Wie gelingt der chemischen Industrie die Transformation zu einer nachhaltigen Wirtschaftsweise? Eine Antwort lautet: durch den Einsatz von Wasserstoff. An entsprechenden Lösungen wird im Projekt »H2-Reallabor Burghausen – ChemDelta Bavaria« gearbeitet. Seit Juli 2024 unterstützt Fraunhofer UMSICHT das dort angesiedelte Teilprojekt »CO2-Direktelektrolyse zu grünem Ethylen (CODE)«. Konkret entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen neuartigen Reaktor zur effizienten Umwandlung von Kohlenstoffdioxid zu Ethylen.

»Ethylen ist aufgrund seiner Vielseitigkeit ein unverzichtbarer Baustein in der chemischen Industrie«, ordnet Dr. Kai junge Puring die Bedeutung der Chemikalie ein. »Sie dient als Ausgangsstoff für die Herstellung zahlreicher weiterer Chemikalien und auch Kunststoffe – darunter Polyethylen, einer der weltweit am häufigsten produzierten Kunststoffe, und Ethylenoxid, das wiederum als Basis für Frostschutzmittel und Polyester dient.« Das Problem: Momentan wird Ethylen in der Regel aus fossilem Rohöl hergestellt.

Aktuell ist die Direktelektrolyse von CO2 und Wasserstoff zu Ethylen wenig effizient 

Die Direktelektrolyse von CO2 und Wasserstoff zu Ethylen stellt eine alternative und nachhaltige Prozessroute dar. Allerdings ist es um ihre Effizienz aktuell nicht so gut bestellt, erklärt Kai junge Puring: »Im Labor liegt die Ethylenausbeute aktuell bei 60 Prozent, und innerhalb weniger Stunden bricht das System zusammen und produziert nur noch Wasserstoff. Zudem ist die Zellspannung zu hoch für einen energieeffizienten und kostengünstigen Betrieb unter realen Bedingungen.« Weitere Herausforderungen sind die Bildung von Nebenprodukten wie Wasserstoff, Ameisensäure und CO, die begrenzte Löslichkeit von CO2 in Wasser sowie Probleme mit der Protonen- und Anionenaustauschmembran.

Die Effizienz der Direktelektrolyse von CO2 und Wasserstoff zu Ethylen zu steigern, um eine industrielle Anwendung zu ermöglichen, ist eines der Ziele im H2-Reallabor Burghausen. Kai junge Puring: »Wir streben Auslegung, Design, Fertigung und Testung eines Elektrolysestacks an, der Ethylen mit einigen Kilogramm pro Tag produziert.« Ein Fokus der Forschenden am Fraunhofer UMSICHT liegt dabei auf der Entwicklung eines effizienten Zelldesigns für den Demonstrator sowie der Skalierung der Elektrodenkonzepte der Projektpartner. Dabei baut man auf die Erfahrungen in der Skalierung der CO2-Elektrolysetechnologie mit Membran-Elektroden-Einheiten für die Produktion von grünem Kohlenmonoxid auf.

H2-Reallabor-Geschäftsführer und Gesamtprojektleiter Dr.Christian Hackl freut sich, dass mit Fraunhofer UMSICHT nun ein sehr kompetenter neuer Partner mit im Konsortium ist: »Mit der Abteilung um Prof. Ulf-Peter Apfel ist ein bestens geeigneter neuer Projektpartner gefunden worden, der sich seit mehreren Jahren mit der nachhaltigen Konversion und Speicherung von elektrischer Energie – insbesondere in Form der CO2-zu-CO-Elektrolyse – und der Herstellung neuartiger Katalysematerialien bis hin zu Pilotanlagen beschäftigt.«

Zum Hintergrund 

Im Teilvorhaben »CO2-Direktelektrolyse zu grünem Ethylen (CODE)« des Projekts »H2-Reallabor Burghausen – ChemDelta Bavaria« arbeitet Fraunhofer UMSICHT mit einem Konsortium bestehend aus Rohrdorfer, WACKER, ESy-Labs, Westlake Vinnolit, TH-Rosenheim, TU München, Universität Stuttgart und Scheuch zusammen. Insgesamt haben sich im Reallabor 35 Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft für vier Jahre zusammengeschlossen. Gefördert wird das Projekt mit über 40 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Angesiedelt ist es in der Region ChemDelta Bavaria im südöstlichen Oberbayern mit rund 25 Unternehmen der Chemiebranche und mehr als 20 000 Beschäftigten.