Aus Treibhausgas wird Wertstoff: CO₂-Elektrolyse für nachhaltige Chemikalien und Flugkraftstoffe

Die chemische Industrie und der Luftfahrtsektor stehen im Zentrum der globalen Defossilisierung: Für die Herstellung CO₂‑basierter Chemikalien und nachhaltiger Flugkraftstoffe (Sustainable Aviation Fuels, SAF) werden bis 2050 weltweit mehr als eine Milliarde Tonnen CO₂ pro Jahr als alternative Kohlenstoffquelle benötigt. Gleichzeitig steigen der regulatorische Druck, die Anforderungen an Klimaneutralität sowie der Bedarf an wirtschaftlich tragfähigen und skalierbaren Technologien.

Die CO₂‑Elektrolyse gilt als vielversprechender Ansatz, diese Herausforderungen anzugehen. Schließlich ermöglicht sie die direkte Elektrifizierung chemischer Prozesse mit erneuerbarem Strom. Abhängig von Technologie und Komponenten lassen sich gezielt Kohlenmonoxid, Ethylen, Alkohole (z. B. Ethanol, n‑Propanol) sowie organische Säuren herstellen – zentrale Vorstufen sowohl für SAF‑Produktionspfade (z. B. Fischer‑Tropsch, Oligomerisierung) als auch für chemische Wertschöpfungsketten.

Unternehmen, die CO₂‑Elektrolyse in ihre Prozesse integrieren oder entsprechende Technologien entwickeln wollen, stehen dabei vor einer Reihe konkreter technischer und wirtschaftlicher Herausforderungen:
 

• Energie‑ und Kosteneffizienz der CO₂‑Umwandlung in zentrale Ausgangsstoffe unter industriell relevanten Betriebsbedingungen
  
  
• Integration der CO₂‑Elektrolyse in bestehende Produktionsketten, insbesondere in SAF‑Routen und chemische Downstream‑Prozesse
  
  
• Auswahl und Optimierung von Elektrolyseur‑Komponenten (z. B. Katalysatoren, Elektroden, Membranen) zur gezielten Produktselektivität
  
  
• Zell‑ und Stackdesigns, die skalierbar, stabil und mit industriellen Druck‑, Temperatur‑ und Lastprofilen kompatibel sind
  
  
• Umgang mit variabler CO₂‑Qualität, z. B. aus Rauchgasen oder Direct‑Air‑Capture, und deren Einfluss auf Effizienz, Degradation und Lebensdauer
  
  
• fehlende unabhängige Langzeitvalidierung von Komponenten, Zellen und Stacks unter industriell relevanten Bedingungen
  
  
• fehlende belastbare Daten zur technisch‑wirtschaftlichen Machbarkeit als Grundlage für Investitions‑ und Skalierungsentscheidungen
  
  
• hohe Entwicklungs‑ und Investitionsrisiken beim Übergang vom Labor‑ zum Pilot‑ oder Demonstrationsmaßstab
  
  
• begrenzte Test‑ und Entwicklungsinfrastruktur, um eigene Technologien, Materialien oder Prozesskonzepte unabhängig zu prüfen

Industriekunden benötigen daher einen Partner, der alle relevanten Ebenen der CO₂‑Elektrolyse systematisch zusammenführt – von der elektrochemischen Reaktion über Zell‑ und Stackebene bis hin zur Einbindung in industrielle Prozesse und zur Vorbereitung kommerzieller Anwendungen.

Fraunhofer UMSICHT begegnet diesen Anforderungen mit einem ganzheitlichen Entwicklungsansatz für die CO₂‑Elektrolyse. Wir unterstützen Unternehmen aus der chemischen Industrie und dem Luftfahrtsektor mit anwendungsnahen Forschungs‑ und Entwicklungsdienstleistungen, die System‑, Komponenten‑ und Prozessebene gezielt miteinander verbinden – von der ersten Validierung bis zur Überführung in skalierte industrielle Anwendungen. Unser Ansatz ist darauf ausgerichtet, technische Machbarkeit, Effizienz und Skalierbarkeit frühzeitig und unter praxisnahen Bedingungen abzusichern:

• Validierung auf Systemebene
  Durchführung von Validierungs‑ und Versuchsreihen mit CO₂‑Elektrolysesystemen im Labor‑ und Kilogramm‑Maßstab zur quantitativen Bewertung von Leistung, Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit entlang unterschiedlicher Wertschöpfungsketten – einschließlich variabler CO₂‑Quellen sowie der Untersuchung des Einflusses von Störkomponenten auf Effizienz und Stabilität
  
  
• Validierung auf Komponentenebene
  Prüfung und Vergleich von Katalysatoren, Elektroden und Membranen unter industrierelevanten Betriebsbedingungen als Grundlage für fundierte Material‑ und Designentscheidungen
  
  
• Entwicklung und Optimierung von Komponenten und Betriebsstrategien
  Gezielte Weiterentwicklung von Materialien, Komponenten und Prozessparametern zur systematischen Verbesserung von Selektivität, Energieeffizienz und Langzeitstabilität von CO₂‑Elektrolyseuren
  
