Kohlenstoffdioxid in chemischer Kreislaufwirtschaft nutzen

Die Energiewende forciert die Nutzung regenerativer Energien sowie eine ressourcenschonende Kreislaufwirtschaft. Forscherinnen und Forscher der Technischen Universität Clausthal verwenden grünen Strom für die CO2-Elektrolyse, um Ausgangsstoffe für chemische Prozesse herzustellen. Sie untersuchen die komplexen Vorgänge, optimieren Elektroden und integrieren die verschiedenen Verfahren in einen CO2-Kreislauf.

Abb. 1: Lydia Weseler untersucht im Laborteststand Elektroden für die CO2-Elektrolyse. (© TU Clausthal)

Energiespeicherung und Herstellung von Chemikalien kombinieren

Fossile Energieträger setzen bei der Verbrennung viel Kohlenstoffdioxid (CO₂) frei und tragen erheblich zur globalen Erwärmung bei. Daher werden sie zunehmend durch erneuerbare Alternativen wie Wind- und Solarenergie ersetzt. In der Regel fallen diese jedoch abhängig von den Wetterbedingungen stark fluktuierend an, sodass effiziente Speichertechnologien benötigt werden. Gleichzeitig werden in der chemischen Industrie weiterhin zahlreiche kohlenstoffbasierte Verbindungen benötigt, beispielsweise für die Kunststoffherstellung, während CO₂ in großen Mengen als Abfallstoff anfällt. Die CO₂-Elektrolyse kombiniert die Aspekte der Energiespeicherung und der Herstellung von kohlenstoffbasierten Verbindungen, wodurch ein CO₂-Kreislauf entsteht.

Hohe Ausbeute, geringer Energiebedarf

Mit der Elektrolyse können aus Kohlenstoffdioxid unter Einsatz von grünem Strom wichtige Basis-Chemikalien für die chemische Industrie, beispielsweise Kohlenstoffmonoxid oder Ethylen, synthetisiert werden. Nach der Nutzung der Endprodukte, die als Energiespeicher in chemischer Form fungieren, werden diese in der Regel thermisch verwertet. Dabei entsteht wieder CO₂, welches mit Hinblick auf eine Kreislaufwirtschaft erneut für die CO₂-Elektrolyse eingesetzt werden kann. Die zentrale Komponente der Elektrolyse ist die Elektrode, an der das CO₂ elektrochemisch umgesetzt wird. Das Institut für Chemische und Elektrochemische Verfahrenstechnik der TU Clausthal arbeitet in verschiedenen Projekten daran, die Struktur der eingesetzten Elektroden zu optimieren, um eine möglichst hohe Ausbeute des Zielproduktes bei geringem Energiebedarf zu erreichen.

Abb. 2: Die CO2-Elektrolyse kombiniert die Aspekte der Energiespeicherung und der Herstellung von kohlenstoffbasierten Verbindungen, wodurch ein CO2-Kreislauf entsteht. (© TU Clausthal)

Neu entwickeltes Sprühverfahren für Elektroden

Zum Beispiel stellen die Forschenden Elektroden auf Basis eines Silberkatalysators mit einem selbst entwickelten Sprühverfahren her und bewerten sie hinsichtlich ihrer Performance für die CO₂-Elektrolyse. Die Vorgänge innerhalb dieser Elektroden sind äußerst komplex, weil es sich um ein Zusammenspiel von gasförmigem Edukt, flüssigem Elektrolyt und festem Katalysator handelt. Diese drei Phasen müssen dabei in einer möglichst idealen Verteilung vorliegen. Da die innerhalb der Elektrode ablaufenden Vorgänge experimentell nur mit hohem Aufwand zugänglich sind, nutzen die Forschenden ergänzende mathematische Modelle, um die Prozesse besser zu verstehen sowie den Elektrodenaufbau zu optimieren.