Bez zbędnych okrężnych dróg przez wodór Bezpośrednia konwersja CO₂ na paliwa i substancje chemiczne

W przypadku bezpośredniej elektrolizy CO₂ nie ma potrzeby oddzielnego wytwarzania i magazynowania wodoru jako pierwszego etapu procesu. Jednak aby można było wykorzystać tę technologię na skalę przemysłową, ogniwa muszą zużywać mniej energii elektrycznej i działać stabilnie przez dłuższy czas. Dwa projekty badawcze mają na celu pokonanie tych przeszkód – a tym samym otworzyć nowe drogi do pozyskiwania surowców chemicznych i syntetycznego paliwa lotniczego.

W przyszłości dwutlenek węgla ma być nie tylko eliminowany lub wychwytywany, ale także wykorzystywany jako surowiec: naukowcy z Politechniki Berlińskiej pracują nad procesami, dzięki którym CO₂ można przy pomocy energii elektrycznej bezpośrednio przekształcać w podstawowe substancje chemiczne i składniki paliw syntetycznych. W ciągu najbliższych trzech lat dwa nowe projekty badawcze skupią się na różnych wyzwaniach: Podczas gdy w ramach projektu Jethylen kontynuowane są prace nad bezpośrednią elektrochemiczną konwersją CO₂ w etylen jako surowiec do produkcji syntetycznego paliwa lotniczego, zespół Innocell pracuje nad bardziej wydajnymi i skalowalnymi ogniwami elektrolitycznymi do konwersji CO₂. Na realizację obu projektów Katedra Elektrochemii Technicznej i Elektrokatalizy Politechniki Berlińskiej otrzyma łącznie około 2,6 miliona euro.

W wielu procesach produkcji paliw syntetycznych najpierw rozkłada się wodę za pomocą energii odnawialnej pochodzącej ze słońca, wiatru i energii wodnej na zielony wodór i tlen. Wodór ten jest następnie wykorzystywany do syntezy, wraz z CO₂, surowców wyjściowych i półproduktów dla przemysłu chemicznego produkującego paliwa. Naukowcy z Politechniki Berlińskiej stosują inne podejście: w procesie bezpośredniej elektrolizy CO₂ dwutlenek węgla reaguje bezpośrednio z wodą w ogniwie elektrochemicznym. W ten sposób mogą powstawać bezpośrednio chemiczne półprodukty paliwowe – bez konieczności uprzedniego wytwarzania i magazynowania wodoru jako samodzielnego nośnika energii. „Nasze kluczowe reakcje w tym zakresie przebiegają już w laboratorium” – mówi prof. dr Peter Strasser, kierownik Katedry Elektrochemii Technicznej i Elektrokatalizy. „Teraz chodzi o to, aby elektrolizery były bardziej wydajne, trwałe i większe”.

Etylen jako surowiec do produkcji syntetycznego paliwa lotniczego

Projekt Jethylen dotyczy bezpośredniej elektrochemicznej konwersji CO₂ w etylen. Etylen jest ważnym surowcem w przemyśle chemicznym i może służyć jako materiał wyjściowy do produkcji syntetycznego paliwa lotniczego. W kolejnym etapie procesu jest on najpierw łączony w dłuższe łańcuchy węglowodorowe, a następnie poddawany dalszej obróbce. Zaletą tego procesu jest to, że bezpośrednia reakcja elektrochemiczna dwutlenku węgla oraz późniejsza chemiczna obróbka etylenu prowadzą do stosunkowo krótkiego łańcucha procesowego przebiegającego w stosunkowo niskich temperaturach. Dzięki temu wzrasta efektywność energetyczna.

