Einstufige Elektrosynthese von Ethen aus CO2

Die Nutzung von Kohlenstoffdioxid (CO2) zur Gewinnung kohlenstoffbasierter Basischemikalien unter Nutzung regenerativer Energie ist ein vielversprechender Ansatz, um den Netto-Ausstoß von CO2 zu reduzieren, fossile Ressourcen zu schonen und damit die wirtschaftliche Abhängigkeit von Ölimporten aus dem außereuropäischen Ausland zu verringern.

© Fraunhofer IGB

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

© Fraunhofer IGB

Elektrochemische Zelle zur CO2-Reduktion.

Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojektes »Strom als Rohstoff« wurde die elektrochemische Synthese von Ethen, einem der wichtigsten Ausgangsstoffe der petrochemischen Industrie, aus CO2 und Wasser demonstriert. Dazu hat das Fraunhofer IGB einerseits neuartige, effiziente Katalysatoren für die CO2-Reduktion zu Ethen sowie eine dafür notwendige Gasdiffusionselektrode entwickelt.

Vollautomatisierter Demonstrator mit elektrolytischer Zelle

Darüber hinaus wurde 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.