Projektbeschreibung

Um die hohen CO2-Vermeidungsziele der Bundesregierung bis 2050 zu erreichen, sind auch im Transportsektor, auf den heute knapp 20 % der direkten CO2-Emissionen entfallen, verstärkte Anstrengungen zur Einführung regenerativer Energieträger nötig. Das Potenzial erneuerbarer Biokraftstoffe ist u.a. wegen Landknappheit und Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion begrenzt, so dass zusätzlich so genannte „e-Fuels“ betrachtet werden, die auf Basis von Wasserstoff aus mit erneuerbarem Strom gespeister Elektrolyse und erneuerbaren Kohlenstoffquellen zugänglich sind. Dabei kommt auch CO2 als Einsatzstoff in Frage, das aus industriellen Anlagen (z.B. Stahl- oder Zementindustrie), aus Biomasse (z.B. Biogas) oder direkt aus der Atmosphäre stammen kann. Flüssige synthetische Kohlenwasserstoffe als Kraftstoffe bieten den Vorteil, dass sie mit der bestehenden Infrastruktur für Lagerung, Verteilung und Nutzung kompatibel sind und bei den Verbrauchern hohe Akzeptanz finden. Dies gilt umso mehr, als durch gezielte Eingriffe in die Synthesen (Katalysatoren, Prozessbedingungen) maßgeschneiderte „Designer-Fuels“ erhalten werden können, die neben reduziertem CO2-Footprint auch geringere Schadstoffemissionen (NOx, Partikel, etc.) und bessere Anwendungseigenschaften besitzen als die etablierten rohölbasierten Kraftstoffe. Auch chemische Produkte mit hoher Tonnage aus CO2 und regenerativem Strom können einen signifikanten Beitrag zur Erreichung der CO2-Vermeidungsziele leisten.

Ein wichtiger Aspekt der Umwandlung von erneuerbarem Strom in chemische Produkte ist das Vermögen, dadurch große Energiemengen speichern bzw. verwerten zu können. So besitzen z.B. 100.000 m3 Diesel einen Energieinhalt (Heizwert) von etwa 1 TWh. Der gesamte Stromertrag aus Windkraft und Photovoltaik in Deutschland in 2013 betrug 83 TWh. Dem stand ein Kraftstoffverbrauch von umgerechnet 709 TWh gegenüber. Die deutsche Stahlindustrie emittiert pro Jahr ca. 65 Mio. t CO2. Hiermit ließen sich rein stöchiometrisch 21 Mio. t Kraftstoff basierend auf -(CH2)n- synthetisieren (~250 TWh). Hinzu kommen große Mengen CO2 aus weiteren industriellen Prozessen (z.B. 18 Mio. t/a aus der Zementherstellung) sowie aus Biogas (ca. 8 Mio. t/a) und anderen dezentralen Quellen und schließlich CO2 aus der Atmosphäre. Die Zahlen zeigen, dass e-Fuels aus CO2 mengenmäßig großes Potenzial besitzen, um durch Substitution fossiler Energieträger die CO2-Emissionen zu reduzieren. Allerdings ist die Wirtschaftlichkeit der Umwandlungskette von Strom und CO2 in Kraftstoffe auf Basis etablierter Technologien heute nicht gegeben. Weitere Herausforderungen bestehen bei der Effizienz der Wandlung von elektrischer in chemische Energie und der Langzeitstabilität bzw. Einhaltung der geforderten Produktqualität unter dynamischen Betriebsbedingungen.

Fischer-Tropsch Technologie:

Am IMVT ist der Aufbau einer integrierten P2X-Prozesskette am Beispiel der Erzeugung von synthetischem Kerosin/Diesel als autarke Anlage auf Basis neuer Fischer-Tropsch-Technologien im Rahmen des Arbeitspakets 1 im Cluster B2 geplant. Dabei werden die direkte stoffliche und thermische Verknüpfung von CO2-Abscheidung aus der Atmosphäre, Hochtemperatur-Co-Elektrolyse, Fischer-Tropsch-Synthese und hydrierender Spaltung bzw. Isomerisierung. Abstimmung des CO2-Abscheidungsprozesses auf die Folgeschritte (Zykluszeiten, Zwischenpufferung, Energieeintrag in den Desorptionsprozess) zur Optimierung von Systemeffizienz und Dynamikfähigkeit demonstriert. Am Schluss der ersten Förderphase sollen 25-100 l Produkt für Destillation bzw. Motorentests zur Verfügung gestellt werden.

Methanisierungstechnologie:

Im Rahmen des Clusters B2 steht außerdem zusammen mit dem Engler Bunte Institut des KIT die Entwicklung eines integrierten Verflüssigungskonzepts für kleinskalige Anlagen zur Methanisierung für die dezentrale LNG-Herstellung und energetische Bewertung der Prozesskette anhand von Simulationen im Fokus. Teile der Prozesskette werden im Rahmen des Energy Lab 2.0 Investitionsprojekts aufgebaut. Dazu gehören neben einer Technikumsanlage für die Methanisierung auch eine PEM-Elektrolyseanlage mit Wasserstoff-Drucktank als Zwischenspeicher zur Wasserstoffversorgung und als Kohlenstoffquelle wahlweise biogenes Synthesegas aus der bioliq-Anlage oder CO₂ aus einem Drucktank. Das Arbeitspaket 2 im Rahmen des Kopernikus-Projekts P2X / Cluster B2 beschränkt sich daher auf die Validierung neuer Reaktorkonzepte für die Methanisierung im Technikumsmaßstab (TRL 5) und die Beurteilung der integrierten Verflüssigung anhand von Simulationen gestützt auf die experimentellen Daten zur Methanisierung. Nach 30 Monaten wird ein „Benchmarking“ im Vergleich zu konventionellen Methanisierungsreaktoren und eine Konzeptbewertung der dezentralen LNG-Herstellung vorgenommen. Das IMVT entwickelt hier einen Reaktor für 50 m³/h H₂/CO₂-Feed mit Verdampfungskühlung. Der Prozessdampf kann dabei perspektivisch für eine vorgelagerte Hochtemperaturelektrolyse genutzt werden.

Aktuelle Pressemittelung:

"Fortschritte bei Modularen Anlagen zur strombasierten Synthese chemischer Energieträger"

Forscher des Instituts für Mikroverfahrenstechnik am KIT haben gemeinsam mit den Partnern INERATEC GmbH, sunfire GmbH, Climeworks AG sowie Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) e.V. im Rahmen des Kopernikus-Projektes "Power-to-X" ein Konzept für eine integrierte Anlage entwickelt, die aus dem Kohlendioxid der Luft und erneuerbarem Strom flüssige synthetische Kohlenwasserstoffe als speicherfähige chemische Energieträger erzeugen kann. Im Mittelpunkt steht die dezentrale Herstellung von Kerosinfraktionen, die in der Luftfahrt eingesetzt werden können. Ziel ist die Verringerung des CO2-Ausstoßes in diesem wichtigen Sektor.