Vom Klimakiller Kohlendioxid zum wertvollen Rohstoff

Einstufige Reduktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid bzw. Synthesegas in wässrigen Elektrolyten

Wichtigste bisherige Ergebnisse

Für die elektrolytische Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid bei niedrigen Temperaturen braucht man hocheffiziente, stabile Katalysatoren. Mit deren Entwicklung sowie der Herstellung einer Gasdiffusionselektrode für die langzeitstabile, effiziente Reduktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid beschäftigt sich der Forschungscluster A2. In der Gasdiffusionselektrode stehen der feste Katalysator, in diesem Fall Silber, ein wässriger Elektrolyt und gasförmiges Kohlendioxid miteinander in Kontakt. Ein weiterer Schwerpunkt des Forschungsclusters A2 liegt auf der gleichzeitigen Steigerung der Kohlenmonoxid-Ausbeute, der Energieeffizienz und der Stromdichte auf großen Elektrodenflächen während der Reduktion.

Unter Einsatz von silberbasierten Gasdiffusionselektroden konnten zwei langzeitstabile Betriebsmodi bei hohen Stromdichten bis 300 mA/cm² demonstriert werden. Das ist ein Meilenstein auf dem Weg zu einer stabilen Elektrolyse bei anwendungsrelevanten Stromdichten und auf großen Elektrodenflächen.

Eine Kopplung der oben beschriebenen Niedertemperaturelektrolyse mit dem Fermentationsprozess, den Evonik im Rahmen des Forschungsclusters B2 entwickelt, war in der ersten Phase des P2X-Projektes zunächst nicht vorgesehen. Auf diesem Gebiet der Erzeugung von werthaltigen Chemikalien unter Nutzung von erneuerbarem Strom wurde jedoch in den vergangenen Monaten viel publiziert, besonders von US-amerikanischen Arbeitsgruppen. Die Unternehmen Siemens (Forschungscluster A2) und Evonik (Forschungscluster B2) wollen die Erkenntnisse aus dem P2X-Projekt daher schneller in die industrielle Anwendung überführen, um den Wettbewerbsvorsprung zu halten. Ihr im November 2017 gestartetes Satellitenprojekt Rheticus ergänzt das P2X-Projekt. Rheticus koppelt die derzeit entwickelten Module und überträgt sie in den kleinstmöglichen industriellen Maßstab. Im Fokus stehen dabei sowohl der vollkontinuierliche Betrieb sowie die Validierung der Anlage und das Schließen von Stoffkreisläufen. Der Betrieb der Rheticus-Plattform schafft die Grundlage zur weiteren Hochskalierung und Integration der Arbeiten im P2X-Projekt sowie zur Entwicklung erster kommerzieller Demonstratoren.

Geplante Arbeiten

Der Forschungscluster A2 wird die Funktionsweise silberbasierter Katalysatoren bei der Reduktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid noch weiter aufklären. Die Erkenntnisse fließen in die Katalysator- und Elektrodenentwicklung ein. Basierend auf den Erkenntnissen aus der Entwicklung der Elektroden und des Elektrolyseprozesses im Labormaßstab sollen große Zellen konzipiert und aufgebaut werden. Zum anderen wird die Erforschung alternativer Katalysatoren intensiviert und die Einbettung zukunftsträchtiger Kandidaten in Gasdiffusionselektroden untersucht. Die Erkenntnisse zu silberbasierten Gasdiffusionselektroden werden hinsichtlich der Stabilität bei hohen Stromdichten und einer möglichst hohen Kohlenmonoxid-Ausbeute weiter vertieft. Zudem sollen damit erste Konzepte für eine Elektrolyse bei erhöhtem Druck umgesetzt werden. Zu den Vorteilen der Druckelektrolyse zählen eine kompaktere Bauweise und die Möglichkeit der direkten Kopplung an viele industrielle Prozesse, da das gebildete Gas bereits vorverdichtet ist.

Leitung: Dr. Günter Schmid (Siemens AG)

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