Elektrosynthese von Basischemikalien

Herausforderungen

Chemische Speicherung volatiler erneuerbarer Energie

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.

Chemikalien aus Strom ersetzen fossile Rohstoffe

Zum anderen basieren viele industrielle Prozesse auf der Nutzung von Basischemikalien, die bislang überwiegend aus (meist importierten) fossilen Ressourcen gewonnen werden und deren Zukauf und Lagerung mit Aufwand und Kosten verbunden ist.

 

Lösungsansatz und Konzept

© Fraunhofer IGB
Elektrochemische Zelle zur CO2-Reduktion.

Daher entwickelt das Fraunhofer IGB elektrochemische Prozesse, mit denen Basischemikalien dezentral am Ort des Bedarfs synthetisiert werden können.

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 Elektrosyntheseprozesse 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.

Schematische Darstellung der Elektrosynthese von Basischemikalien aus CO2 und Wasser. Die Syntheseprodukte der CO2-Reduktion an der Kathode verlassen die Elektrolysezelle über den Gasstrom oder den Katholyten.
© Fraunhofer IGB
Schematische Darstellung der Elektrosynthese von Basischemikalien aus CO2 und Wasser. Die Syntheseprodukte der CO2-Reduktion an der Kathode verlassen die Elektrolysezelle über den Gasstrom oder den Katholyten.

Elektrochemische Prozesse und Anwendungen

Synthese kohlenstoffhaltiger Basischemikalien aus CO2 und Wasser

  • Elektrosynthese von Ameisensäure
  • Herstellung höherwertiger Chemikalien durch elektro- / biokatalytische
    Prozesskaskaden; Beispiel: CO2 -> Ameisensäure -> C1-Fermentation -> Polymerbausteine
  • Elektrosynthese von Ethen
  • Herstellung höherwertiger Plattformchemikalien (z. B. Ethylenoxid) durch Kombination von elektro- und heterogenkatalytischen Prozessen

 

Entwicklungsbeispiel: Elektrosynthese von Formiat aus CO2

Die elektrochemische CO2-Reduktion zu kohlenstoffbasierten Plattformchemikalien, beispielsweise zu Ameisensäure (Formiat), ist ein Fokus unserer Arbeiten. Bei der Synthese von Ameisensäure kombiniert das Fraunhofer IGB die elektrochemische Reaktion zudem mit einem anschließenden biotechnologischen Prozess, nämlich der fermentativen Konversion des C1-(Zwischen-)Produkts (also Ameisensäure, HCOOH) in hochwertige Chemikalien.

Entwicklungsbeispiel: 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.

Dezentrale und bedarfsorientierte Bereitstellung von Wasserstoffperoxid (H2O2)

  • Kathodische H2O2-Produktion durch Reduktion von (Luft-)Sauerstoff an Gasdiffusionselektroden
  • Anodische H2O2-Produktion durch Oxidation von Wasser an kohlenstoffbasierten Elektroden

 

Entwicklungsbeispiel: 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.

Elektrosynthese höherwertiger Chemikalien aus industrierelevanten biogenen Reststoffströmen

Beispiele relevanter Reststoffe:

  • 5-HMF
  • Lignin

Unsere Leistungsangebote

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

Die wissenschaftlich-technischen Arbeiten des Fraunhofer IGB reichen von der Komponentenentwicklung (Gasdiffusionselektroden, Katalysatormaterialien) und der Prozessentwicklung bis hin zum Design elektrochemischer Zellen und Demonstratoranlagen. Die Zellen lassen sich durch die Wahl der verwendeten Elektroden auf den jeweiligen Prozess des Kunden adaptieren.

Vollautomatischer Demonstrator für kundenspezifische Tests

Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »Strom als Rohstoff« hat das IGB 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 Technologien und 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.

Leistungen im Überblick

  • Konzeptionelle Entwicklungen, Analytik und Charakterisierung zu elektrochemischen Synthesen
  • Entwicklung und Optimierung von Elektrokatalysatoren, Elektroden und Elektrolysezellen für eine Vielzahl von Anwendungen
  • Kunden- und anwendungsspezifische Prozess-, Technologie- und Prototypenentwicklung
  • Simulation und Modellierung
  • Scale-up, Prozess- und Anlagendesign
  • Ökologische und ökonomische Bewertungen

Ausstattung

  • Durchflusszellen mit Elektrodenflächen zwischen 10 cm2 und 130 cm2
  • Zwei mobile, automatisierte Demonstratoraufbauten für den Dauerbetrieb
  • Chemisch-physikalische Labore und Technika
  • Elektroden-Charakterisierung (REM, XRD, FTIR etc.)
  • Chemische Analytik (GC, HPLC, NMR)
  • SolidWorks® CAD-Software zur Konstruktion von Zellen und Anlagen
  • COMSOL Multiphysics® Simulationssoftware zur Prozessmodellierung

Publikationen

Produktblatt »Elektrosynthese von Basischemikalien«

Referenzprojekte

Fraunhofer-Leitprojekt »ShaPID«

Shaping the Future of Green Chemistry by Process Intensification and Digitalization

 

In ShaPID will Fraunhofer zeigen, dass eine nachhaltige, grüne Chemie durch praxisnahe technologische Innovationen in der Prozessintensivierung und Digitalisierung erreicht werden kann. Dazu werden auf Grundlage der international anerkannten »12 Principles of Green Chemistry« gezielt neue Technologieentwicklungen in vier komplementären Bereichen vorangetrieben.

 

Laufzeit: Januar 2021 – Dezember 2023

CO2Exide – CO2-basierte Elektrosynthese von Ethylenoxid

 

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

 

Laufzeit: Januar 2018 – Dezember 2020

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