Energieeffiziente Chlor-Alkali-Elektrolyse: Herausforderungen & Chancen

Kurzfassung

Rund 70 Prozent aller Chemieprodukte werden direkt oder indirekt mit Chlor und/oder Natronlauge hergestellt. Die Herstellung dieser chemischen Grundstoffe erfolgt durch die Chlor-Alkali-Elektrolyse (Kochsalz-Elektrolyse), wobei große Mengen an elektrischer Energie eingesetzt werden. Die Verminderung des Energiebedarfs bei der Herstellung dieser essentiellen chemischen Grundstoffe liefert die Möglichkeit, bereits am Beginn der Produktionskette große Mengen an Emissionen durch den Einsatz der Sauerstoffverzehrkathoden (SVK)- Technologie und damit die Reduktion von CO2-Emissionen aus Kraftwerken zu vermeiden. Das Energie-Einsparpotenzial beträgt ungefähr 30 Prozent, was bezogen auf eine Chlorproduktion von rund 4,9 Millionen Tonnen in Deutschland im Jahr 2008 einer Reduktion von circa 2,3 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr entspricht (Basis 624 kg CO2/MWh). Weltweit gesehen besteht bei einer Chlorproduktionskapazität von 68 Millionen Tonnen ein Einsparpotenzial von circa 30 Millionen Tonnen CO2. Zur Energieeinsparung in der Elektrolyse wurden Komponenten der Brennstoffzellen - insbesondere der alkalischen Brennstoffzelle – eingesetzt. Ziel war es, durch Verwendung von SVKs die Elektrolysespannung von circa 3 Volt (Standard-Membran-Elektrolyse) auf 2,0 Volt (SVK-Elektrolyse) zu senken. Damit verbunden ist eine Energieersparnis von circa 30%. Dazu war die Entwicklung von hochaktiven Katalysatoren, geeigneter Verfahren zur SVK-Herstellung und eines entsprechenden Elektrolyseurs notwendig. Flankiert wurden dies durch die Etablierung neuer Test- und Charakterisierungsmethoden zur Bestimmung der elektrochemischen Aktivität der Katalysatoren und den daraus hergestellten SVKs. Um die Funktionsweise der SVK besser verstehen und damit diese zielgerichteter entwickeln zu können, wurden bestehende Methoden eingesetzt beziehungsweise neuartige elektrochemische Messmethoden entwickelt werden. Ebenso wurde ein rechnergestütztes Modell zur Abbildung der Abläufe in einer SVK entwickelt. Die Wertschöpfungskette wurde durch die Erarbeitung eines Recycling-Verfahrens für die eingesetzten Komponenten geschlossen werden. Zudem wurde zur standortspezifischen ökologischen (CO2 Ökobilanz) und ökonomischen Bewertung der neuen SVK-Technologie eine geeignete Software aufgebaut werden.