Die CO2-Elektrolyse gilt als vielversprechende Methode, um den Kohlenstoffkreislauf zu schließen und Emissionen aus Prozessen wie Betonproduktion oder Müllverbrennung in wertvolles Kohlenmonoxid (CO) umzuwandeln. Dieses CO dient als Rohstoff für chemische Produkte oder synthetische Kraftstoffe. Der praktische Einsatz solcher Verfahren stößt jedoch bislang auf infrastrukturelle Grenzen, da industrielle CO2-Ströme meist unter hohem Druck vorliegen und mit den aktuellen Reaktoren nicht direkt kompatibel sind.
Ein interdisziplinäres Forschungsteam von Fraunhofer UMSICHT und der Ruhr-Universität Bochum hat nun einen technologischen Durchbruch erzielt. Entwickelt wurde ein neuartiger Zero-Gap-Reaktor, der CO2 bei Differenzdrücken bis zu 40 bar effizient umwandelt. Diese Innovation eröffnet neue Möglichkeiten für eine direkte Kopplung der CO2-Elektrolyse an bestehende industrielle Prozesse.
Technologie mit industriellem Anschluss
CO2 fällt in vielen chemischen Prozessen wie der Erdgasreformierung, der Ethylenoxid-Herstellung oder der Oxyfuel-Verbrennung ohnehin unter Druck an. Bislang erforderte die Druckentlastung solcher Ströme zusätzliche Energie und erschwerte die Integration der CO2-Elektrolyse. Der neue Reaktor umgeht diese Herausforderung. Er basiert auf einem neuartigen Design, das eine mechanisch stabile Protonenaustauschmembran mit einer dünnen anionischen Deckschicht kombiniert.
Der Betrieb mit reinem Wasser an der Anode vereinfacht nicht nur die Konstruktion, sondern macht das System auch nachhaltiger. Der Reaktor erzielt bei 500 mA cm⁻² eine CO-Selektivität von 81 Prozent und kann mit minimalem CO2-Überschuss betrieben werden – bis zu 25 Prozent des eingesetzten CO2 werden in einem Durchgang umgewandelt.
Fortschritte für nachhaltige Chemie
Prof. Ulf-Peter Apfel, Leiter der Abteilung Elektrosynthese bei Fraunhofer UMSICHT, betont die Bedeutung des neuen Designs: Der Reaktor verbessert die Umwandlungsraten und die Stabilität des Prozesses deutlich. Damit bietet er eine praxistaugliche Lösung für die industrielle Integration der CO2-Elektrolyse – ein wichtiger Schritt in Richtung nachhaltiger Chemieproduktion.
Das Reaktordesign ist patentiert, eine Anwendung im Rahmen des Projekts »Leuna 100« geplant.
Originalpublikation: Stephan Heuser, Lucas Hoof, Kevinjeorjios Pellumbi, Jan Niklas Oberndorf, Lennart Krämer, Dennis Blaudszun, Kai junge Puring, Michael Prokein, Nils Mölders, Andreas Kilzer, Marcus Petermann, Ulf-Peter Apfel. Differential pressure CO2 electrolysis opens the way for direct coupling to industrial processes. Chem Catalysis, 20 May 2025, 101393, ISSN 2667-1093. https://doi.org/10.1016/j.checat.2025.101393