P2X
Das postfossile Zeitalter für Kunst- und Kraftstoffe
Was tun, damit flüchtiger Strom dauerhaft gespeichert werden kann? Power-to-X-Technologien gehören zu den besten Antworten auf diese Frage. Sie können aber noch mehr, weil sie aus Strom „mehr“ machen: In der dritten Projektphase setzt P2X sich verstärkt mit eFuels auseinander.
Erneuerbare Energiequellen lösen auf dem Weg zur Klimaneutralität die bisherigen fossilen ab. Doch die Stromerzeugung aus Sonnenlicht und Wind bringt Schwankungen mit sich. Während im Hochsommer und in stürmischen Zeiten viel Strom erzeugt wird, sieht es nachts oder im Winter teilweise schlechter aus. Energie wird allerdings immer benötigt und langfristige und flexible Speichermöglichkeiten sind notwendig. Power-to-X-Technologien, an denen das Kopernikus-Projekt P2X forscht, bieten solche benötigten Speichermöglichkeiten. Zusätzlich ersetzen nachhaltige Power-to-X-Produkte bisherige klimaschädliche fossile Produkte.
In den ersten zwei Projektphasen war das Spektrum breit: P2X hat verschiedene Technologien untersucht, um Wasserstoff, Kraftstoffe, Kunststoffe und chemische Grundstoffe auf Basis von Strom herzustellen. Die Forschenden haben die Herstellungsschritte zu vollständigen Wertschöpfungsketten weiterentwickelt. In der finalen dritten Phase fokussiert das Kopernikus-Projekt auf synthetisch hergestelltes Kerosin (eKerosin). Generelles Ziel ist, die industrielle Nutzung über weitere Skalierung zu realisieren. Die „Brücke“ für Letzteres sind Demonstrationsvorhaben.
Zudem hat P2X mehrere Roadmaps erarbeitet. Diese verfolgen die Entwicklungen der verschiedenen P2X-Technologien und bewerten sie nach ökologischen, ökonomischen und sozialen Nachhaltigkeits-Kriterien. Ihre Ergebnisse fließen in die weitere Entwicklung der P2X-Technologien mit ein. Ganz unten auf dieser Seite können Interessierte alle vier bisherigen Roadmap-Versionen herunterladen.
Fokus: Kerosin, Standortanalyse, Bildung
Die Luftfahrt wird sich nicht direkt elektrifizieren lassen, insbesondere nicht auf Mittel- und Langstrecken. Daher besteht wissenschaftlicher Konsens, dass die Luftfahrt prädestiniert ist für den Einsatz von nachhaltigen Kraftstoffen. Das spiegelt das Bundesimmissionsschutzgesetz, das eine verpflichtende Beimischungsquote von nachhaltigem Kerosin ab 2026 vorsieht. Von der EU-Gesetzgebung ist dies ab 2025 vorgesehen. Das soll den Flugverkehr klimaschonender machen. Der gesetzte Schwerpunkt für die finale Phase drei des Projekts P2X – die Herstellung von eKerosin und chemische Verwertung der Nebenprodukte – korrespondiert somit mit den gesetzlich vorgesehenen Beimischungsquoten.
Das P2X-Demonstrationsprojekt P2Fuels greift dies auf. P2Fuels plant im Frankfurter Industriepark Höchst Power-to-Liquid-Crude (synthetisches Rohöl) zu normkonformem Kerosin weiterzuverarbeiten, das sich wiederum vermarkten lässt. Begleitende Analysen stellen sicher, dass der Kraftstoff der Norm entspricht und den hohen Anforderungen in der Luftfahrt gerecht wird. Die Basis dieses synthetischen Kerosins sind Wasserstoff und biogenes CO₂. Zudem finden Nebenprodukte wie Naphtha Berücksichtigung, sodass eine weitere nachhaltige Verwertung über die chemische Industrie möglich ist. Die Optimierungen setzen aber noch an anderer Stelle an, nämlich den Triebwerksbrennkammern. Hierfür prüfen die Forschenden, ob sich entstehende NOx-Emissionen (NOx = Stickoxide) reduzieren lassen. Im Blick behalten sie bei allen diesen Aktivitäten auch regulatorische Fragen.
