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.“
Ergebnisse der Zusammenarbeit
Den Weg zum einstufigen Verfahren haben Fraunhofer UMSICHT, Siemens, Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe, die Ruhr-Universität Bochum und die Universität Stuttgart im Rahmen von „ElkaSyn“ geebnet. So haben sie unter anderem 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.
