CO2 als Rohstoff für Synthesegas

Hochtemperatur-Co-Elektrolyse zur Erzeugung von Synthesegas

Wichtigste bisherige Ergebnisse

Das Ziel des Forschungsclusters A3 ist die direkte einstufige Umwandlung von Kohlendioxid und Wasserdampf mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen in Synthesegas. Die hierfür eingesetzte Hochtemperatur-Co-Elektrolyse erfolgt bei Temperaturen um 800 Grad Celsius. Das so erzeugte Gasgemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff enthält die zur Produktion von wichtigen organischen Chemikalien erforderlichen Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Synthesegas  ist somit ein wichtiges Zwischenprodukt zahlreicher petrochemischer Prozesse, etwa zu Herstellung von synthetischem Erdgas und chemischen Grundbausteinen wie Methanol oder Formaldehyd.

Die Variation des Verhältnisses von Wasserdampf und Kohlendioxid im Ausgangsgemisch der Co-Elektrolyse beeinflusst die Leistung des Systems nicht. Das konnte an kommerziell erhältlichen Kathodensubstrat-Zellen, die aus der Entwicklung der Hochtemperatur-Brennstoffzelle stammen, gezeigt werden. Im untersuchten Verhältnisbereich scheinen sich die Reaktionsmechanismen nicht zu unterscheiden. Weitere Analysen hierzu sind geplant.

Die Messungen haben außerdem gezeigt, dass sich durch eine variierende Zusammensetzung der Wasserdampf-Kohlendioxid- Mischung sowie durch andere Betriebsparameter das Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Verhältnis im Synthesegas über eine Bandbreite von vier zu eins bis eins zu eins einstellen lässt. Die Hochtemperatur-Co-Elektrolyse macht somit die Herstellung von maßgeschneidertem Synthesegas variabler Zusammensetzung möglich. Die gewünschten Zusammensetzungen können mit hohen Stromdichten und Effizienzen erzeugt werden. Auch deswegen spielt die Hochtemperatur-Co-Elektrolyse eine wesentliche Rolle in der nachhaltigen Produktion von Synthesegas, besonders im Hinblick auf industrielle Wertschöpfungsketten.

Geplante Arbeiten

Die Materialzusammensetzungen der beiden Elektroden sollen näher charakterisiert werden besonders im Hinblick auf Degradationsprozesse, die zu einer unerwünschten Abnahme der Leistung führen. Daher werden neue Materialmodifikationen hergestellt und in Zellen untersucht. Außerdem sind Versuche mit Elektrolyse-Stacks aus wenigen Zellen geplant, um weitere Betriebsdaten zu erhalten und die Prozessführung im späteren System zu optimieren.

Leitung: Dr. L. G. J. (Bert) de Haart (Forschungszentrum Jülich GmbH)

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