Plasmachemie

Ein wichtiger Baustein in der Transformation unserer Energiesysteme ist die Elektrifizierung stofflicher Umwandlungsprozesse, wie der CO₂-Konversion, der Methanpyrolyse oder der Stickoxidsynthese. Das Fraunhofer FEP nutzt Elektronenstrahl-gestützte Plasmen für solche Gaskonversionsprozesse, bei denen nach Vorionisation durch den Elektronenstrahl die energetische Anregung der Gasmoleküle über die Energie der Plasmaelektronen gezielt gesteuert werden kann. Ziel ist hierbei die Aktivierung beteiligter Spezies über Vibrationsanregung, wodurch die Energiebarriere für chemische Reaktionen gesenkt wird und die Dissoziation von Gasmolekülen energetisch effizient erfolgt.

Als Strategische Investition des Fraunhofer FEP wurde mit der Firma CREAVAC die mobile Testanlage TABEA zur Reinigung von Abgasen und Abwässern sowie für plasmachemische PtX-Syntheseprozesse auf Basis diverser Elektronenstrahl-Technologien realisiert.

Wirksamer Klimaschutz ist eine große Herausforderung unserer Zeit und erfordert mittelfristig die generelle Abkehr von Förderung und Verwendung fossiler Kohlenstoffquellen nicht nur als Energieträger, sondern auch als Rohstoff für die chemische Industrie. Bei Umstellung der Energieversorgung auf regenerative Quellen sind effiziente Speichertechnologien in großem Umfang nötig, um insbesondere die saisonalen Fluktuationen auszugleichen. Hierfür sind chemische Energiespeicher unabdingbar. Eine defossilisierte Rohstoffversorgung bedingt den Aufbau einer Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft, in der die stoffliche Nutzung von CO₂ als Edukt chemischer Synthesen eine tragende Rolle spielen wird.

Das Fraunhofer FEP hat sich in diesem Kontext zum Ziel gesetzt, die Umsetzung von Kohlenstoffdioxid z. B. mit (künftig grünem) Wasserstoff in atmosphärischen Elektronenstrahl-Plasmen sowie vorteilhafte Energieeffizienz und Konversionsgrade dieses neuartigen, großtechnisch skalierbaren PtX-Verfahrens (Power-to-X, d. h. Herstellung chemischer Energiespeicher und Produktrohstoffe unter Nutzung regenerativ erzeugter Elektroenergie) zu demonstrieren. Dieser Ansatz fußt darauf, dass die zur Überwindung der energetischen oder kinetischen Hemmung exothermer Reaktionen erforderliche Anregung wie auch die Energiezufuhr für endotherme Reaktionen nicht nur thermisch, sondern in Plasmen auch durch direkte und selektive Beeinflussung der Bindungszustände von Molekülen möglich ist. Schlüssel zu hoher Energieeffizienz ist dabei, dass sich die Plasmen thermodynamisch im Nichtgleichgewicht befinden, was es trotz effektiver Anregung der chemisch aktiven Spezies gestattet, die globale Temperatur im Plasma niedrig zu halten. Atmosphärische Elektronenstrahl-Plasmen zeichnen sich zudem durch ihre gleichmäßige Energiedichte und Volumenfüllung aus, was gleichzeitig auch hohe Konversionsgrade verspricht.