CO2EXIDE – CO2-basierte Elektrosynthese von Ethylenoxid

Ziel des Projekts CO2EXIDE ist die Etablierung eines elektrochemischen, energieeffizienten und nahezu CO2-neutralen Verfahrens zur Herstellung von Ethylen aus CO2, Wasser und erneuerbaren Energien. Einer der zentralen Schritte ist die Entwicklung eines neuartigen Elektrolyseurs, der eine gleichzeitige Reaktion auf Anode und Kathode ermöglicht, die energie- und ressourceneffizienter ist.

CO2EXIDE.

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Im englischsprachigen Film erhalten Sie einen Einblick in das Forschungsprojekt CO2EXIDE und lernen die Projektbeteiligten bei deren Arbeit in ihren Labors und Instituten vor Ort kennen.

Entwicklung einer neuartigen Elektrolysezelle

Am 1. Januar 2018 startete das vom Fraunhofer IGB koordinierte Projekt »CO2EXIDE – CO2-basierte Elektrosynthese von Ethylenoxid«. Der Straubinger Institutsteil BioCat entwickelt in diesem im Rahmen der öffentlich-privaten Partnerschaft SPIRE (Sustainable Process Industry through Resource and Energy Efficiency) geförderten Projekt eine kombinierte elektrochemisch-chemische Technologie zur Herstellung von Ethylenoxid aus biobasiertem CO2.

Der CO2EXIDE-Ansatz führt Physiker, Chemiker, Ingenieure sowie Kommunikationsexperten aus fünf Forschungseinrichtungen, zwei Industrieunternehmen und drei KMU im Projekt zusammen. Mit ihren innovativen Schlüsseltechnologien tragen sie dazu bei, dass ein beispielloses Verfahren auf der Grundlage von CO2, erneuerbaren Energien und Wasser entwickelt und so der Chemie- synergetisch mit dem Energiesektor verbunden werden kann.

Einer der zentralen Schritte dabei ist die Entwicklung einer neuartigen Elektrolysezelle. Hier produziertes Ethylen und Wasserstoffperoxid wird anschließend in einen chemischen Kaskadenreaktor eingespeist und in Ethylenoxid und verschiedene Polyethylenglykole umgewandelt.

Synthese von Wasserstoffperoxid in einer elektrochemischen Zelle

Wasserstoffperoxid (H2O2) ist ein bedeutendes Produkt der chemischen Industrie. 95 Prozent der weltweiten H2O2-Produktion von etwa 2,2 Megatonnen wird nach dem Anthrachinon-Prozess hergestellt. Dies ist ein teures Verfahren, das für die verbrauchernahe lokale Produktion in kleinem Maßstab nicht geeignet ist.

Die elektrochemische Synthese von H2O2 stellt ein alternatives und kosteneffizientes Produktionsverfahren dar, das sowohl im kleinen als auch großindustriellen Maßstab anwendbar ist. Gemeinsam mit Partnern der Universität Southampton haben Wissenschaftler am Fraunhofer IGB kürzlich einen Übersichtsartikel zu Design und Bewertung von Elektrodenmaterialien für die Elektrosynthese von H2O2 veröffentlicht [1]. Ein wichtiger Ansatz in diesem Zusammenhang ist die partielle kathodische Reduktion von Sauerstoff (O2), wobei entweder Edelmetalllegierungen oder dotierter Kohlenstoff als Elektrodenmaterialen zum Einsatz kommen. Alternativ kann H2O2 durch anodische Oxidation von Wasser (H2O) unter Verwendung von Metalloxiden wie BiVO4 als Elektrokatalysatoren gewonnen werden. Die Schwierigkeit besteht hierbei darin, die thermodynamisch begünstigte Sauerstoffbildung zu unterdrücken.

Katalysatoren für Synthese von Ethylen durch Reduktion von CO2 und von H2O2 durch Oxidation von Wasser

Im Rahmen des EU-geförderten Projekts CO2EXIDE arbeitet das Fraunhofer IGB mit europäischen Partnern an der Entwicklung aktiver und selektiver Katalysatoren für die parallele Synthese von Ethylen (C2H4) durch die kathodische Reduktion von CO2 sowie von H2O2 durch die anodische Oxidation von Wasser. Beide Produkte werden in einer anschließenden Reaktion zu Ethylenoxid (C2H4O) umgesetzt. Somit ermöglicht der in CO2EXIDE verfolgte Ansatz die effiziente Produktion von drei wichtigen Plattformchemikalien – Ethylen, Wasserstoffperoxid und Ethylenoxid – aus CO2, Wasser und elektrischer Energie, also aus gut verfügbaren und komplett erneuerbaren Ressourcen. 

 

Literatur

[1] Perry, S.C.; Pangotra, D.; Vieira, L. et al. (2019) Electrochemical synthesis of hydrogen peroxide from water and oxygen. Nat Rev Chem 3: 442–458. doi:10.1038/s41570-019-0110-6

Weitere Publikationen im Rahmen des Projekts CO2Exide

Rodin, V.; Lindorfer, J.; Böhm, H.; Vieira, L. (2020) Assessing the potential of carbon dioxide valorisation in Europe with focus on biogenic CO2. Journal of CO2 Utilization 41. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2020.101219

Projektinformationen

Projekttitel

CO2EXIDE – CO2-based Electrosynthesis of ethylene oXIDE


Projektlaufzeit

Januar 2018 – Dezember 2020

 

Kooperationspartner

  • Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Deutschland (Koordination)
  • University of Science and Technology Krákow, Polen
  • Institute of Solid State Physics of the University of Latvia, Lettland
  • Budapest University of Technology and Economics, Ungarn
  • University of Southampton, Department Engineering and the Environment, Großbritanien
  • Schaeffler Technologies AG & CO. KG, Deutschland
  • Siemens AG, Deutschland
  • Energie Institut an der Johannes Kepler Universität Linz, Österreich
  • Axiom angewandte Prozesstechnik, Österreich
  • EPC – Projektgesellschaft für Klima. Nachhaltigkeit. Kommunikation. mbH (gemeinnützig), Deutschland

Förderung

Wir danken der Europäischen Union für die Förderung des Projekts » CO2EXIDE« im Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020, Finanzhilfevereinbarung 768789.

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