Die elektrochemische Reduktion von CO2 ist ein entscheidender Schritt in der Bekämpfung der globalen Klimakrise, da sie hilft, den Kohlenstoffkreislauf zu schließen. Unvermeidbare Emissionen aus der Betonproduktion oder Abfallverbrennung können in Kohlenmonoxid (CO) umgewandelt werden, welches dann als Ausgangspunkt für die Produktion von Chemikalien und Kraftstoffen dient. Ein aktuelles Forschungsprojekt der Fraunhofer-Gesellschaft und der Ruhr-Universität Bochum hat einen innovativen Zero-Gap-Reaktor entwickelt, der diese Technologie effizienter macht. Der Reaktor nutzt unter Druck stehendes CO2 und reines Wasser zur Umwandlung, was die Integration in bestehende industrielle Prozesse erleichtert, berichtet die Ruhr-Universität Bochum.
Die Herausforderung, mit der Forschende konfrontiert sind, liegt in der Tatsache, dass die derzeitige Technologie nicht mit bestehender Infrastruktur kompatibel ist. In vielen industriellen Prozessen, wie der Erdgasreformierung und der Oxyfuel-Verbrennung, ist CO2 bereits vorhanden und wird unter Druck gesetzt oder für die Speicherung und den Transport komprimiert. Diese Druckentlastung der CO2-Ströme erschwert die Integration elektrolytischer Technologien und führt zu energetischen Einbußen, so die Analyse von Fraunhofer UMSICHT.
Innovativer Reaktor für die Industrie
Der neu entwickelte Zero-Gap-Reaktor für die CO2-Elektrolyse kann mit einem Differenzdruck von bis zu 40 bar betrieben werden. Dieses neue Design umfasst eine mechanisch stabile Protonenaustauschmembran mit einer dünnen anionischen Deckschicht. Dies ermöglicht eine hohe Produktselektivität von 81 % bei der Umwandlung von CO2 zu CO, besonders bei einer Stromdichte von 500 mA cm-2. Ein entscheidender Vorteil des Reaktors ist die Fähigkeit, mit niedrigem CO2-Überschuss zu arbeiten, wodurch bis zu 25 % des eingesetzten CO2 in einem Durchlauf in CO umgewandelt werden können.
Die hohe Produktselektivität bleibt auch bei Stromdichten über 300 mA cm-2 erhalten. Die Entwicklung dieser Technologie wird als Schritt zur Integration der CO2-Umwandlung in bestehende Chemieindustrien betrachtet und könnte signifikante Fortschritte in der Katalysator- und Reaktortechnologie bedeuten, wie Fraunhofer UMSICHT beschreibt. Zusätzlich wurde ein Patent für das neue Reaktordesign angemeldet, und es wird erwartet, dass die Technologie im Projekt „Leuna 100“ Anwendung finden wird.
Herausforderungen und Optimierungspotenziale
Trotz der Fortschritte gibt es noch Herausforderungen zu bewältigen. Alina Gawel vom Fraunhofer UMSICHT weist darauf hin, dass in der wissenschaftlichen Community ein einheitliches Referenzsystem fehlt, was die Vergleichbarkeit von Studien zur CO2-Elektrolyse erschwert. Viele Forschungsprojekte fokussieren sich auf relativ reines CO2; es besteht jedoch ein großer Bedarf, auch unreine oder niedrigkonzentrierte CO2-Quellen zu untersuchen. Dies wird im Verbundprojekt CO2-Syn umgesetzt, das sich insbesondere auf die Zementindustrie konzentriert, so berichtet Fraunhofer UMSICHT.
Die Langzeitstabilität der verwendeten Katalysatoren und Bauteile ist derzeit noch nicht ausreichend für den industriellen Einsatz belegt. Es ist notwendig, dass Katalysatoren, Zellenaufbau, Design und Herstellung der Elektroden sowie Prozessparameter optimal aufeinander abgestimmt werden. Ebenso mangelt es an geeigneten Membranmaterialien und Ionomeren mit hoher Ionenleitfähigkeit und mechanischer Stabilität. Die Ergebnisse der Studien zu diesen Aspekten zeigen jedoch erhebliche Optimierungspotenziale auf.
