20.05.2021

Wie kann man Grundstoffe für die Chemische Industrie aus CO₂ und elektrischer Energie effizient herstellen? Antworten auf diese Frage suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Forschungsprojekt „Gasdiffusionselektroden für gekoppelte mikrobiell-elektrochemische Synthesen aus CO₂ (Games)“.

Koordinator ist Prof. Dr.-Ing. Dirk Holtmann vom Kompetenzzentrum für nachhaltiges Engineering und Umweltsysteme an der TH Mittelhessen. Partner sind das Dechema-Forschungsinstitut in Frankfurt am Main, das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig sowie zwei Unternehmen: Gaskatel in Kassel und das ifn Forschungs- und Technologiezentrum in Elsteraue. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Vorhaben vier Jahre lang mit insgesamt 1,3 Millionen Euro.

Die elektrochemische Synthese ist eine Technologie zur Umwandlung elektrischer in chemische Energie. Die Energie lässt sich sicher speichern und für die Herstellung von Chemikalien nutzen. Allerdings ist bei der Nutzung von CO₂ als Rohstoff das Spektrum möglicher Produkte bisher begrenzt. Die Projektpartner wollen deshalb beispielgebende Verfahren für eine elektrochemisch-mikrobielle Synthese entwickeln. In einem ersten Schritt wird an einer Gasdiffusionselektrode CO₂ zu Formiat – einem Salz der Ameisensäure – reduziert. In diesem Prozess wird zum einen CO₂ verbraucht, zum anderen lässt sich temporär oder lokal überschüssige elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen nutzen. Das Zwischenprodukt Formiat kann anschließend in verschiedenen Prozessen biotechnologisch zur Synthese von Wertstoffen genutzt werden, zum Beispiel zur Produktion von Methan, des Lösungsmittels Propanol oder von bestimmten Polymeren.

„Unser Arbeitsprogramm umfasst insbesondere die Herstellung verbesserter Gasdiffusionselektroden, die Entwicklung von Elektrolysezellen, die Erweiterung des Prozessfensters, modellbasierte Optimierungen und Praxisevaluierungen“, erläutert Holtmann. Dabei sollen elektrochemische, mikrobiologische, biotechnologische und verfahrenstechnische Aspekte kombiniert werden und so neue Synthesewege für technisch relevante Chemikalien entstehen.
Neben neuartigen Gasdiffusionselektroden soll ein Reaktor entwickelt werden, der als universeller Teststand reproduzierbare und standardisierte Ergebnisse ermöglicht. Damit können verschiedene Parameter (pH-Wert, Temperatur) und Komponenten (Elektroden, Membranen) schnell und effizient getestet werden.

Je nach eingesetzten Produktionsorganismen wird zukünftig die Synthese von Chemikalien für unterschiedliche Anwendungen möglich, so zum Beispiel von biobasierten Kunststoffen, Aminosäuren, Aromen, Basischemikalien oder alternativen Kraftstoffen.

Ein weiteres Projektziel ist es zu zeigen, dass das Verfahren nicht nur im Labormaßstab funktioniert, sondern auch in industriellen Anwendungsumgebungen. Dafür soll ein Demonstrator in einer Biogasanlage installiert werden, der Wege zu neuen Geschäftsfeldern für die Betreiber solcher Anlagen aufzeigt.