Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHTKohlendioxid als Rohstoff
Die Energieeffizienz der elektrokatalytischen Synthese von Ethanol und Propanol steigern
Ob Zementherstellung oder Stahlproduktion: In vielen Branchen ist der Ausstoß von CO2 ein Problem, weil er nicht überall vermeidbar ist. Doch aus dem Treibhausgas können Rohstoffe für die chemische Industrie entstehen – zum Beispiel Alkohole. Dass und wie diese elektrokatalytische Synthese gelingt, haben Fraunhofer UMSICHT, die Siemens AG, die Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe GmbH, die Ruhr-Universität Bochum und die Universität Stuttgart untersucht. Im Projekt »ElkaSyn – Steigerung der Energieeffizienz der elektrokatalytischen Alkoholsynthese« haben sie die Basis für ein einstufiges Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Alkoholen wie Ethanol und Propanol gelegt.
Bislang sehen Konzepte zur stofflichen CO2-Nutzung meist einen zweistufigen Prozess vor: Auf den Elektrolyseprozess, bei dem Wasserstoff mit Hilfe von regenerativem Strom hergestellt wird, folgt der thermokatalytische Prozessschritt, bei dem der Wasserstoff mit CO2 zum gewünschten Endprodukt umgesetzt wird. Die Vorteile eines einstufigen elektrokatalytischen Verfahrens mit den Reaktionspartnern CO2 und Wasser: »Zum einen müssen keine Produkte zwischengespeichert werden, da CO2 und Wasser direkt im elektrokatalytischen Reaktor umgesetzt werden. Es entfällt im Vergleich zu anderen Verfahren die separate Herstellung und Speicherung von Wasserstoff«, erläutert UMSICHT-Wissenschaftlerin Theresa Jaster. »Zum anderen kann Energie eingespart werden, da der zusätzliche Schritt der Wasserstoffherstellung ebenso wegfällt wie die mit diesem Prozess einhergehenden Energieverluste. Auch weitere Wärme-, Energie- oder Materialverluste, die durch den Übergang zwischen mehreren Prozessstufen auftreten, können damit vermieden werden.«
Den Weg zum einstufigen Verfahren haben Fraunhofer UMSICHT, die Siemens AG, die Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe GmbH, die Ruhr-Universität Bochum und die Universität Stuttgart im Rahmen von »ElkaSyn« geebnet. So haben sie u.a. verschiedene Elektrolyt-Systeme für die elektrochemische CO2-Reduktionsreaktion unter Hochdruckbedingungen getestet und modelliert sowie eine skalierbare Hochdruckzelle für die elektrochemische CO2-Reduktion entwickelt. Weitere Ergebnisse:
- Simulation von Trennprozessen für die Aufbereitung entstandener Produktgemische
- Synthese von Katalysatoren wie Cu-haltiger Pentlandite, Bor-Phosphid-basierte Materialien und Cu-Zn-Katalysatoren sowie von nanostrukturierten und kupferbeladenen Kohlenstoffmaterialien als Katalysatoren
- Entwicklung und Testung verschiedener Elektrodenzusammensetzungen unter Berücksichtigung von Eigenschaften wie Benetzbarkeit oder Porosität
- Simulation und Optimierung der gesamten Prozesskette unter Berücksichtigung einer Wärmeintegration und Erstellung einer techno-ökonomischen Analyse des Gesamtsystems
Die Testung der Katalysatoren und Elektroden erfolgte im ersten Schritt unter atmosphärischen Bedingungen. Es gab aber auch erste vielversprechende Versuche unter Hochdruck.
Auf diesen Erfolgen wollen die Projektpartner aufbauen: »Unsere Zusammenarbeit war trotz Corona-bedingter Einschränkungen sehr intensiv und fruchtbar. Das möchten wir gerne fortführen«, betont Dr.-Ing. Heiko Lohmann vom Fraunhofer UMSICHT. Deshalb wurde ein Großteil des Abschlusstreffens Ende Januar 2023 genutzt, um erste Ideen für zukünftige Forschungs- und Entwicklungs-Aktivitäten zu besprechen.
FÖRDERHINWEIS
Das Projekt »ElkaSyn – Steigerung der Energieeffizienz der elektrokatalytischen Alkoholsynthese« wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. Laufzeit: 1. August 2019 bis 31. Januar 2023. Förderkennzeichen: 03ET1642C.