Kohlendioxid dient zunehmend als alternativer C1-Baustein zur Vermeidung fossiler Rohstoffe. Forschende der TU Berlin entwickeln Verfahren zur direkten elektrochemischen Reduktion von CO2 zu Grundchemikalien und Vorstufen synthetischer Kraftstoffe. Zwei neue Verbundprojekte adressieren hierbei spezifische prozess- und zelltechnische Herausforderungen. Das Projekt JEThylen fokussiert die selektive elektrokatalytische Umwandlung von CO2 zu Ethylen als Jet-Fuel-Precursor. INNOCELL erforscht neuartige, skalierbare Elektrolysezellen-Designs. Das Fachgebiet Technische Elektrochemie und Elektrokatalyse erhält hierfür Fördermittel in Höhe von rund 2,6 Millionen Euro.
Im Vergleich zu mehrstufigen Power-to-X-Routen über eine primäre Wasserelektrolyse und anschließende thermokatalytische Hydrierung erlaubt die direkte CO2-Elektrolyse die unmittelbare Umsetzung mit H2O in einer galvanischen bzw. elektrolytischen Zelle. „Unsere zentralen Reaktionen dafür laufen bereits im Labor“, sagt Prof. Dr. Peter Strasser. „Jetzt geht es darum, die Elektrolyseure effizienter, langlebiger und größer zu machen.“
Direkte Ethylen-Synthese für synthetische Flugkraftstoffe
Das Projekt JEThylen befasst sich mit der direkten elektrochemischen Synthese von Ethylen (C2H4). Das Olefin dient als Plattformchemikalie und wird über nachgeschaltete Oligomerisierungsreaktionen zu höhermolekularen Kohlenwasserstoffen verarbeitet. Die Kombination aus direkter elektrochemischer CO2-Reduktion und Niedertemperatur-Folgereaktionen verkürzt die Prozesskette und steigert die Gesamteffizienz.
Unter Konsortialführung von Siemens Energy arbeiten die TU Berlin, das Fraunhofer IGB und das Bauhaus Luftfahrt an der Optimierung der Faraday-Effizienz und Zellmechanik. Ziel ist die Senkung der Zellspannung von ca. 4,5 auf 2,5 V. „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. Zudem soll die Elektrodenfläche von Labormaßstäben (~10 cm2) auf technische Zelldimensionen (mehrere 100 cm2) skaliert und Konzepte für Flächen bis zu 0,5 m2 (5.000 cm2) erarbeitet werden. JEThylen wird vom BMFTR im Rahmen der Initiative DISCO2 gefördert (Laufzeit: 03/2026–02/2029; TU-Anteil: ~1 Mio. Euro).
Zellarchitektur und Vermeidung von Elektroden-Flooding
Das Projekt INNOCELL adressiert das Scale-up und die hydrodynamische Stabilität von Gasdiffusionselektroden (GDE). Um den Massentransport des gasförmigen CO2 an die elektrokatalytisch aktiven Zentren bei hohen Stromdichten zu gewährleisten, kommen hydrophobe, elektrisch isolierende Polymersubstrate zum Einsatz. Diese verhindern das Fluten der Elektrodenporen mit flüssigem Elektrolyten (Pore Flooding) und sichern die Dreiphasengrenze. Die elektrische Anbindung erfolgt über entwickelte Stromabnehmer.
Operando-Evaluierung für Ethylen- und CO-Synthese
Die Zellevaluierung erfolgt unter industrienahen Bedingungen bei 60–80 °C und Drücken bis 30 bar. Die Zielparameter umfassen Stromdichten von ≥500 mA/cm2, eine Energieeffizienz von ≥45% sowie Standzeiten von mindestens 1.000 Stunden. Neben Ethylen steht die elektrokatalytische CO2-Reduktion zu Kohlenmonoxid (CO) – einer Schlüsselkomponente für Synthesenegas zur Methanolsynthese – im Fokus. „Welche Anwendung im größeren Maßstab weiterverfolgt wird, entscheidet sich im Projekt anhand der erzielten Leistungswerte“, erklärt Peter Strasser. INNOCELL wird im BMBF-Programm VIP+ mit 1,6 Millionen Euro für die TU Berlin gefördert (Laufzeit: 2026–2029).