Ohne Umweg über Wasserstoff CO₂ direkt in Kraftstoffe und Chemikalien umwandeln

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Bei der direkten CO₂-Elektrolyse entfällt die separate Herstellung und Speicherung von Wasserstoff als erster Prozessschritt. Für eine industrielle Nutzung müssen die Zellen jedoch weniger Strom verbrauchen und länger stabil arbeiten. Zwei Forschungsprojekte sollen diese Hürden überwinden – und damit neue Wege zu chemischen Grundstoffen und synthetischem Flugkraftstoff eröffnen.

Kohlendioxid soll künftig nicht nur vermieden oder abgeschieden, sondern als Rohstoff genutzt werden: Forschende der Technischen Universität Berlin arbeiten an Verfahren, mit denen sich CO₂ mithilfe von Strom direkt in chemische Grundstoffe und Bausteine für synthetische Kraftstoffe umwandeln lässt. Zwei neue Forschungsprojekte werden dabei in den kommenden drei Jahren unterschiedliche Herausforderungen in den Blick nehmen: Während Jethylen die direkte elektrochemische Umwandlung von CO₂ in Ethylen als Ausgangsstoff für synthetischen Flugkraftstoff weiterentwickelt, arbeitet Innocell an leistungsfähigeren und skalierbaren Elektrolysezellen für die CO₂-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 von Sonne, Wind- und Wasserkraft in grünen Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der Wasserstoff wird anschließend benötigt, um zusammen mit CO₂ Ausgangs- und Zwischenstoffe für die chemische Kraftstoffindustrie zu synthetisieren. Die Forschenden der TU Berlin verfolgen einen anderen Ansatz: Bei der direkten CO₂-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. „Unsere zentralen Reaktionen dafür laufen bereits im Labor“, sagt Prof. Dr. Peter Strasser, Leiter des Fachgebiets Technische Elektrochemie und Elektrokatalyse. „Jetzt geht es darum, die Elektrolyseure effizienter, langlebiger und größer zu machen.“

Ethylen als Ausgangsstoff für synthetischen Flugkraftstoff

Das Projekt Jethylen widmet sich der direkten elektrochemischen Umwandlung von CO₂ 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: Die direkte elektrochemische Reaktion von Kohlendioxid und die anschließende chemische Weiterverarbeitung von Ethylen führen zu einer vergleichsweise kurzen Prozesskette bei relativ niedrigen Temperaturen. Dadurch steigt die Energieeffizienz.

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 CO₂-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 wollen wir die Energieeffizienz von derzeit etwa 27 auf 50 Prozent steigern. Gleichzeitig streben wir einen stabilen Betrieb über mindestens 1.000 Stunden an“, sagt Strasser. Auch bei der Größe geht es um einen deutlichen Schritt: 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 cm² ermöglichen und darauf aufbauend Konzepte für eine industrielle Skalierung auf Elektrodenflächen bis zu 0,5 Quadratmeter – also 5000 Quadratzentimeter – entwickelt werden. Jethylen wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert – und zwar im Rahmen der Fördermaßnahme DISCO₂ („Disruptive Ansätze zur industriellen Nutzung von CO₂“). Das Projekt läuft von März 2026 bis Februar 2029, auf die TU Berlin entfällt eine Fördersumme von rund einer Million Euro.

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Neue Zellen für die CO₂-Elektrolyse

Das zweite Projekt Innocell setzt an einer anderen Herausforderung an: Wie lassen sich Elektrolysezellen generell so gestalten, 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, CO₂ 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 somit 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.

Nicht nur Produktion von Ethylen

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 CO₂-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: Innocell untersucht auch die Herstellung von Kohlenmonoxid (CO). CO 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“, erklärt Peter Strasser.

Das Projekt läuft von 2026 bis 2029 im Programm „VIP+“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Damit werden 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.

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