Development of an automated test rig for electrolysis cells used to convert CO2 from CO2 rich exhaust gas streams to syngas

Abstract

With a rapidly growing world population, greenhouse gas emissions are also increasing. As is well known, the latter lead to worldwide upheavals in ecology,economy and thus also in society due to the resulting climate changes. In order to mitigate these negative effects, the emission of the greenhouse gas CO2 must also be reduced. Since CO2 emissions in certain sectors of industry, such as the cement or waste incineration industry, are intrinsically and process-technically unavoidable, new approaches are needed. The CO2 must be separated from the CO2-rich waste gas streams. A number of different approaches and technologies are currently being developed for this purpose. One of them is "carbon capture and electrolysis". The aim is to separate carbon from flue gas and then feed itdirectly into an electrolysis process, which makes (energy)-intensive desorption technologies superfluous. The CO2 is there by electrochemically reduced to carbonmonoxide, methane, formic acid or higher-value C2-C3 hydrocarbons, where by excess electricity can be stored in the form of chemicals and the carbon recycled. In the course of the "DirectCCE" project at the Vienna University of Technology, CO2 and water are to be simultaneously converted into synthesis gas by co-electrolysis.The absorbent is an aqueous piperazine solution, which is not only one of the most promising CO2 absorbents, but can also act as a catholyte in the electrolysis.Furthermore, the aqueous piperazine solution is regenerated in the electrolysis cell,which allows its recirculation. The aim of the DirectCCE project is to build a pilot plant for the process described. In this work, an automated test facility for analysing the CO2 co-electrolysis cell will be developed and designed. In this way,cell configurations and process parameters can be investigated and optimised before upscaling. Through information from project partners and literature research, a detailed analysis of the process-relevant sequences could be carried out. On this basis, the plant design is now in the detail engineering step. In order to gain detailed insights into the function of the cell to be tested, an impedance spectrometer isalso to be integrated into the test infrastructure. The latter was validated and commissioned on a comparative electrolysis system.

Mit einer rasant wachsenden Weltbevölkerung steigen damit einhergehend auch die Treibhausgasemmisionen. Letztere führen bekanntlich durch die resultierenden Klimaveränderungen zu weltweiten Umwürfen in Ökologie, Ökonomie und somit auch in der Gesellschaft. Um diese negativen Auswirkungen zu mitigieren, muss auch die Emission der Treibhausgases CO2 reduziert werden. Da der CO2 Ausstoß in gewissen Sektoren der Industrie wie z.B. Zementindustrie oder Müllverbrennung intrinsisch und prozesstechnisch unvermeidbar ist, braucht es neue Ansätze. Das CO2 muss aus den CO2-reichen Abgasströmen abgeschieden werden. Hierführ entwickeln sich zur Zeit etliche verschiedene Ansätze und Technologien. Eine davon stellt das "Carbon Capture and Electrolysis" dar. Dabei soll CO2 aus Rauchgas abgeschieden und anschließend direkt einer Elektrolyse zugeführt werden,was (energie) aufwendige CO2 Desorptionstechnologien überflüssig macht. Das CO2 wird dabei elektrochemisch zu Kohlenmonoxid, Methan, Ameisensäure oder höherwertigen C2-C3-Kohlenwasserstoffen reduziert, wodurch überschüssiger Stromin Form von Chemikalien gespeichert werden und der Kohlenstoff recycliert werden kann. Im Zuge des Projektes "DirectCCE" an der TU Wien sollen gleichzeitig CO2 und Wasser durch die co-electrolyse in Synthesegas umgesetzt werden. Als Absorptionsmittel dient eine wässrige Piperazinlösung, welche nicht nur eine der vielversprechendsten CO2 Absorptionsmittel darstellt, sondern zugleich als Katholytin der Elektrolyse fungieren kann. Weiters wird die wässrige Piperazinlösung in der Elektrolysezelle regeneriert, was dessen Rezirkulation erlaubt. Ziel des Projekts DirectCCE ist der Bau einer Pilotanlage der beschriebenen Prozesses.In dieser Arbeit soll eine automatisierte Testanalage zur Analyse der CO2 Co Electrolysezelle entwickelt und ausgelegt werden. Somit können vor dem Upscaling Zellkonfigurationen und Prozessparameter untersucht und optimiert werden. Durch Informationen von Projektpartnern und Literaturrecherche konnte eine detaillierte Analyse der prozessrelevanten Abläufe durchgeführt werden. Die Anlagenplanung befindet sich nun im Detail Engineering und Beschaffung. Um fundierte Einblicke indie Funktion der zu testenden Zelle zu erlangen, soll auch ein Impedanzspektrometerin die Testinfrastruktur integriert werden. Letzeres wurde an einem Vergleichs Elektrolysesystem validiert und in Betrieb genommen.