Die Energieeffizienz der elektrokatalytischen Synthese von Ethanol und Propanol steigern

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.