  
• Maßgeschneiderte Test‑ und Entwicklungsinfrastruktur
  Konzeption und Aufbau von Testzellen und automatisierten Zell‑/Stack‑Testständen, die Unternehmen Zugang zu industrierelevanter Testinfrastruktur ohne eigene Vorabinvestitionen ermöglichen und eine unabhängige Validierung sowie Weiterentwicklung eigener CO₂‑Elektrolyse‑Technologien unterstützen
  
  
• Projekt‑ und Skalierungsbegleitung
  Wissenschaftlich‑technische Unterstützung bei Machbarkeitsstudien, techno‑ökonomischen Bewertungen und Auslegung skalierter Konzepte als Grundlage für fundierte Investitions‑ und Go/No‑Go‑Entscheidungen

Aufbauend auf diesen Anforderungen entwickelt Fraunhofer UMSICHT eigene innovative Technologien, um zentrale Herausforderungen der industriellen CO₂‑Elektrolyse gezielt zu adressieren:

• Hochdruck‑CO₂‑Elektrolyse zur Produktion von Kohlenmonoxid bei erhöhten Prozessdrücken für eine direkte Kopplung an bestehende industrielle Downstream‑Prozesse
  
  
• Integrierte CO₂‑Capture‑und‑Elektrolyse‑Konzepte zur direkten Nutzung von CO₂ aus Rauchgasen oder Direct‑Air‑Capture‑Prozessen

So erhalten Industriekunden belastbare Entscheidungsgrundlagen, um CO₂‑Elektrolyse gezielt als Schlüsseltechnologie für klimaneutrale Chemikalien und nachhaltige Flugkraftstoffe zu entwickeln und erfolgreich in industrielle Prozesse zu überführen.

Mit Fraunhofer UMSICHT erhalten Sie einen erfahrenen Partner, der Sie strukturiert und praxisnah von der ersten Fragestellung bis zur Vorbereitung industrieller Anwendungen begleitet. Die Zusammenarbeit ist flexibel gestaltet und orientiert sich an Ihrem Entwicklungsstand – vom Technologie‑Screening bis zur Skalierung. Typische Formen der Zusammenarbeit im Bereich CO₂‑Elektrolyse sind:

• Technologie‑, Machbarkeits‑ und Wirtschaftlichkeitsstudien
  Bewertung von CO₂‑Elektrolyse‑Technologien und alternativen Prozessrouten als Grundlage für fundierte Investitions‑ und Technologieentscheidungen
  
  
• Entwicklung und Auftragsfertigung von Komponenten
  Herstellung und Weiterentwicklung von Elektroden und Membran‑Elektroden‑Einheiten sowie Optimierung von Prozessparametern zur gezielten Produktselektivität und Effizienzsteigerung
  
  
• Zell‑, Stack‑ und Verfahrensentwicklung
  Konzeption, Auslegung und experimentelle Validierung von Zell‑, Stack‑ und Verfahrenskonzepten für CO₂‑Elektrolyse unter industrierelevanten Bedingungen
  
  
• Validierung, Testung und Analytik
  Durchführung von Auftragsmessungen sowie Beprobung von Labor‑ und Technikumsanlagen zur Produktqualifizierung, einschließlich der Eignungsbewertung realer CO₂‑Quellen für den Einsatz in CO₂‑Elektrolyseuren
  
  
• Bereitstellung von Testhardware und Wissenstransfer
  Zugang zu Testzellen, Zell‑ und Stack‑Testständen sowie Schulungen zu Test‑ und Bewertungsmethoden für eigene Entwicklungsaktivitäten

Ein typischer Projektablauf:

1. Projektinitiierung und Zielsetzung
   Gemeinsame Analyse Ihrer Fragestellung und Definition klarer technischer und wirtschaftlicher Ziele
   
   
2. Planungsphase
   Entwicklung eines maßgeschneiderten Projekt‑ und Testkonzepts
   
   
3. Umsetzungsphase
   Entwicklung und Fertigung von Komponenten, Durchführung von Versuchsreihen und Machbarkeitsprüfungen
   
   
4. Analyse und Optimierung
   Auswertung der Ergebnisse, Bewertung von Effizienz, Stabilität und Produktselektivität
   
   
5. Abschluss und Wissenstransfer
   Dokumentation, Handlungsempfehlungen und Ableitung von nächsten Schritten in Richtung Skalierung oder industrieller Anwendung

Integration of High‐p, Low‐T CO₂ Electrolysis with Pressure Swing Adsorption Purification | Chemie Ingenieur Technik

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Closing the carbon cycle: challenges and opportunities of CO₂ electrolyser designs in light of cross-industrial CO₂ source-sink matching in the European landscape | Energy & Environmental Science

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Accelerating CO₂ electrochemical conversion towards industrial implementation | Nature Communications

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Differential pressure CO₂ electrolysis opens the way for direct coupling to industrial processes | ScienceDirect

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P2X platform – Test platform for conversion technologies and their interaction for sector coupling | vgbe energy journal

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