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Cubic-Lösungen zur Gasanalyse auf NDIR-Basis für die präzise Echtzeit-Prozessüberwachung von CO2RR

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Wie das Gasboard-3100P die Anforderungen an die Echtzeit- und Mehrkomponenten-Gasanalyse für CO2RR-Anwendungen erfüllt

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CO2RR: Ein neuer Ansatz in der Kohlenstoffverwertung

Die Kohlenstoffverwertung entwickelt sich zur nächsten Herausforderung im Bereich der Dekarbonisierung. Anstatt Kohlendioxid ausschließlich als zu reduzierende Emission zu betrachten, suchen Industrieunternehmen zunehmend nach Möglichkeiten, abgeschiedenes CO₂ in wertvolle Brennstoffe und Chemikalien umzuwandeln. Unterstützt durch Fortschritte in den Bereichen erneuerbare Stromerzeugung, Katalyse und CO₂-Abscheidungstechnologien entwickelt sich die Kohlenstoffverwertung von einem Forschungsschwerpunkt zu einem praktischen Ansatz, der gleichzeitig Treibhausgasemissionen bekämpft und industriell nutzbare Rohstoffe für den Aufbau einer Kreislaufwirtschaft im Kohlenstoffbereich erzeugt.

In diesem Zusammenhang stellt die elektrochemische CO₂-Reduktion (CO₂RR) einen der am aktivsten verfolgten Ansätze dar. Bei diesem Verfahren wird elektrische Energie genutzt, um die Reduktion von CO₂ an einer Katalysatoroberfläche voranzutreiben und es in wertvolle Chemikalien und Brennstoffe (darunter Kohlenmonoxid, Methan, Ethylen, Formiat und Methanol) umzuwandeln, die als Ausgangsstoffe für die industrielle Produktion oder als saubere Energieträger dienen. Mehrere Industrieunternehmen und Start-ups betreiben derzeit CO₂RR-Anlagen im Pilotmaßstab, wobei eine kommerzielle Einführung in den kommenden Jahren erwartet wird. Da sich dieser Übergang beschleunigt, wächst der Bedarf an Analysetechnologien, mit denen Reaktanten, Produkte und die Prozesseffizienz während der gesamten Reaktion genau überwacht werden können.

Gasanalyse bei der CO₂-Reduktion: Eine anspruchsvolle, aber unverzichtbare Anforderung

Eine der wichtigsten Anforderungen bei der elektrochemischen CO₂-Reduktion ist eine genaue und zeitnahe Gasanalyse. Während der Elektrolyse wird kontinuierlich CO₂ verbraucht, während gleichzeitig mehrere gasförmige Produkte entstehen. Die Zusammensetzung des Gasstroms kann sich je nach Katalysatoraktivität, Betriebsbedingungen und Reaktionszeit rasch ändern, weshalb eine zuverlässige Gasanalyse unerlässlich ist, um die Katalysatorleistung zu bewerten, die Reaktionsbedingungen zu optimieren und die Prozessskalierung zu unterstützen.

Die Erfassung umfassender Echtzeitdaten zur Gaszusammensetzung während des gesamten CO₂-RR-Prozesses stellt jedoch nach wie vor eine technische Herausforderung dar. Herkömmliche Analysemethoden wie die Gaschromatographie (GC) liefern zwar genaue Zusammensetzungsanalysen, basieren jedoch in der Regel auf periodischer Probenahme und Offline-Messung. Die daraus resultierende Verzögerung zwischen Reaktion und Analyse erschwert es, dynamische Veränderungen zu erfassen und die Katalysatoroptimierung zu beschleunigen.

