CO2SimO – Photoelektrochemische CO2-Reduktion und oxidative Wertstoffgewinnung

Projektbeschreibung

CO2-Emissionen aus der energetischen Nutzung von fossilen Brennstoffen durch den Menschen sind die Hauptursache des anthropogenen Treibhauseffektes. Ohne drastische Reduktion der CO2-Emissionen werden sich die Lebensbedingungen auf der Erde dramatisch ändern. Andererseits sind fossile Energieträger, insbesondere Erdöl und Erdgas, wichtige „bequeme“ Ausgangsstoffe für Kraftstoffe und eine Vielzahl von Chemieprodukten, die wesentliche Grundlagen unserer Lebensweise darstellen. Ihre Verfügbarkeit ist, wenngleich nicht kurzfristig, endlich. Ein energetisch und stofflich effizientes, kostengünstiges Verfahren zum CO2-Recycling könnte einen Beitrag leisten zur Reduktion der CO2-Emissionen und der Verwendung fossiler Rohstoffe. Die Erreichung dieser Effekte setzt natürlich voraus, dass energetische und eventuell notwendige stoffliche Inputs aus regenerativen Quellen stammen. Ein erfolgversprechender Ansatz ist die photokatalytische Umwandung von CO2 in Energieträger (wie z. B. Methan).

Ziel des Gesamtvorhabens ist die Entwicklung einer photoelektrochemischen Reaktionszelle, welche CO2 als Rohstoff weiterverwendet, die Produkte Methan und Wasserstoffperoxid gewinnt und dadurch zu einer potentiellen Verringerung von Treibhausgasemissionen beitragen kann. Das gewonnene Wasserstoffperoxid hat einen vergleichsweise hohen Marktwert, so dass gute wirtschaftliche Aussichten und Anreize für eine breite Nutzung der Technologie bestehen. Wasserstoffperoxid ist ein wichtiges Bleich-, Desinfektions- und Oxidationsmittel. Zusätzlich kann das anfallende Methan als Brenn- oder Ausgangsstoff für chemische Prozesse verwendet werden. Zur Erreichung der Ziele sollen zwei innovative Ansätze verfolgt werden:

  1. Zur Erhöhung der Effizienz und Lebensdauer sollen CO2SimO-Photokatalysatoren erstmals in Gasdiffusionselektroden angewendet werden, in denen CO2 direkt mit Sonnenlicht reagiert. Dieser Ansatz ermöglicht die direkte Verwendung von gasförmigem CO2.
  2. Eine Lebenszyklusbewertung der Umwelteigenschaften und Kosten soll die ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit der in CO2SimO entwickelten Prozesse analysieren und bewerten.

Das Ziel des Teilvorhabens des ITAS besteht darin, den Projektpartnern die systemanalytischen Informationen zu liefern, die zur Effizienz- und Nachhaltigkeitsoptimierung der neuen Prozesse notwendig sind. Analysegegenstände sind Umweltwirkungen und Kosten, die unter folgenden Aspekten mit lebenszyklusbezogenen Methoden (LCA, LCC) bestimmt werden:

  1. Optimierung der CO2SimO-Prozesse selbst unter Einbindung in chemische Produktionssysteme und Energiewandlungssysteme.
  2. Positionierung der CO2SimO-Prozesse im Vergleich mit Konkurrenzsystemen.

In den lebenszyklusbezogenen Analysen werden auch die Prozesse berücksichtigt, die nicht unmittelbarer Gegenstand der F&E-Arbeiten in CO2SimO sind, aber unvermeidbar Teile des Gesamtsystems zur Erzeugung der gewünschten Reduktionsprodukte (Bau der Apparate, Produktion der Materialien, Produktion der Additive usw.). Damit soll gewährleistet werden, dass keine Schwachstellen in vor- und nachgelagerten Prozessen verborgen bleiben oder durch Optimierungen im Hauptprozess evtl. sogar erst verursacht werden (z. B. funktionell optimales neues Material mit umweltschädlicherer Herstellung).

Die Analysen erfolgen als F&E-Begleitung in enger Kooperation mit den technischen Partnern. Das ermöglicht die Nutzung von Nachhaltigkeitsinformationen bereits in frühen Phasen der F&E-Arbeiten und damit ggf. nötige Kurskorrekturen mit minimiertem Aufwand durchzuführen.

Publikationen


2021
Vorträge
Albrecht, S.; Bahnemann, D. W.; Barnick, S.; Bloh, J.; Dillert, R.; Lazar, L.; Marschall, R.; Müller, H.; Ostermann, D.; Patyk, A.; Puthenkalam, S.; Schanz, T.; Spyra, B.; Weiß, M.
CO2SimO - Photoelectrochemical CO2-reduction with simultaneous oxidative raw material production.
2021. 1st CO₂ as a sustainable source of carbon - Pathways to industrial applications (CO₂ WIN 2021), Online, 8.–9. Juni 2021 

Kontakt

Dr. Andreas Patyk
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse
Postfach 3640
76021 Karlsruhe

Tel.: 0721 608-24606
E-Mail