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Neuartige Gasdiffusionselektroden auf Basis von Spezialpapieren – EL-Cat CO2-Konvertierung zu CO

Die Energieversorgung in Europa steht vor einer dramatischen Wende. Die alte Energiewelt, welche wir kennen, basierend auf dem Verbrauch von nuklearen und fossilen Ressourcen, dem Vorherrschen von Verbrennungs- und Dampfprozessen, der deutlichen Trennung der Sektoren sowie die starke Verbreiterung von Energiearmut, befindet sich in einem spürbaren Wandlungsprozess. Die Entwicklung soll hin zu einer Welt auf der Basis von erneuerbaren Energien, des hohen Anteils an direkter Stromerzeugung ohne Verbrennungs- oder Dampfprozesse, der stark verzahnten Sektorkopplung, sowie einer deutlichen Verringerung der Energiearmut einhergehen Unabhängig von der Geschwindigkeit der Energiewende, zur Generierung von erneuerbar und nachhaltig produzierten Strom, werden zunehmend Prozesse zur Nutzung dieses Stromes großindustriell umgesetzt.

Die chemische Industrie, als ein Verwender von fossilen Ressourcen zur Herstellung von Chemikalien, stellt allmählich die Prozesse zur Nutzung von klimaschädlichen Treibhausgasen um. Ein bedeutender Teil des Fundamentes ist hierbei der „Power-to-X“ Ansatz Hierbei dient Elektrizität dazu chemische Umwandlungsprozesse unter milden Bedingungen und reduzierten Kohlenstoffdioxid- Emissionen (CO2), grüner Strom vorausgesetzt, nutzbar zu machen.

Projekttitel: » „EL-Cat“ – Anionen Exchange Membrane – Elektrokatalyse zur CO2-Konvertierung von zu CO

Laufzeit: » 01.10.2019 - 30.09.2022

Projektart/träger: » ANR-BMBF „2+2“- Projekte Forschung und Entwicklung für eine nachhaltige Energieversorgung Europas / Projektträger Jülich (PTJ)

Forschungsstellen: » Papiertechnische Stiftung (PTS) – Funktionswerkstoffe, Franziska Bauer & Dr. Stefan Knohl

» Forschungszentrum Jülich – Institut für Energie und Klimaforschung (IEK-3), Dr. Marcelo Carmo

» AirLiquide – Frankfurt Innovation Campus, Dr. Stefan Barwe

» Universitè Paris Diderot – Laboratoire Électrochimique Moléculaire, Prof. Dr. Marc Robert

» AirLiquide – Paris Innovation Campus, Dr. Nicolas Richet

Besonders vielversprechend und zukunftsweisend ist hier die in dem Projekt („EL-Cat“) antizipierte elektrochemische Umwandlung von CO2, zu dem, für die chemische Industrie essentiellen, Kohlenstoffbaustein Kohlenmonoxid (CO). Es dient als wichtiges Zwischenprodukt für die Herstellung von petrochemischen Produkten und Kunststoffen. Bislang werden für die Gewinnung von CO in erster Linie die fossilen Brennstoffe Methan und Kohle verwendet. Die Grundidee dieses deutsch-französischen Verbundprojektes ist eine radikal neue und zugleich bis dato beispiellose CO2 Reduktionstechnologie soweit zu entwickeln, dass auf Basis der Projektergebnisse eine Maßstabsvergrößerung zur industriellen Produktion ermöglicht wird. Im Vergleich zu bestehenden CO Produktionsprozessen verspricht der Projektschwerpunkt eine deutliche Senkung von CO2 Emissionen, sodass ein Beitrag zur Erreichung der Reduktion der CO2-Emissionsziele der europäischen Union geschaffen werden soll. Zusätzlich dient das CO2 im Projekt als Feedstock für „grüne“ C1 Produkte Das macht den Prozess sogar zu einer CO2 Senke.

Das Konsortium, bestehend aus dem Innovation Campus Frankfurt/Paris der Air Liquide, dem Institut für Energie und Klimaforschung des Forschungszentrums Jülich und der Papiertechnischen Stiftung (PTS) sowie dem Laboratoire Électrochimique Moléculaire der Université de Paris widmet sich in einem binationalen Projekt (Frankreich/Deutschland) der innovativen sektorübergreifenden Technologielösung auf dem Gebiet des Energiesektors zur Nutzung von Erneuerbaren Energien. Neben den technischwissenschaftlichen Fragestellungen des Vorhabens, werden ebenso wichtige wirtschaftliche als auch sozioökonomische Aspekte beleuchtet. Das vorgestellte EL-Cat-Projekt wird in mehrfacher Hinsicht von der Zusammenarbeit zwischen französischen und deutschen Einrichtungen und dem Wissensaustausch durch die Weitergabe von Informationen, Kompetenzen und experimentellem Forschungswissen profitieren. Unter besonderer Berücksichtigung der deutschfranzösischen Zusammenarbeit wird die binationale Präsenz von Air Liquide mit F&E-Zentren in Paris und Frankfurt als Brücke zwischen den Ökosystemen und Partnern fungieren.

Jeder Partner trägt hierbei mit seiner Expertise auf einem für das Vorhaben essentiellem Gebiet substantiell zur Erreichung der anvisierten Ziele bei. So entwickelt die Universität Paris Diderot einen hoch selektiven Katalysator für die elektrokatalytische Umwandlung von CO2 zu CO, der auf neuartigen hochporösen und auf Papier basierenden Elektroden, die im Rahmen des Projekts von der Papiertechnischen Stiftung (PTS) entwickelt werden, aufgetragen wird. Das Forschungszentrum Jülich verarbeitet die hergestellten neuartigen Elektroden zusammen mit dem entwickelten Elektrokatalysator zu sogenannten Membran-Elektroden-Einheiten (engl Membrane Electrode Assembly, MEA) MEAs, die den Katalysator und die Elektroden mit einer Anionenaustauschmembran verbinden werden zu einzelnen Zellen oder als Verbünde zu Stacks verbaut. Die Innovation Campus Frankfurt/Paris der Air Liquide übernehmen im Rahmen des Projekts, neben der Projektkoordination die Technologiebewertung und das Testen der entwickelten Zellen und Stacks in einem eigens entwickelten Prüfstand.

Dieser erlaubt es, die Stacks entsprechend industrieller Standards ausreichend testen und qualifizieren zu können. Insbesondere sollen dazu Kurz- und Langzeittests erarbeitet werden, um die Leistung des EL-Cat-Stacks anhand spezifischer Kenndaten wie Langlebigkeit, Robustheit, Selektivität zu CO etc zu prüfen und zu bewerten. Neben der Ermittlung der Kenndaten werden in Kooperation mit dem Innovation Campus Frankfurt/Paris der Air Liquide auch post mortem Untersuchungen von Stack-Komponenten durchgeführt, um Aussagen über Deaktivierungs- und Degradationsmechanismen im Dauerbetrieb zu erhalten. Das finale Ziel ist die Gewinnung von Expertise und Wissen im Bereich der CO2 Elektrokatalyse, und die Übertragung eines Laborprozesses in einen industrierelevanten Maßstab.

Dr. Stefan Knohl,

stefan.knohl(at)ptspaper.de