Diese Herausforderungen bestehen im gesamten CO₂-RR-Arbeitsablauf, von der Aufrechterhaltung stabiler Reaktantenbedingungen bis hin zur Analyse der Reaktionsprodukte und der Überwachung dynamischer Prozessveränderungen:
• Sicherstellung konsistenter CO₂-Zufuhrbedingungen: Eine zuverlässige CO₂-RR-Bewertung erfordert stabile und konsistente CO₂-Zufuhrbedingungen. Die kontinuierliche Überwachung der CO₂-Konzentration am Einlass trägt dazu bei, die Zufuhrbedingungen zu überprüfen, die Konsistenz der Experimente zu verbessern und zuverlässige Daten zur Gaszusammensetzung für die Bewertung der CO₂-Umwandlung sowie die Kohlenstoffbilanzanalyse zu liefern. Selbst geringe Schwankungen der Zufuhrbedingungen können die Bewertung der Katalysatorleistung und die Vergleichbarkeit der Versuchsergebnisse beeinträchtigen.
• Umfassende Analyse des Auslassgases: Der CO2RR-Auslassgasstrom kann je nach Katalysatormaterialien und Betriebsbedingungen mehrere gasförmige Komponenten enthalten, darunter CO, H₂, CH₄, C₂H₄ und Rest-CO₂. Die gleichzeitige Messung mehrerer Komponenten ist für die genaue Bewertung der Katalysatorleistung, der Produktverteilung und der Reaktionseffizienz unerlässlich.
• Echtzeitüberwachung der Reaktionsleistung: Während des Katalysator-Screenings und der Prozessoptimierung kann sich die Gaszusammensetzung im Verlauf der Elektrolyse ändern, da sich das Katalysatorverhalten und die Betriebsbedingungen weiterentwickeln. Regelmäßige Probenahmen liefern nur begrenzte Momentaufnahmen des Reaktionsverhaltens und können vorübergehende Veränderungen in der Produktverteilung übersehen. Die Echtzeitüberwachung der Gaszusammensetzung ermöglicht es Forschern, Reaktionstrends zu verfolgen, Betriebsbedingungen zu vergleichen und Reaktionsparameter effizienter zu optimieren.

Ein in der CO₂-RR eingesetzter Gasanalysator muss daher in der Lage sein, mehrere Komponenten gleichzeitig zu messen – mit ausreichender Genauigkeit und Ansprechgeschwindigkeit, um sowohl die Prozesssteuerung als auch die Katalysatorbewertung zu unterstützen.

Tragbarer Infrarot-Syngas-Analysator Gasboard-3100P: Eine fortschrittliche Lösung für die Echtzeit-Mehrkomponenten-Gasanalyse in der CO₂-RR

Um dem Bedarf an präziser Echtzeit-Mehrkomponenten-Gasanalyse in CO₂RR-Anwendungen gerecht zu werden, bietet Cubic Instruments, ein führender Hersteller von Gassensoren und Gasanalysatoren, den Gasboard-3100P an, einen PCT-zugelassenen tragbaren Infrarot-Syngas-Analysator auf der Grundlage patentierter Technologien der nichtdispersiven Infrarotspektroskopie (NDIR) und der Wärmeleitfähigkeitsdetektion (TCD), kombiniert mit elektrochemischer Detektionstechnologie (ECD) für eine umfassende Gasanalyse.

Insbesondere nutzt das Gasboard-3100P die NDIR-Technologie zur Messung von CO, CO₂, CH₄ und C₂H₄ und macht sich dabei die spezifischen Infrarot-Absorptionseigenschaften der einzelnen Gase zunutze, um selbst in komplexen Mehrkomponenten-Gasströmen selektive und genaue Messungen zu erzielen. Für den präzisen H₂-Nachweis wird die TCD-Technologie mit intelligenter Kreuzempfindlichkeitskorrektur eingesetzt, um Störungen durch CO, CO₂ und CH₄ auszugleichen. Darüber hinaus wird O₂ auf Basis der ECD-Technologie gemessen, was den Nachweis von Sauerstoffverunreinigungen ermöglicht, die andernfalls die Reduktionsreaktion stören könnten. Durch die Integration dieser sich ergänzenden Sensortechnologien bietet das Gasboard-3100P die Möglichkeit zur gleichzeitigen Messung mehrerer Gaskomponenten und unterstützt so die Leistungsbewertung und Prozessoptimierung bei der CO₂-Reduktion (CO₂RR).

