PRELUDE
Prozess- und Meerwasser-Elektrolyse für eine umweltverträgliche Grüne Wasserstoffwirtschaft in Deutschland
Im Rahmen des Projektes PRELUDE (Prozess- und Meerwasser-Elektrolyse für eine umweltverträgliche Grüne Wasserstoffwirtschaft in Deutschland) sollen robuste elektrochemische Reaktoren entwickelt werden, die Wasserstoff aus Brauch- oder Salzwasserquellen mit der Hilfe von grünem Strom gewinnen können. Bei der Wasserstoffherstellung soll eine Konkurrenz zu Trinkwasser vermieden werden, welches beim Stand der Technik zur Elektrolyse eingesetzt wird. Zudem sollen Methoden zur Aufarbeitung industrieller Abwässer entwickelt werden, die einerseits zur Wasserstoffgenese benutzt werden können, andererseits sollen Umweltbelastungen der Abwässer reduziert werden und Stoffzyklen geschlossen werden. Neben der Reduktion von organischen und metallischen Verunreinigungen sollen auch Salzfracht von Abwässern vermindert werden. Mit den entwickelten Methoden und grundlagenwissenschaftlichen Know-How der Projektverbundes vom IEK-9, RWTH Aachen und Covestro soll eine Brücke zwischen Wissenschaft und Industrie geschlagen werden, die eine gezielte Anwendung der wissenschaftlichen Erkenntnisse ermöglicht. In Zukunft könnten diese Erkenntnisse technische Lösungen bereitstellen, mit denen unter anderem menschengemachte Umweltschäden wie beispielsweise das Fischsterben 2022 in der Donau verhindert werden könnten.
Bei der Herstellung von Wasserstoff aus Salz- oder Brauchwasser kann die Gegenreaktion durch die Sauerstoffentwicklung realisiert werden (siehe Projekt i-New 2), wobei das Wasser gespalten wird. Andererseits kann Chlorid (ein Hauptbestandteil bei den meisten salzhaltigen Verunreinigungen) zu Chlorgas umgesetzt werden. Chlorgas ist in der Kunststoffindustrie ein wichtiges Zwischenprodukt, welches unter anderem bei Polymerisierungsreaktionen eine wichtige Rolle spielt. Um Chlorgas mittels Elektrolyse von niedermolaren Salzlösungen herzustellen ist eine Verbesserung des Standes der Technik nötig, der derzeitig auf hochkonzentrierte Salzlösungen zurückgreift. Unter anderem spielt bei niedriger Konzentration die Stoffverteilung in den elektrochemischen Zellen eine entscheidende Rolle.
Im Rahmen einer Dissertation in diesem Projektverbund wird die Wechselwirkung zwischen Ionenmigration und Diffusion grundlegend untersucht, um Reaktoren mit diesem Wissen zielgerichtet auslegen zu können. Dabei wird ein Stofftransportmodell für Elektrolyte entwickelt, bei dem die elektrodynamischen Ionen-Ionen-Wechselwirkungen berücksichtigt werden, welche für die Elektroneutralität im Elektrolyten verantwortlich sind. Das Modell wird mit den optischen Messungen von Konzentrationsgradienten in einer Kupfersulfatlösung evaluiert. Zudem soll der Einfluss der Konvektion bei fließenden Elektrolyten auf die Ionenverteilung und deren Transport untersucht werden. Mit diesen Erkenntnissen soll ein Design von Elektrolysezellen für Salz- und Brauchwasser zielgerichtet entwickelt werden, welches hinsichtlich der physikochemischen Stofftransportbedingungen optimiert ist. Dabei steht insbesondere die Vermeidung von Sauerstoffverunreinigungen im produzierten Chlorgas im Vordergrund.
Bei der Chlorgasherstellung der niedermolaren Lösungen gilt es weiterhin den Edelmetalleinsatz zu reduzieren, um die Änderungen am Stand der Technik wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll durchführen zu können. Eine weitere Dissertation in dem Projektverbund beschäftigt sich mit der Anodenentwicklung, wobei für eine zielgerichtete Weiterentwicklung des seit 60 Jahren bestehen Standes der Technik der sogenannten dimensionsstabilen Anoden zur Chlorgasevolution angestrebt wird. Die dimensionsstabilen Anoden bestehen aus Titan-Ruthenium Komposite, wobei deren Herstellung und Mikrostruktur einen entscheidenden Einfluss auf die Langlebigkeit, Leistungsfähigkeit und den Edelmetallgehalt hat. Zunächst soll ein detailliertes Verständnis über die grundlegen Mechanismen der Reaktion und der Zusammenhang zu der Elektrodenstruktur geklärt werden. Mit den grundlagenwissenschaftlichen Erkenntnissen sollen Elektroden in industriellen Zellen gezielt verbessert werden und an die neuen Herausforderungen mit niedermolaren Elektrolyten angepasst werden.
Die Belastung von industriellem Brauchwasser mit Organik spielt bei der Chlorgasevolution eine entscheidende Rolle, da die Substanzen reagieren können und damit die Toxizität des Brauchwassers erhöhen. Weiterhin können die Elektroden durch chlorierte Organik zugesetzt werden, wodurch die Arbeitsfläche der Elektroden sinkt. Daher sollen Methoden entwickelt werden, um Organik aus salzhaltigen Abwässern entfernen zu können. Die Ergebnisse dieser Studien können auch helfen, das Einbringen von Giften durch Abwässer in die Umwelt zu verhindern bzw. verringern, oder sogar schon kontaminierte Gewässer aufzureinigen. Letztendlich sollen die grundlagenwissenschaftlichen Erkenntnisse dieser Studien dazu dienen einen Demonstrator zu entwickeln, der das Potential der symbiotischen Wasser-Aufreinigung und Wasserstoffsynthese für eine Wasserstoff- und Kreislaufwirtschaft zeigt.
- Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK)
- Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
Raum 3007
Verbundpartner
RWTH Aachen
Ausführende Stelle: AVT – Aachener Verfahrenstechnik
Covestro Deutschland AG
assoziierte Partner
Thyssenkrupp nucera AG & Co. KGaA
FUMATECH BWT GmbH
Förderinitiative
Das Projekt wird mit den Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 03SF0650A gefördert.