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PROMETHEUS - Proton and oxygen co-ionic conductors for CO2/H2O co-electrolysis and intermittent RES conversion to methanol and other chemicals towards EU sustainability

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Im Rahmen des Projekts soll ein elektrochemischer Membranreaktor entwickelt werden, der bei mittlerer oder hoher Temperatur mit co-ionischen (H⁺ und O₂-) keramischen Leitern (ci-EMRs) die H₂O/CO₂ co-Elektrolyse zur effizienten Umwandung/Speicherung von erneuerbaren Energie in synthetische Kraftstoffe vollzieht. Hauptaugenmerk wird auf den Temperaturbereich von 400-500°C gelegt, in dem aus der anionischen Elektrolyse von H₂O zu H⁺ und der Umwandlung von CO₂ auf der anderen Membranseite, Chemikalien/Energieträger wie Methanol, Methan, oder bei darüber liegenden Temperaturen Synthesegas entstehen. Als Funktionsschicht dient eine 10-40 µm Dicke, keramische protonenleitende Membran die bei höheren Temperaturen H+ durch das Gitter transportiert. Auf deutscher Seite wird der Fokus auf der Entwicklung der Membranstrukturen, sowie der Entwicklung verbesserter protonenleitender keramischer Materialien und geeigneter Ausgangspulver liegen. Der Hauptschwerpunkt wird auf die Herstellung der keramischen Membranstruktur mittels 3D Druck gelegt. Diese Technologie ist für die notwendigen, hochkomplexen Keramiken keineswegs Stand der Technik, verspricht aber ein enormes Potential hinsichtlich kostengünstiger Einstellung einer optimalen Mikrostruktur. Zu Vergleichszwecken werden Strukturen mittels sequentiellen Folienguss hergestellt. Die griechische Seite wird den Prozessverfahrenstechnik und die anwendungsnahe, elektrochemische Charakterisierung im Projekt bearbeiten. Durch dieses Projekt wird die Problematik der Energiespeicherung bei einem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien im deutschen Energiesystem (Energiewende) aufgegriffen. Ziel ist die Entwicklung von alternativen und effizienten Prozessen zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen. Im Erfolgsfall sind die Verfahren aber auch für die Herstellung von wichtigen Basischemikalien hoch innovativ. Die Projektthematik beinhaltet einige Risiken und wird deshalb noch nicht im großen Maße von der Industrie verfolgt.

Forschungszentrum Jülich - Pressemitteilungen - Synthetische Kraftstoffe: 3D-Druck soll Effizienz steigern und Kosten senken (fz-juelich.de)

AMAZING - Additive Manufacturing for Zero-emission Innovative Green Chemistryasd

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Um den weltweit stetig steigenden Bedarf an Energie- und Sachgütern nachhaltig zu decken, bedarf es in der Kraftstoff- und Chemieindustrie der Nutzung erneuerbarer Ressourcen. Dies wird von wesentlicher Bedeutung sein, um die herausragende Stellung der europäischen Chemieindustrie zu erhalten und die ehrgeizigen EU-Ziele für 2030 in den Bereichen Klimawandel, Prozesseffizienz und Sicherheit zu erreichen. 46 und 36 % des Energieverbrauchs in Deutschland bzw. den Niederlanden ist auf die Industrie zurückzuführen. Die Verbesserung der industriellen Energieeffizienz ist daher eine wichtige Aufgabe der Forschung. Das Projekt „Amazing“ greift mehrere Förderprioritäten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie direkt auf. Im Mittelpunkt stehen die sektorspezifische energetische Optimierung bestehender Industrieprozesse sowie die effiziente Nutzung von Sekundärenergieformen und der Austausch fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Energieträger. Die direkte Nutzung von erneuerbarem Strom in der chemischen Industrie (Power to Chemicals) ist jedoch nicht einfach, da der überwiegende Teil der für die Durchführung der chemischen Reaktionen benötigten Wärme durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird. Der Ersatz großtechnischer Hochtemperatur-Crackingprozesse durch eine elektrisch getriebene thermokatalytische Aktivierung von Alkanen zur Herstellung chemischer Bausteine (z.B. Alkene) ist ein vielversprechender Weg zur Reduktion der CO₂-Emissionen. Eine Alternative zum energieintensiven Standardprozeß besteht darin, gemischt ionisch-elektronisch leitende (MIEC) Membranen mit metallgetragenen Katalysatoren zu kombinieren. Im Projekt Amazing streben wir die Entwicklung von additiven Fertigungstechnologien wie 3D-Druck an, um selbsttragende katalytische Membranreaktorsysteme zu entwickeln, die das volle Potenzial der RDH-Membranreaktoren ausschöpfen. Die angewandten additiven Fertigungswege versprechen ein einfaches Upscaling auf vollständige kommerzielle Systeme.

3D-OTM - Additive Fertigung von Sauerstofftransportmembranen

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Ziel ist mittels additiver Fertigung eine Membrankomponente herzustellen, die eine optimierte Gasdurchströmung gewährleistet und wenige, gut definierte Fügestellen besitzt. Die Anbindung von Zuleitungen an die Komponente wird ebenfalls realisiert. Das entwickelte Produkt wird an Hand seiner Leistungsfähigkeit in Bezug auf die Abtrennung von reinem Sauerstoff aus der Luft quantitativ bewertet. In der Folge steht das Produkt für die akademische und/oder industrielle Forschung an Membranreaktoren zur Verfügung.

Die Rolle von Grenzflächen in mehrphasigen Ceroxid-basierten Membranen für den Einsatz in Membranreaktoren

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Ziel dieses Projektes ist es, die Ursache für die signifikante Permeationsrate bei niedrigen Elektronenleiter-Anteilen in CGO-basierten Kompositmembranen mit Spinellen als elektronenleitender Phase zu identifizieren und das so gewonnene umfassende Verständnis der physikalischen Eigenschaften zu nutzen, so dass die ambipolare Leitfähigkeit (und damit die Permeabilität) dieses Materialsystems maximiert werden kann. Als Ursache gehen wir von Korngrenzphasen bzw. positiv wirkenden Raumladungszonen an Phasengrenzen aus. Der Erfolg der Materialentwicklung wird in einem Membranreaktor sowohl an Tabletten als auch an dünnen, geträgerten Membranschichten mit katalytisch aktiven Oberflächenschichten in Abhängigkeit von Temperatur und pO2-Gradienten (Triebkraft) überprüft.