Kohle ist nicht nur ein wichtiger Brennstoff für die Stromerzeugung in der Rheinregion. Auch die chemische Industrie nutzt Kohle, um lebenswichtige Verbindungen herzustellen. Aber sobald die Kohle ausläuft, müssen diese Materialien aus anderen erneuerbaren Quellen stammen. Eines davon ist Kohlenmonoxid, auch bekannt als CO, das für die Bildung von Essigsäure und verschiedenen Polymeren notwendig ist.
Elektrochemische Umwandlung von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid
Forscher des Forschungszentrums Jülich entwickeln dafür umweltfreundliche Technologien auf Basis erneuerbarer Energien. Treibhausgas CO2 Es wird elektrochemisch in Kohlenmonoxid umgewandelt, das als Brennstoff verwendet wird. Jetzt haben die Forscher eine große Hürde genommen und einen skalierbaren Zellstapel für Großanwendungen geschaffen.
Die Studie ist Bestandteil des Projekts iNEW Strukturwandel, das darauf abzielt, mit erneuerbaren Verfahren Beschäftigungswachstum und Arbeitsplatzerhalt in der Rheinregion zu fördern.
„Die Industrie produziert typischerweise CO in großem Maßstab vor Ort. Es ist schwierig zu transportieren, weil es ein giftiges und leicht entzündliches Gas ist“, erklärt Maximilian Quentmeier, Doktorand am Jülicher Zentrum für Energie- und Klimaforschung (IEK-9). Typischerweise wird dieses Gas durch Verbrennen von Kohle mit unzureichender Sauerstoffversorgung erzeugt.
Aber mit dem Ausstieg aus der Kohle werden neue Verfahren erforderlich sein, um sie zu ersetzen. CO wird auch in Zukunft als essentielle Chemikalie unverzichtbar sein. Es wird unter anderem für die Herstellung von Polycarbonaten und Polyurethanen benötigt, die beispielsweise zur Herstellung von Isolierplatten und Brillengläsern verwendet werden.
Maximilian Quentmeier, CO mit Chef Bernhard Schmid2Er arbeitet an einem Verfahren, das als „to-CO-Elektrolyse“ bekannt ist. Das Verfahren verwendet eine sogenannte Gasdiffusionselektrode, die auf der Vorderseite eine poröse Elektrode neben einem flüssigen oder festen Elektrolyten aufweist und auf der Rückseite mit CO2 gespeist wird. Die Elektrode verbindet die beiden Umgebungen und den elektrischen Strom, was zur Bildung von „grünem“ Kohlenmonoxid, CO, führt.
Potenziell klimaschädlich
Dieses Verfahren kommt nicht nur der chemischen Industrie zugute, sondern schont auch die Umwelt. „CO2-Elektrolyseanlagen werden klimaneutral betrieben, wenn sie mit erneuerbaren Energien betrieben werden. Es könnte sogar klimaneutral sein, wenn Kohlendioxid direkt aus der Umwelt gewonnen wird, etwa durch Lufternte oder Biogasproduktion“, ergänzt Bernhard Schmid.
Im Allgemeinen ist die Methode atmosphärisches CO2 kann seine Konzentration aktiv reduzieren. Laut Bernhard Schmid werden nachwachsende Kunststoffe der Zukunft theoretisch wie Holz als Kohlenstoffsenke fungieren.
Quentmeier und Schmid haben einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur Kommerzialisierung erreicht. Durch zahlreiche Modifikationen und den Austausch von Teilen konnten sie die Einzelzelle in einen Batch-Elektrolyseur verwandeln und in einer Reihe von Leistungstests testen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in ACS Sustainable Chemical Engineering veröffentlicht.
Die Zellen sind dicht beieinander in einem Haufen gestapelt. Die Herstellung einer einzelnen großen Zelle ist teurer als die Herstellung einer Charge kleinerer Zellen. „Bei der Erstellung eines Stacks aus einer Zelle sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Beispielsweise haben Gasreaktionszellen mehrere Kammern, die normalerweise in Laborumgebungen nicht unterstützt werden. Die Zellen eines Stacks müssen Druckbelastungen standhalten und gleichzeitig durchlässig bleiben“, erklärt Maximilian Quentmeier.
Die Jülicher Forscher optimierten das Design von Stromkollektor und Gasströmungsfeld unter der Annahme realistischer Prozessbedingungen. Der Elektrolythohlraum wird strukturell durch einen Festkörperstrom gestützt, der durch den Polymerelektrolyt strömt, der aus ionenleitfähigem Kunstharz anstelle des herkömmlichen Flüssigelektrolyten besteht.
Auch der Elektrolytraum zwischen Membran und Anode wurde von den Forschern dank eines innovativen Anodendesigns komplett eliminiert. Die die beiden Zellen verbindende Bipolarplatte dient als Kathode und Anode des Stapels, d. h. als positive und negative Elektrode der benachbarten Zellen.
30 % Wirkungsgrad erreicht der Stack im aktuellen Versuchsaufbau mit nicht wirkungsgradoptimierten modularen Komponenten. Institutspräsident Prof. Rüdiger A. Eichel sagt: „Das ist ein sehr vielversprechendes Ergebnis für diese Art von Verfahren, das bereits unter 100 °C funktioniert.
„Die Architektur der Anlage ist im Vergleich beispielsweise zur Hochtemperatur-Co-Elektrolyse recht einfach und produziert reines CO anstelle von Synthesegas, wodurch es für viele Anwendungen noch einfacher zu verarbeiten ist. Dadurch können Industrieunternehmen in der Rheinregion durch die Dezentralisierung der Plattform-Chemie CO Transportkosten sparen.“ Laut Eichel. Der Zellstack wird nun weiteren Forschungen und Effizienzsteigerungen unterzogen, um die volle Serienreife zu erreichen.
Quelle: techxplore.com/news – Forschungszentrum Jülich
Günceleme: 18/03/2023 22:54