Im Europäischen Green Deal wird skizziert, wie Europa als erster Kontinent bis spätestens 2050 klimaneutral werden soll. Dies erfordert gewaltige Veränderungen in allen Sektoren des bestehenden Energieversorgungssystems.

An erster Stelle steht hierbei der Ausbau der erneuerbaren Energieerzeugung mit den bekannten Tageszeit-, Wetter- und saisonalen Schwankungen. Weitere essenzielle Bausteine sind daher Technologien, allen voran die Power-to-X-Technologie (P2X), die es ermöglichen, regenerative (Überschuss-) Energie aus dem Stromsektor in die anderen Energiesektoren zu transferieren. Effiziente, wirtschaftlich tragfähige P2X-Gesamtsysteme sind daher ein Schlüssel für die erfolgreiche Energiewende.

Ansprechpartner

Dr. Ulrich Zuberbühler
+49 711 78 70-239
Entwicklung von P2X-Gesamtsystemen

Beim Verfahren Power-to-X (P2X) wird überschüssiger Strom aus fluktuierenden Quellen per Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt. Dieser kann direkt genutzt oder in einem weiteren Prozessschritt mit Kohlendioxid zu synthetischen Kraftstoffen wie Methan oder eFuels umgesetzt werden. Das ZSW erforscht und entwickelt hierfür zum einen die Hauptkomponenten Elektrolyseure, Synthesereaktoren und Gasaufbereitungskomponenten. Zum anderen werden daraus an die jeweiligen Anforderungen adaptierte, anwendungsnahe Komplettsysteme konzipiert und aufgebaut.

Power-to-X: Verfahrensschema und Einbindung in das Energiesystem. Grafik: ZSW
Verfahren zur CO2-Bereitstellung aus der Luft

Ein Bedarf an kohlenstoffbasierten Brenn- und Kraftstoffen wird voraussichtlich auch langfristig gegeben sein, insbesondere für den Flug- und Schiffsverkehr sowie die nicht elektrifizierbaren Teile des Schwerlastverkehrs, aber gerade auch in der Chemie- und Grundstoffindustrie. Für deren Produktion ist die Verfügbarkeit von Kohlenstoff eine zwingende Voraussetzung, denn für die Synthese von eFuels und Basischemikalien werden Wasserstoff (z.B. aus der Wasserelektrolyse) und Kohlenstoff (z.B. aus CO2) benötigt.

Wenn die Verfügbarkeit von CO2 aus konzentrierten Quellen aufgrund der erforderlichen Klimaschutzbemühungen jedoch absehbar deutlich zurückgehen, rückt die Entwicklung technischer Lösungen, um der Atmosphäre aktiv CO2 zu entziehen, zunehmend in den Fokus. Das betrifft aber auch stromseitig begünstigte P2X-Regionen mit guten Windverhältnissen bzw. hoher Sonneneinstrahlung, die ggf. nicht über konzentrierte Kohlenstoff-Ressourcen verfügen, z.B. Nordafrika oder Chile. Das Interesse an diesen Technologien steigt auch deshalb rasant, weil sie die Möglichkeit bieten könnten, trotz eines potenziell bis 2030 steigenden CO2-Ausstoßes, langfristig durch negative CO2-Emissionen die Erderwärmung doch innerhalb der avisierten Grenzen stabilisieren zu können. Hierfür müsste das CO2 dann jedoch beispielsweise über Mineralisierung dauerhaft gebunden werden. Bisher gibt es nur wenige Technologien, die CO2 mit Hilfe eines Sorbens aus der Luft absorbieren.

Das Fachgebiet Regenerative Energieträger und Verfahren am ZSW verfügt über langjährige Erfahrungen im Bereich der CO2-Bereitstellung aus Luft und hat im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte hierzu eigene Verfahren entwickelt und diese in anwendungsnahe Prototypen umgesetzt. Zuletzt im gerade abgeschlossen BMBF-geförderten Projekt CORAL (FKZ 033RC005). Dort erfolgte ein Screening zu Verfahren für die CO2-Bereitstellung aus Luft sowie deren Unterscheidungsmerkmale. In der Regel werden heute feststoffgebundene Amine auf verschiedenen porösen Trägermaterialien, wie z.B. SAB, MOF, Zeolithe, Cellulose eingesetzt. Im Focus von CORAL stand die Entwicklung und Erprobung eines Verfahrens mit minimiertem elektrischem Energieverbrauch. Dies gelingt durch Prozessintegration wobei die Abwärmen aus verbundenen Prozessschritten, wie z.B. Elektrolyse und Synthese, genutzt werden.

 

CO2-Absorber (links) und CO2-Desorber (rechts); für 0,5-1 m³/h CO2; 3.600 m³/h Luft
Prozess-Simulation

P2X-Gesamtsysteme bedienen sich der Ressourcen „Wasser“, „erneuerbarer Strom“ und „nachhaltiger Kohlenstoff“, um C-basierte Kraftstoffe und Grundchemikalien (z.B. Kerosin oder Methanol) herzustellen. Wesentliche Anforderungen sind hohe Wirkungsgrade, für den jeweiligen Standort optimal integrierte Massen- und Energiebilanzen sowie die Nutzung einer regenerativen Kohlenstoffquelle. Für die optimierte konzeptionelle Auslegung, das Engineering und auch das technische Monitoring von P2X-Gesamtsystemen werden am ZSW die kommerziell verfügbaren Simulationsprogramme IPSEpro und HSC Chemistry eingesetzt. Unter Berücksichtigung der Massen- und Energieerhaltung werden P2X-Komponenten inkl. chemischer Reaktionen und physikalischer Zusammenhänge modelliert, um die Verschaltung von mehr oder weniger komplexen P2X-Gesamtsystemen darzustellen.

Exemplarisch wird nachfolgend eine IPSEpro-Prozess-Simulationsumgebung der 6MWel-P2G-Anlage der AUDI AG im niedersächsischen Werlte (Deutschland) dargestellt. Die Anlage wird seit 2013 im Regelbetrieb betrieben. Aus regenerativem Strom und CO2 aus einer Biogasanlage wird Erdgassubstitut erzeugt, welches in das Erdgasnetz eingespeist wird, um es als nachhaltigen Kraftstoff für die Mobilität zu verwenden. Die Simulationsumgebung wurde im Rahmen des BMWi-geförderten Projekts WOMBAT (FKZ 0325428D) entwickelt und wird bis heute für das technische Monitoring der Anlage durch das ZSW genutzt.

Audi Anlage Werlte

 

IPSEpro-Simulationsumgebung der 6MWel-P2G-Anlage der AUDI AG in Werlte