Kohlendioxid soll künftig nicht nur vermieden oder abgeschieden, sondern als Rohstoff genutzt werden. Forschende der Technischen Universität Berlin arbeiten an Verfahren, mit denen sich CO? mithilfe von Strom direkt in chemische Grundstoffe und Bausteine für synthetische Kraftstoffe umwandeln lässt. Zwei neue Forschungsprojekte werden in den kommenden drei Jahren unterschiedliche Herausforderungen in den Blick nehmen: Während JEThylen die direkte elektrochemische Umwandlung von CO? in Ethylen als Ausgangsstoff für synthetischen Flugkraftstoff weiterentwickelt, arbeitet INNOCELL an leistungsfähigeren und skalierbaren Elektrolysezellen für die CO?-Umwandlung. Für beide Projekte erhält das Fachgebiet Technische Elektrochemie und Elektrokatalyse der TU Berlin insgesamt rund 2,6 Millionen Euro.
Bei vielen Verfahren zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe wird zunächst Wasser mit erneuerbarem Strom aus Sonne, Wind- und Wasserkraft in grünen Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der Wasserstoff wird anschließend benötigt, um zusammen mit CO? Ausgangs- und Zwischenstoffe für die chemische Kraftstoffindustrie zu synthetisieren. Die Forschenden der TU Berlin verfolgen einen anderen Ansatz: Bei der direkten CO?-Elektrolyse wird das Kohlendioxid direkt mit Wasser in einer elektrochemischen Zelle umgesetzt. Dabei können unmittelbar chemische Kraftstoffvorprodukte entstehen, ohne dass zunächst Wasserstoff als eigenständiger Energieträger hergestellt und gespeichert werden muss. Die zentralen Reaktionen dafür laufen bereits im Labor, nun geht es darum, die Elektrolyseure effizienter, langlebiger und größer zu machen.
Das Projekt JEThylen widmet sich der direkten elektrochemischen Umwandlung von CO? in Ethylen. Ethylen ist ein wichtiger Grundstoff der chemischen Industrie und kann als Ausgangsstoff für die Herstellung synthetischen Flugkraftstoffs dienen. In einem nachgeschalteten Verfahren wird es dazu zunächst zu längeren Kohlenwasserstoffen verbunden und anschließend weiterverarbeitet. Der Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass die direkte elektrochemische Reaktion von Kohlendioxid und die anschließende chemische Weiterverarbeitung von Ethylen zu einer vergleichsweise kurzen Prozesskette bei relativ niedrigen Temperaturen führen, wodurch die Energieeffizienz steigt. Das Projekt wird von Siemens Energy als Konsortialführerin koordiniert. Weitere Partnerinstitutionen sind die TU Berlin, das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB und der Luftverkehrs-Thinktank Bauhaus Luftfahrt. Gemeinsam wollen sie die direkte CO?-Elektrolyse zu Ethylen effizienter, langlebiger und für größere Anlagen nutzbar machen. Dafür ist eine Senkung der Zellspannung von derzeit etwa 4,5 auf rund 2,5 Volt vorgesehen. Durch diese und weitere Maßnahmen soll die Energieeffizienz von derzeit etwa 27 auf 50 Prozent gesteigert und ein stabiler Betrieb über mindestens 1.000 Stunden angestrebt werden. Während vergleichbare Laboranlagen bislang typischerweise mit Elektrodenflächen von etwa 10 Quadratzentimetern arbeiten, soll die technische Anlage den Betrieb von Zellen im Bereich von mehreren 100 Quadratzentimetern ermöglichen und darauf aufbauend Konzepte für eine industrielle Skalierung auf Elektrodenflächen bis zu 0,5 Quadratmeter entwickelt werden. JEThylen wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt im Rahmen der Fördermaßnahme DISCO? gefördert. Das Projekt läuft von März 2026 bis Februar 2029, auf die TU Berlin entfällt eine Fördersumme von rund einer Million Euro.
Das zweite Projekt INNOCELL setzt an einer anderen Herausforderung an und untersucht, wie sich Elektrolysezellen generell so gestalten lassen, dass sie auch im größeren Maßstab leistungsfähig und stabil arbeiten. Ausgangspunkt ist ein an der TU Berlin entwickeltes und patentiertes Zelldesign für sogenannte Gasdiffusionselektroden. Diese ermöglichen es, CO? gasförmig direkt an den Katalysator zu führen und so hohe Stromdichten zu erreichen. Im Projekt kommen dabei wasserabweisende, elektrisch isolierende Polymersubstrate zum Einsatz. Sie tragen dazu bei, dass die Gasdiffusionselektroden weniger leicht mit Elektrolyt geflutet werden können. Dieses als Flooding bekannte Problem führt dazu, dass die Poren in den Gasdiffusionselektroden verstopfen und der Prozess massiv behindert wird. Mit Hilfe der wasserabweisenden Polymersubstrate können die Zellen auch bei hohen Stromdichten stabil arbeiten. Für die notwendige elektrische Kontaktierung kommt ein speziell entwickelter Stromabnehmer zum Einsatz. Die Zellen werden bei Temperaturen von 60 bis 80 Grad Celsius und bei bis zu 30 bar Druck getestet, Bedingungen, die für industrielle Anwendungen von CO?-Elektrolyseuren relevant sind. Dabei strebt das Projekt Stromdichten von mindestens 500 Milliampere pro Quadratzentimeter, eine Energieeffizienz von mindestens 45 Prozent und eine Betriebsdauer von mindestens 1.000 Stunden an. Beim Betrieb der Zellen geht es dabei nicht nur um die Elektrolyse zu Ethylen, sondern auch um die Herstellung von Kohlenmonoxid und anderen Kohlenwasserstoffen. Kohlenmonoxid ist ein wichtiges Zwischenprodukt der chemischen Industrie und Bestandteil von Synthesegas, aus dem unter anderem Methanol und andere synthetische Kraftstoffe hergestellt werden. Welche Anwendung im größeren Maßstab weiterverfolgt wird, entscheidet sich im Projekt anhand der erzielten Leistungswerte. Das Projekt läuft von 2026 bis 2029 im Programm VIP+ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, das Forschungsergebnisse mit Potenzial für wirtschaftliche oder gesellschaftliche Anwendungen auf ihre Umsetzbarkeit hin untersucht und weiterentwickelt. Die Fördersumme beträgt für die TU Berlin 1,6 Millionen Euro.
