Digitaler Zwilling für eine effiziente CO2-Elektrolyse zur Herstellung von nachhaltigen Kraft- und Rohstoffen
Forschenden des Helmholtz-Institutes Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN), einer Außenstelle des Forschungszentrum Jülich, ist ein wichtiger Schritt gelungen, um die noch bestehenden großen technischen Herausforderungen zu überwinden: Sie konnten die Gasdiffusionselektrode (GDE) im Herzen des Elektrolyseurs erstmals als digitalen Zwilling - als virtuelles Ebenbild der Elektrode - nachbilden.
Die aufstrebende Technologie der CO2-Elektrolyse ermöglicht es, Kraftstoffe und chemische Rohstoffe aus CO2 herzustellen. Idealerweise wird dabei in der Atmosphäre vorhandenes Kohlendioxid und erneuerbare Energie für die CO2-Konvertierung eingesetzt. Die so produzierten Kohlenwasserstoffe sind sowohl als Ausgangsstoffe für die chemische Industrie als auch für die Herstellung von Kraftstoffen nutzbar – und bilden damit eine alternative, defossilisierte Basis hin zu einem nachhaltigen Kohlenstoffkreislauf.
Wissenschaftliches Ergebnis
David McLaughlin, Markus Bierling, Britta Mayerhöfer und Simon Thiele vom HI ERN sowie Günter Schmid von der Siemens Energy Global GmbH & Co. KG konnten nicht nur einen beispiellosen Einblick in die Struktur solcher Elektroden gewinnen, sondern auch wichtige Strukturdeskriptoren und Transportparameter extrahieren. Die Ergebnisse wurden kürzlich im renommierten Journal Advanced Functional Materials veröffentlicht.
Durch Überbrückung von Skalen und den Einsatz mehrerer Abbildungsmethoden entstand so ein digitaler Zwilling, der die digitale Untersuchung, Simulation und Veränderung der Elektrodenstruktur am Computer ermöglicht. Um eine effiziente und großtechnische CO2-Elektrolyse zu erreichen, muss die optimale Struktur für die Gasdiffusionselektrode gefunden werden: als Voraussetzung für höhere Umwandlungswirkungsgrade und eine längere Lebensdauer bei geringeren Kosten. Die kritischen Struktureigenschaften der Elektrode reichen von Nanometern bis zu Millimetern, die im vollständig aufgelösten Modell der Elektrode über mehrere Größenordnungen erfasst werden können.
Gesellschaftliche und wissenschaftliche Relevanz
Ein entscheidender Hebel zur Reduktion der klimaschädlichen Kohlendioxidemissionen im Kampf gegen den Klimawandel ist die Defossilisierung: die Vermeidung von Kohlenwasserstoffen aus fossilen Quellen. Kohlenstoffe sind jedoch unverzichtbare Bestandteile in vielen Bereichen des Lebens und der Wirtschaft. Sie werden insbesondere zur Herstellung von Kraftstoffen und chemischen Rohstoffen benötigt.
Die aufstrebende Technologie der CO2-Elektrolyse bietet sich hierzu als Alternative an. Die Optimierung der Gasdiffusionselektrode gilt als eine der wesentlichen Voraussetzungen für den effizienten und großtechnischen Einsatz. Den Wissenschaftler:innen ist es nun zum ersten Mal gelungen, eine Gasdiffusionselektrode für die CO2-Elektrolyse auf allen relevanten Längenskalen als digitalen Zwilling nachzubilden. Die Methodik bildet die Basis für zukünftige weitere Arbeiten und soll unter anderem im Projekt "Power-to-X" (P2X) Anwendung finden.
Digitaler Zwilling der Gasdiffusionselektrode (GDE): Die Schnittserien zeigen die Struktur der Elektrode und ihrer feiner aufgelösten Schichten.
Copyright: HI ERN/David McLaughlin
Originalpublikation
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202212462
David McLaughlin, Markus Bierling, Britta Mayerhöfer, Günter Schmid, Simon Thiele
Digital Twin of a Hierarchical CO2 Electrolyzer Gas Diffusion Electrode
Advanced Functional Materials; https://doi.org/10.1002/adfm.202212462
First published: 20 December 2022
Weitere Informationen
Wissenschaft, Wirtschaft und Zivilgesellschaft entwickeln in den „Kopernikus-Projekten für die Energiewende” gemeinsam technologische und wirtschaftliche Lösungen für den Umbau des Energiesystems. Das HI ERN ist am Projekt "Power-to-X" (P2X) beteiligt. P2X bezeichnet Technologien, die Strom aus erneuerbaren Quellen in chemische Energiespeicher, Energieträger und energieintensive Chemieprodukte umwandeln.
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Kontakt
Prof. Simon Thiele
Head of Research Department
Raum 5004
