Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHTLiteraturrecherche
Fehlende Erkenntnisse zur Langzeitstabilität erschweren eine industrielle Anwendung der Elektrolyse
Das Treibhausgas Kohlendioxid nutzen, um daraus Ausgangsstoffe für die chemische Industrie herzustellen: Die elektrochemische CO2-Reduktion macht’s möglich. Wie erfolgreich dieser Prozess ist, hängt allerdings von einer Vielzahl von Faktoren ab – vom Katalysator über das Elektrodendesign bis zum Reaktor-Konzept. Wie weit die Forschung in diesen Bereichen ist und was eine Übertragung bisheriger Ergebnisse auf industrielle Anwendungen erschwert, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer UMSICHT, der Ruhr-Universität Bochum und der Universität Stuttgart im Rahmen einer umfassenden Literaturrecherche untersucht.
Eine der wichtigsten Erkenntnisse: »Die Zahl der Studien zu allen Bereichen der CO2-Elektrolyse ist zwar enorm, aber eine Vergleichbarkeit oder gar Übertragung der Ergebnisse ist nur begrenzt möglich«, sagt Alina Gawel vom Fraunhofer UMSICHT. Das liege vor allem daran, dass sich die wissenschaftliche Community bislang nicht auf ein einheitliches Referenzsystem einigen konnte. Das erschwere natürlich die Bewertung sowohl der Ergebnisse als auch des industriellen Potenzials.
Ein weiterer Schwachpunkt: Bei vielen Forschungsprojekten kommt relativ reines CO2 für die Elektrolyse zum Einsatz. Aber wie laufen die dabei entwickelten Prozesse mit Kohlendioxid-Gemischen, die direkt aus der Industrie kommen oder Spurenverbindungen enthalten? »Um das beantworten zu können, müssen Forschung und Entwicklung verstärkt auch unreine oder niedrigkonzentrierte CO2-Quellen in Betracht ziehen«, so Alina Gawel. »Am Fraunhofer UMSICHT passiert das u.a. im Rahmen des Verbundprojektes CO2-Syn. Dort steht die Zementindustrie im Mittelpunkt.«
Katalysatoren für die CO2-Reduktion zu Multicarbonalkoholen
Konkret haben die Forschenden bei ihrer Literaturrecherche zwei Aspekte der CO2-Elektrolyse beleuchtet: Katalysatoren und Prozessbedingungen auf der einen, Elektrodendesign, Reaktorkonzepte und ökonomische Aspekte auf der anderen Seite. Zunächst im Fokus stand die elektrochemische CO2-Reduktion zu Multicarbonalkoholen wie Ethanol oder Propanol. »Hier hat sich in den vergangenen Jahren einiges getan«, urteilt UMSICHT-Wissenschaftlerin Theresa Jaster. »Gerade Katalysatoren auf Kupferbasis – hergestellt z.B. durch Fällungsreaktionen, galvanische Abscheidung oder Sputtern – haben zu einer hohen Ausbeute an Alkoholen geführt.«
Für den Schritt aus der Forschung in die Praxis reichen die bisherigen Ergebnisse allerdings noch nicht aus, betont sie. »Was fehlt, sind Untersuchungen bei hohen Stromdichten und über längere Zeiträume hinweg. Nur so können wir belegen, dass die Katalysatoren langzeitstabil und damit bereit für den industriellen Einsatz sind.«
Zellenaufbau, Design und Herstellung der Elektroden, Membrane und Prozessparameter beeinflussen die Performance der Elektrolyse
Zu einem ähnlichen Schluss kommen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im zweiten von ihnen untersuchten Bereich. »Für eine effiziente elektrochemische Reduktion von CO2 müssen nicht nur der Katalysator, sondern auch Zellenaufbau, Design und Herstellung der Elektroden, Membrane und Prozessparameter optimal aufeinander abgestimmt sein«, erläutert Alina Gawel. »Aber auch hier gilt: Bei vielen der verwendeten Materialien und Bauteile ist die Langzeitstabilität noch nicht erwiesen.«
Erschwerend kommt hinzu, dass für die CO2-Elektrolyse Membranmaterialien und Ionomere benötigt werden, die eine hervorragende Ionenleitfähigkeit, mechanische Stabilität und Undurchlässigkeit für möglichst alle Produkte der Kohlendioxid-Reduktion mitbringen. An entsprechenden Materialien, die zudem in kommerziell ausreichendem Maßstab und zu vernünftigen Kosten verfügbar sind, mangelt es derzeit aber noch.
Zudem wurden viele der verwendeten Bauteile – darunter Gasdiffusionslagen und Flow Fields – ursprünglich für die Brennstoffzellentechnologie entwickelt. Zu ihrem Einsatz in der Elektrolyse fehlen noch ausgewiesene Studien. »Hier bestehen definitiv noch Forschungsbedarf und Potenzial für Optimierung«, zeigt sich Alina Gawel überzeugt.
Wer die Ergebnisse der Forschenden im Detail nachlesen möchte, wird im Open-Access-Journal »iScience« fündig: