Aufbau und Optimierung eines kontinuierlich betriebenen Teststandes zur PEM-CO2-Elektrolyse mit gaschromatographischer in-line Analyse

Abstract

Mit Steigen der Weltbevölkerungszahl steigt auch der Weltenergieverbrauch. Im Gegensatz dazu sind die bisher größtenteils genutzten fossilen Brennstoffe wie Kohle, Öl, Gas endlich und werden in naher Zukunft nicht mehr zur Verfügung stehen. Der Wechsel zu regenerativen Energieträgern wie z.B. Sonne, Wind oder Wasser muss daher in naher Zukunft erfolgen. Eine vielversprechende Lösung hierbei stellen Power2Gas- bzw. Wind2Gas-Systeme dar, welche über elektrochemische Prozesse überschüssigen Strom in Form von Chemikalien speichern, wie z.B. die Elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid, Methan, Ameisensäure oder höherwertigen C2-C3-Kohlenwasserstoffen. In dieser Arbeit wurde die Kombination des meist zweistufig aufgebauten Prozessen, also die direkte Elektrolyse von Kohlendioxid mit Wasser zu Methan (oder anderen Treibstoffen), zu einem einstufigen Prozess untersucht. Zum einen wurde die Limitierung der Löslichkeit des CO2 in wässrigen Lösungen durch eine gasförmige Belieferung der Zelle umgangen, zum anderen ließ sich ein kontinuierlicher Elektrolyse-Betrieb simulieren. Dazu wurden zwei Testanlagen aufgebaut und diese im Hinblick auf Parameter und Funktionsmaterialien optimiert. In den ersten Kapiteln wird der theoretische Hintergrund der CO2-Elektrolyse gegeben, sowie ein Überblick über den aktuellen Forschungsstand und vielversprechende, bestehende Systeme der Wind2Gas-Technologien aufgezeigt. Darüber hinaus werden die Arbeitsschritte bis zur Inbetriebnahme der Elektrolyse-Anlage erläutert. Es werden Einblicke in verwendete Materialien, Messsysteme, Analysetechnik, aber auch Proben- und Katalysatorherstellung gegeben. Nach Darstellung der erledigten Arbeiten und der Präsentation der Ergebnisse erfolgt eine detaillierte Zusammenfassung.

With rising of the world population, the consumption of energy increases. The nowadays largely used fossil fuels such as coal, oil or gas are limited and will not be available in the near future. The switch to regenerative energy carriers, like sun, wind or water must therefore take place as soon as possible. A promising solution therefore is represented by Power2Gas and Wind2Gas systems, which store excess energy from regenerative sources in the form of chemicals via electrochemical processes. One of the most qualified process here is the electrochemical reduction of carbon dioxide to carbon monoxide, methane, formic acid or C2-C3-hydrocarbons. In this work the combination of the two-stage process, the direct electrolysis of carbon dioxide with water to methane (or other fuels) into a one-step process was evaluated. Circumstances like the limitation through the solubility of CO2 in aqueous solutions was solved by a gaseous supply of the cell as well as batch operations could be avoided by a continuous delivered electrolysis cell. For this purpose, two test systems were set up and optimized with regard to parameters and functional materials. In the first chapters, the theoretical background of CO2 electrolysis is presented, as well as an overview of the current state of research and promising, existing systems of the Wind2Gas technologies. In addition, the work steps up to the implementing of the electrolysis cell are explained. Insights into the materials used, measurement systems, analysis technology, but also sample and catalyst production are given. After the completed work and the presentation of the results, a detailed summary will be given.