Projekt jest koordynowany przez firmę Siemens Energy jako lidera konsorcjum. Pozostałymi instytucjami partnerskimi są Politechnika Berlińska (TU Berlin), Instytut Fraunhofera ds. Technologii Powierzchni i Bioprocesów (IGB) oraz think tank zajmujący się transportem lotniczym Bauhaus Luftfahrt. Wspólnie chcą sprawić, by bezpośrednia elektroliza CO₂ do etylenu stała się bardziej wydajna, trwała i nadająca się do zastosowania w większych instalacjach. W tym celu planowane jest obniżenie napięcia ogniwa z obecnych około 4,5 do około 2,5 wolta. „Dzięki tym i innym działaniom chcemy zwiększyć efektywność energetyczną z obecnych około 27 do 50 procent. Jednocześnie dążymy do stabilnej pracy przez co najmniej 1000 godzin” – mówi Strasser. Również pod względem wielkości chodzi o znaczący krok naprzód: podczas gdy porównywalne instalacje laboratoryjne dotychczas zazwyczaj pracowały z powierzchnią elektrod wynoszącą około 10 centymetrów kwadratowych, instalacja techniczna ma umożliwić pracę ogniw o powierzchni rzędu kilkuset cm², a na tej podstawie mają zostać opracowane koncepcje skalowania przemysłowego do powierzchni elektrod sięgających 0,5 metra kwadratowego – czyli 5000 centymetrów kwadratowych. Projekt Jethylen jest finansowany przez Federalne Ministerstwo Badań, Technologii i Kosmosu (BMFTR) – w ramach programu wsparcia DISCO₂ („Przełomowe podejścia do przemysłowego wykorzystania CO₂”). Projekt trwa od marca 2026 r. do lutego 2029 r., a na Politechnikę Berlińską przypada kwota dofinansowania w wysokości około miliona euro.

Nowe ogniwa do elektrolizy CO₂

Drugi projekt, Innocell, skupia się na innym wyzwaniu: w jaki sposób można ogólnie zaprojektować ogniwa elektrolityczne tak, aby działały wydajnie i stabilnie również na większą skalę? Punktem wyjścia jest opracowana i opatentowana na Politechnice Berlińskiej konstrukcja ogniwa z tak zwanymi elektrodami dyfuzyjnymi. Umożliwiają one bezpośrednie doprowadzenie CO₂ w postaci gazowej do katalizatora, co pozwala osiągnąć wysokie gęstości prądu. W projekcie wykorzystuje się hydrofobowe, izolujące elektrycznie podłoża polimerowe. Przyczyniają się one do tego, że elektrody dyfuzyjne gazowe są mniej podatne na zalanie elektrolitem. Ten znany jako „flooding” problem powoduje zatykanie porów w elektrodach dyfuzyjnych gazowych, co znacznie utrudnia przebieg procesu. Dzięki wodoodpornym podłożom polimerowym ogniwa mogą pracować stabilnie nawet przy wysokich gęstościach prądu. Do zapewnienia niezbędnego połączenia elektrycznego wykorzystywany jest specjalnie opracowany odbiornik prądu.

Nie tylko produkcja etylenu

Ogniwa są testowane w temperaturach od 60 do 80 stopni Celsjusza i pod ciśnieniem do 30 barów – są to warunki istotne dla przemysłowych zastosowań elektrolizerów CO₂. W ramach projektu dąży się do osiągnięcia gęstości prądu wynoszącej co najmniej 500 miliamperów na centymetr kwadratowy, sprawności energetycznej wynoszącej co najmniej 45 procent oraz czasu pracy wynoszącego co najmniej 1 000 godzin. Eksploatacja ogniw nie ogranicza się wyłącznie do elektrolizy etylenu: firma Innocell bada również wytwarzanie tlenku węgla (CO). CO jest ważnym półproduktem przemysłu chemicznego oraz składnikiem gazu syntezowego, z którego wytwarza się między innymi metanol i inne paliwa syntetyczne. „To, które zastosowanie będzie dalej rozwijane na większą skalę, zostanie ustalone w ramach projektu na podstawie osiągniętych parametrów wydajnościowych” – wyjaśnia Peter Strasser.

Projekt będzie realizowany w latach 2026–2029 w ramach programu „VIP+” Federalnego Ministerstwa Edukacji i Badań Naukowych. W ramach programu badana jest wykonalność wyników badań mających potencjał do zastosowań gospodarczych lub społecznych oraz prowadzony jest ich dalszy rozwój. Kwota dofinansowania dla Politechniki Berlińskiej wynosi 1,6 miliona euro.