Die Eindämmung der weiteren globalen Erwärmung ist wahrscheinlich die größte Herausforderung, vor der die Menschheit derzeit steht. Dazu müssen die Treibhausgasemissionen drastisch reduziert werden. Diese Treibhausgase werden freigesetzt, wenn Kraftstoffe, Chemikalien und Kunststoffe so wie bisher aus fossilen Rohstoffen gewonnen werden.
Soll das vermieden werden, müssen die Kohlenstoffkreisläufe dieser Produkte mit Hilfe moderner Technologien geschlossen werden. Diese werden unter dem Oberbegriff „Carbon Capture and Utilization“ (CCU) zusammengefasst. Diese innovativen Verfahren nutzen abgeschiedenes CO2 aus Industrieemissionen als Rohstoff und dazu erneuerbare Energiequellen, um aus dem CO2 wieder Kraftstoffe, Chemikalien oder Kunststoffe herzustellen. In der Zukunft soll CO2 auch direkt aus natürlichen Quellen gewonnen werden, um eine nachhaltigere Industrie zu schaffen.
Eine vielversprechende Möglichkeit zur Nutzung des abgeschiedenen CO2 bietet die CO2-Elektrolyse. Dabei wird CO2 elektrochemisch in wertvolle Substanzen wie Kohlenmonoxid (CO) oder Ethylen umgewandelt. CO ist eine Schlüsselkomponente bei der Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien, Ethylen wiederum bildet die Basis für viele Kunststoffe. Der aktuelle Markt für CO wird auf 2,8 Milliarden Euro, der für Ethylen auf 215 Milliarden Euro geschätzt. Beide Stoffe werden derzeit noch aus fossilen Quellen gewonnen, was erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt hat.
Um diese Technologie weiterzuentwickeln, forschen wir an fortschrittlichen Reaktoren, die CO2 kontinuierlich und effizient umwandeln können. Dazu wird die CO2-Elektroreduktion im kleineren Maßstab optimiert und anschließend skaliert. Ein vielversprechender und skalierbarer Ansatz ist die Zero-Gap-Reaktorarchitektur, die aus der Wasserelektrolyse bekannt ist. Hier liegen die Elektroden und Katalysatorschichten direkt an der Membran, dem Feststoffelektrolyten, an und bilden eine so¬genannte Membran-Elektroden-Einheit. Diese Technologie befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, und es bedarf weiterer Forschung, um ihre Produktausbeute, Energieeffizienz und Langzeitstabilität zu verbessern.
Wir prüfen und beforschen insbesondere, ob eine Erhöhung des Drucks des CO2-Stroms, die CO2-Elektrolyse effizienter und selektiver macht. Dazu haben wir einen Hochdruckreaktor entwickelt, der es ermöglicht, den Druck des CO2 auf bis zu 200 bar(g) zu erhöhen. Der erhöhte Druck sorgt dafür, dass mehr CO2-Moleküle an der Katalysatoroberfläche für die Reaktion zur Verfügung stehen, was die Effizienz steigert und unerwünschte Nebenreaktionen reduziert. Nach einer Optimierung der Membran-Elektroden-Einheit soll unser Reaktor skaliert werden, um die Technologie näher an den industriellen Anwendungsfall heranzuführen.