Die genaue Quantifizierung von Gasphasenprodukten ist für die Bewertung der Katalysatorselektivität und der Umwandlungseffizienz bei der CO₂-Reduktion (CO₂RR) unerlässlich. Das Gasboard-3100P bietet eine Genauigkeit von ±1 % F.S. über alle NDIR-Kanäle hinweg und ±2 % F.S. für H₂ und O₂, wodurch die zur Erfüllung der Präzisionsanforderungen erforderliche Messgenauigkeit gewährleistet wird.

Eine schnelle Ansprechzeit ist ebenfalls entscheidend für die CO₂RR-Forschung, bei der sich die Gaszusammensetzung während der Elektrolyse aufgrund von Schwankungen der Katalysatoraktivität und der Betriebsbedingungen ändern kann. Mit einer Ansprechzeit von weniger als 10 Sekunden ermöglicht das Gasboard-3100P Forschern, Änderungen der Gaszusammensetzung mit minimaler Verzögerung zu erfassen, was ein schnelleres Feedback beim Katalysatorscreening und bei der Reaktionsoptimierung ermöglicht. Die schnelle Ansprechzeit des Gasboard-3100P trägt dazu bei, die Iterationszeit zu verkürzen, die experimentelle Effizienz zu steigern und die Optimierung der Reaktionsbedingungen zu beschleunigen.

Das Gasboard-3100P wurde für den komfortablen Einsatz in CO₂-RR-Testumgebungen entwickelt und integriert neben den Gasanalysemodulen eine eingebaute Probenpumpe, einen Durchflussmesser, Filter und einen wiederaufladbaren Akku, wodurch es eine eigenständige Lösung für Versuchsaufbauten bietet. Im Vergleich zu herkömmlichen Offline-Analyseverfahren vereinfacht das integrierte Design den Messablauf, indem es den manuellen Probenahmeaufwand sowie die Notwendigkeit komplexer Probenhandhabung oder zusätzlicher Analyseschritte reduziert. Interner Datenspeicher und standardisierte digitale Kommunikationsschnittstellen unterstützen zudem die effiziente Datenübertragung und die Integration in bestehende Versuchssysteme.

Durch die Kombination von Mehrkomponenten-Gasanalyse, präziser Messung, schneller Ansprechzeit und flexiblen Einsatzmöglichkeiten unterstützt das Gasboard-3100P Forscher dabei, zuverlässige Einblicke in das Reaktionsverhalten von CO₂-RR zu gewinnen und die Versuchsbedingungen effizienter zu optimieren.

Warum Cubic Instruments

Cubic Instruments verfügt über ein breites und fundiertes Know-how im Bereich der Gassensorik, wobei die Kernkompetenzen die nichtdispersive Infrarotspektroskopie (NDIR), Laser-Raman-Streuung, UV-DOAS, TDLAS, elektrochemische Detektion (ECD) sowie Ultraschalltechnologien umfassen. Dank seiner plattformübergreifenden technischen Kompetenz ist Cubic Instruments in der Lage, maßgeschneiderte Lösungen für ein breites Spektrum an Anwendungen in der Gasüberwachung und -analyse zu entwickeln.

Das Gasboard-3100P basiert auf bewährten Technologieplattformen, die unter Dauerbetriebsbedingungen zuverlässige Leistung bewiesen haben. Gestützt auf eine strenge Produktqualitätskontrolle, einen reaktionsschnellen technischen Support und das Bekenntnis zu einer langfristigen Kundenpartnerschaft bietet Cubic Instruments CO₂-RR-Forschern und Verfahrenstechnikern Messtechniklösungen, auf die sie sich verlassen können – von der ersten Inbetriebnahme bis zum Ende ihrer Forschungs- und Entwicklungsprogramme.

Während die elektrochemische CO₂-Reduktion weiter in Richtung Pilotmaßstab und kommerzieller Einsatz voranschreitet, bleibt Cubic Instruments seinem Engagement treu, präzise Gasüberwachungslösungen zu liefern, die den sich weiterentwickelnden analytischen Anforderungen dieser Anwendung gerecht werden.