Elektrosynthese von Basischemikalien

Herausforderung und Konzept

In Deutschland ist die Energiewende in vollem Gange. Der damit verbundene Ausbau von Windkraft und Photovoltaik lässt das Stromangebot aus fluktuierenden Quellen weiter ansteigen. Bei geringer Stromnachfrage kann das Überangebot an elektrischer Energie zur Produktion von Basischemikalien genutzt werden, wodurch sich ein Mehrwert gegenüber dem Netzeintrag generieren lässt.

Dezentrale Herstellung von Basischemikalien und Nutzung von CO2

Besonders vielversprechend ist die Produktion kohlenstoffbasierter Chemikalien aus Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2), welches in diesem Fall nicht als klimaschädigendes Abgas ausgestoßen wird, sondern als Rohstoff genutzt werden kann. Daneben können Elektrosynthese-Prozesse auch im kleineren Maßstab zum Einsatz kommen, um lokal benötigte Basischemikalien dezentral, direkt vor Ort herzustellen. Dadurch werden Bedarfsträger, beispielsweise Krankenhäuser, unabhängig von Zulieferern und eventuellen Lieferengpässen. Ein wichtiger Anwendungsfall ist hier die Produktion von Wasserstoffperoxid aus (Luft-)Sauerstoff (O2) und Wasser.

Elektrochemische Reduktion des gasförmigen Edukts an einer Gasdiffusionslelektrode

Sowohl die Erzeugung kohlenstoffbasierter Basischemikalien als auch die Herstellung von Wasserstoffperoxid basieren dabei auf dem gleichen Konzept: Das gasförmige Edukt (CO2 oder Sauerstoff) wird an einer Gasdiffusionselektrode (GDE) elektrochemisch reduziert und reagiert mit Wasser zum gewünschten, höherwertigen Produkt. Zur weiteren Verbesserung der CO2-Bilanz können diese Elektrosyntheseanlagen jeweils mit Strom aus regenerativen Quellen betrieben werden.

© Fraunhofer IGB
Elektrochemische Zelle zur CO2-Reduktion.

Unser Leistungsangebot

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

Das Fraunhofer IGB entwickelt innovationsübergreifend (Gasdiffusions)elektroden, Durchflusszellen und Prototypen zur elektrochemischen Produktion von Basischemikalien.Die Zellen lassen sich durch die Wahl der verwendeten Elektroden auf den jeweiligen Prozess des Kunden adaptieren.

Vollautomatischer Demonstrator für kundenspezifische Tests

Zudem hat das IGB im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »Strom als Rohstoff« einen vollautomatischen Demonstrator konstruiert und gebaut, mit dem belastbare Aussagen zur Hochskalierung, der Effizienz und der Langzeitstabilität des jeweiligen Verfahrens unter industriellen Betriebsbedingungen getroffen werden können. Dieser Demonstrator steht für kundenspezifische Tests zur Verfügung.

Elektrochemische und materialwissenschaftliche Untersuchungen von Zellen und Elektroden

Neben der Entwicklung der oben genannten eigenen Komponenten können am IGB auch elektrochemische und materialwissenschaftliche Untersuchungen und Tests an von Kunden entwickelten Zellsystemen und Elektroden durchgeführt werden. Dazu steht eine Vielzahl an physikalisch/chemischen Methoden zur Verfügung.

Anwendungsbeispiele

Elektrosynthese von Ethen aus CO2

 

Im Rahmen des Leitprojekts »Strom als Rohstoff« hat das Fraunhofer IGB einen Elektrosyntheseprozess zur direkten Produktion von Ethen aus CO2 und Wasser auf einer 130 cm2 Elektrodenfläche und mit eigenen Katalysatoren im Durchflussbetrieb erfolgreich demonstriert. Dabei wurden in den bisherigen Arbeiten Ethen-Konzentrationen im Produktgas von 1700 ppm bei einer Faraday-Effizienz von 8,5 Prozent erreicht. Nach dem aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik werden vergleichbare Werte vorwiegend im Labormaßstab, mit Elektrodenflächen von wenigen Quadratzentimetern, erzielt. Wesentlich für diese Anwendung ist, dass der Demonstrator die gezielte Entnahme und Analyse der jeweils gasförmigen und flüssigen Produkte erlaubt. In derzeitigen und kommenden Projekten liegt der Fokus darauf, die Effizienz der Elektrosynthese weiter zu steigern.

Elektrosynthese von Wasserstoffperoxid aus (Luft-)Sauerstoff

 

Wasserstoffperoxid (H2O2) ist ein essenzieller Bestandteil von Desinfektionsmitteln und findet Anwendungen als z. B. Bleichmittel. Großtechnisch wird H2O2 nach dem Anthrachinon-Verfahren hergestellt und zumeist als hochkonzentrierte Lösung vertrieben, was mit Aufwand für Transport und Sicherheitsvorkehrungen für den Anwender verbunden ist. Daneben kann die Abhängigkeit von Zulieferern für diese kritische Komponente bei Lieferengpässen in Krisenzeiten zu schwerwiegenden Problemen führen.

Daher ist insbesondere für Anwendungen, in denen Rezepturen mit geringerer Konzentration an Wasserstoffperoxid (3 % und weniger) benötigt werden, die bedarfsgerechte elektrochemische Produktion direkt vor Ort sinnvoll. Der Anwender wird damit unabhängig von eventuellen Lieferengpässen und kann eigene Rezepturen flexibel herstellen.

Mit dem vom Fraunhofer IGB entwickelten elektrolytischen Modul werden für die H2O2-Produktion im Wesentlichen nur (Luft-)Sauerstoff und Wasser benötigt. In bisherigen Arbeiten konnten wir bereits Konzentrationen von Wasserstoffperoxid von 3 Gramm pro Liter erzielen. Der Fokus in den derzeitigen Arbeiten liegt darauf, diese Konzentration weiter zu erhöhen, den Prozess für weitere Anwendungen und ihre Rahmenbedingungen (z. B. H2O2-Produktion in verschiedenen Medien) zu entwickeln sowie den Prozess in vollautomatische Prototypen für die jeweilige Anforderung des Kunden umzusetzen.

Referenzprojekte

CELBICON – Kosteneffiziente Umwandlung von Kohlendioxid in Feinchemikalien

 

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.

 

Laufzeit: März 2016 – Januar 2020

Fraunhofer-Leitprojekt »Strom als Rohstoff«

 

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.

 

Laufzeit: August 2015 – September 2018

OxFloc – Integrierte Wasseraufbereitung über ein einstufiges oxidativ-adsorptives Verfahren

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.

 

Laufzeit: September 2013 – Dezember 2015