Elektrochemie

Herausforderung und Konzept

In Deutschland ist die Energiewende in vollem Gange. Der damit verbundene Ausbau von Windkraft und Fotovoltaik lässt das Stromangebot aus fluktuierenden Energiequellen weiter ansteigen. Mit elektrochemischen Synthesen lässt sich der temporär anfallende Überschussstrom sinnvoll für energieintensiven Produktionen nutzen.

Unser Leistungsangebot

Mit am IGB entwickelten Gasdiffusionselektroden können wir Überschussstrom aus dem fluktuierenden regenerativen Stromangebot zur elektrosynthetischen Bereitstellung von Basischemikalien einsetzen.

Zur Prozessentwicklung stehen skalierbare Durchflusszellen zur Verfügung, die durch Austausch der Gasdiffusionslage schnell adaptierbar sind.

Elektrosynthese

© Fraunhofer IGB

Demonstrator mit den Kreisläufen zur Elektrolyt- (linke Seite) und Gasführung (rechte Seite).

© Fraunhofer IGB

Elektrochemische Zelle zur CO2-Reduktion.

Mit der Energiewende und dem Ausbau der regenerativen dezentralen Stromerzeugung steht zukünftig – witterungsabhängig – kostengünstiger durch Windkraft und Solaranlagen gewandelter Strom zur Verfügung. Wird dieser fluktuierend anfallende Überschussstrom flexibel für elektrochemische Reaktionen genutzt, können Basischemikalien nachhaltig hergestellt werden.

 

Vollautomatisierter Demonstrator mit elektrolytischer Zelle

Für die einstufige Elektrosynthese von Ethen aus CO2 wurde im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »Strom als Rohstoff« ein vollautomatischer Demonstrator konstruiert und gebaut, mit dem belastbare Aussagen zu Scale-up-Design und zur Effizienz in Hinblick auf die industrielle Nutzung des Verfahrens getroffen werden können. Für den vollautomatischen Betrieb ist der Demonstrator mit einer Prozesssteuerung versehen. Kernkomponente ist eine elektrolytische Zelle, in die die Gasdiffusionselektrode (GDE) integriert wurde.

Mit dieser Anlage konnten wir den Elektrosyntheseprozess auf 130 cm2 Elektrodenfläche und mit eigenen Katalysatoren im Durchflussbetrieb erfolgreich demonstrieren. Dabei wurden in den bisherigen Arbeiten Ethen-Konzentrationen im Produktgas von 1700 ppm bei einer Faraday-Effizienz von 8,5 Prozent erreicht. Nach dem Stand von Wissenschaft und Technik werden vergleichbare Werte bisher ausschließlich im Labormaßstab erzielt, mit Elektrodenflächen von wenigen Quadratzentimetern.

Die Anlage erlaubt zudem die gezielte Analyse der jeweils gasförmig und flüssig erzeugten Produkte. Zudem können weitere Prozessparameter eingestellt und überwacht werden, um die Technologie und den Prozess zu optimieren und Aussagen über die Effizienz und Langzeitstabilität treffen zu können.

 

Übertragbar auf weitere Elektrosyntheseprozesse, Screening, Scale-up

Mit der Anlage können nun bisher im Labormaßstab erzielte Ergebnisse in einen ersten industrierelevanten Maßstab übertragen werden.

Daneben ist der konstruktive Aufbau des Demonstrators auch auf andere Elektrosyntheseprozesse übertragbar und ermöglicht Screenings von Katalysator- und Elektrodenmaterialien.

Gasdiffusions-Elektroden

Mit am IGB entwickelten Gasdiffusionselektroden können wir Überschussstrom aus dem fluktuierenden regenerativen Stromangebot zur elektrosynthetischen Bereitstellung von Basischemikalien einsetzen. Zur Prozessentwicklung stehen skalierbare Durchflusszellen zur Verfügung, die durch Austausch der Gasdiffusionslage schnell adaptierbar sind.

Referenzprojekte

CELBICON – Kosteneffiziente Umwandlung von Kohlendioxid in Feinchemikalien

Laufzeit: März 2016 – Januar 2020

Ziel des CELBICON-Projektes ist die Entwicklung von neuen »CO2-to-chemicals«-Technologien. Dieses Ziel wird durch die Kombination aus Absorption von CO2 aus der Luft, elektrochemischer CO2-Umsetzung zu C1-Intermediaten und einer abschließenden Fermentation der Intermediate zu höherwertigen Chemikalien erreicht.

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Fraunhofer-Leitprojekt »Strom als Rohstoff«

Laufzeit: August 2015 – September 2018

Im Leitprojekt »Strom als Rohstoff«, das Ende Oktober 2015 startete, soll Überschussstrom aus der Energiewende für die elektrosynthetische Herstellung von Basischemikalien erschlossen werden. Innerhalb des Projekts koordiniert das Fraunhofer IGB die Entwicklung eines neuen einstufigen Verfahrens, mit dem Ethen elektrochemisch in nur einem Verfahrensschritt aus CO2 und Wasser hergestellt werden soll.

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OxFloc – Integrierte Wasseraufbereitung über ein einstufiges oxidativ-adsorptives Verfahren

Laufzeit: September 2013 – Dezember 2015

Das EU-Projekt OxFloc beschäftigt sich mit der Wasseraufbereitung, wobei hier in einem integrierten Ansatz über ein einstufiges oxidativ-adsorptives Verfahren gefährliche Substanzen abgebaut und entfernt werden sollen. Dadurch sollen in Zukunft nicht nur Betriebskosten der Abwasseraufbereitung gesenkt, sondern ein weitreichender Nutzen für die Umwelt erzielt werden.

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SteamBio – Nutzung einheimischer Biomasse zur Herstellung von Rohstoffen für chemische und energetische Anwendungen

Laufzeit: Februar 2015 – Juli 2018

In dem vom Fraunhofer IGB koordinierten Projekt »SteamBio« wird ein Prozess entwickelt, um Lignocellulose-Materialien, z. B. land- und forstwirtschaftliche Reststoffe, mit mobilen Anlagen lokal in den Regionen, in denen sie anfallen, so zu konditionieren, dass sie vollständig stofflich verwertet sowie optimiert transportiert, gelagert und verwertet werden können. Dies soll durch einen flexiblen Torrefizierungs- und Zerkleinungsprozess mittels überhitztem Wasserdampf geschehen. Elf Projektpartner aus vier europäischen Ländern forschen seit dem 1. Februar 2015 für drei Jahre gemeinsam in diesem herausfordernden Projekt.

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