Siliziumatome ersetzen. In die Richtung wird heute geforscht."
Bei der Synthese des Katalysators würde Germanium die nötigen Räume schaffen, sprich: große Poren. Doch da Germanium nicht für den Betrieb taugt, wollen es die Fachleute Atom für Atom durch Silizium ersetzen – wobei die großen Poren erhalten bleiben, so die Hoffnung. Aber es gibt auch eine andere Art, um flüssige Treibstoffe zu gewinnen: Als Ausgangsstoff dient hier nicht Erdöl, sondern Methan, Hauptbestandteil von Erdgas. Methan lässt sich zum Beispiel zu Methanol umwandeln. Heutige Motoren müssten nur geringfügig modifiziert werden, um mit Methanol laufen zu können. Bislang aber ist die Methanolherstellung zu energieaufwendig und damit zu teuer. Doch nun haben Schüth und sein Team einen kostengünstigeren Weg zum Methanol entwickelt. Basis ist ein neuer Nano-Katalysator, oberflächlich gesehen ein schwarzes Pulver.
"Dieses schwarze Pulver ist etwas ähnliches wie eine Aktivkohle, die man aus geruchsabsorbierenden Schuheinlagen kennt. In diese Aktivkohle ist Stickstoff eingelagert. Und dann sind einzelne Platinatome gezielt an den Stickstoffatomen angelagert. An diesen Platinatomen findet die Reaktion statt. Da reagiert das Methan mit Schwefelsäure zu einem Zwischenprodukt, das zu Methanol weiterreagiert."
Im Labormaßstab funktioniert der neue Katalysator schon recht ordentlich. Jetzt arbeiten die Forscher daran, den Prozess tauglich für die Großfertigung zu machen. Die Industrie jedenfalls ist schon an der Sache dran: Vor einiger Zeit hat sich BASF das Patent aus Mülheim gesichert.