Zu den weiteren Aufgaben, die P2X sich in der dritten Projektphase gestellt hat, zählen auch die Lebenszyklusanalyse des Demonstrators, die Verfügbarkeit kritischer Rohstoffe, das Einbeziehen von Umweltwirkungen sowie die Betrachtung verschiedener industrieller Standorte hinsichtlich ihrer Eignung. Auch wird das bereits existierende Bildungsangebot im Bereich PtX erweitert, um einen Wissenstransfer insbesondere Richtung Lernende und Studierende zu schaffen. Im Rahmen der Kommunikation wird P2X seine Ergebnisse der breiten Öffentlichkeit präsentieren. Weitere thematische Aspekte ergänzen zwei Satellitenprojekte, die im Wesentlichen von bisherigen P2X-Erfolgen ausgehend Aspekte weiterentwickeln und demonstrieren.
Bisherige Projekterfolge
Elektrolyse teilt das Molekül Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. P2X hat Elektrolyseure untersucht, die weniger Iridium als bisher benötigen. Das Edelmetall ist äußerst selten und die Vorräte begrenzt. Den Forschenden ist es gelungen, den Iridium-Anteil in der Wasserstoff-Elektrolyse um den Faktor zehn zu verringern – bei gleichbleibender Leistung. Dadurch ist eine deutlich kostengünstigere Produktion von Wasserstoff-Elektrolyseuren möglich.
Synthesegas ist ein Gemisch aus variierenden Anteilen von Wasserstoff, Kohlenmono- und dioxid. P2X nutzt es in Phase III, um daraus Kraftstoffe und Rohstoffe für die chemische Industrie herzustellen. Je nach gewünschtem Produkt ist allerdings ein unterschiedliches Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid notwendig. Das Projekt hat ein Verfahren entwickelt, das Wasser und CO₂ in nur einem Schritt in Synthesegas umwandelt und dafür Strom aus erneuerbaren Quellen (Sonne, Wind) nutzt. Diese sogenannte Hochtemperatur-Ko-Elektrolyse findet bei 800 Grad Celsius statt. Das Besondere an der Anlage von P2X: Sie kann Synthesegas mit verschiedenen Mischverhältnissen von Wasserstoff und Kohlenmonoxid herstellen.
P2X hat die weltweit erste integrierte Anlage in Betrieb genommen, die aus Luft und erneuerbarem Strom in vier Schritten Kraftstoff produziert. Durch die Abstimmung der einzelnen Komponenten konnte die Effizienz der Produktion gesteigert werden. Ein containergroßer Prototyp hat etwa zehn Liter Kraftstoff pro Tag hergestellt. 2022 besaß das Nachfolgemodell eine Kapazität von bis zu 200 Litern.
Wasserstoff lässt sich in relevanten Mengen nur unter hohem Druck oder bei extrem niedrigen Temperaturen transportieren. Beide Methoden sind aufwendig und teuer. Weniger energieaufwendig ist es, den Wasserstoff an eine organische Trägerflüssigkeit wie LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers) zu binden. Die Konsistenz und die Eigenschaften entsprechen bisherigen Kraftstoffen. Somit ließe sich die bestehende Infrastruktur für Transport und Verteilung nutzen. Um den Wasserstoff wieder aus der Trägerflüssigkeit freizusetzen, braucht es sogenannte Dehydrierkatalysatoren. P2X ist es gelungen, einen Katalysator zu entwickeln, der große Mengen gebundenen Wasserstoffs freisetzen kann und dabei ohne viel Edelmetall auskommt. Der P2X-Katalysator ist so erfolgreich, dass er unter dem Namen „EleMax D101“ bereits auf dem Markt erhältlich ist.
Sogenannte Oxymethylenether – kurz: OME – können als emissionsarme Kraftstoffe und für die Plastikproduktion verwendet werden. P2X-Forschende haben sie aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Methanol hergestellt. Bisher mussten sie dafür auf teure Katalysatoren zurückgreifen, die mit seltenen Edelmetallen beschichtet waren. Jetzt hat das Projekt Wege entwickelt, auch Katalysatoren nutzen zu können, die ohne Edelmetalle auskommen und die eine effizientere Umwandlung ermöglichen.
Projekthintergründe im Detail
Die Nutzung von elektrischer Energie zur Herstellung verschiedener Stoffe nennen Wissenschaftler Power-to-X. Die Abkürzung „PtX“ verwenden Fachkreise gern. Daran angelehnt ist der Name des Kopernikus-Projekts P2X (die Zwei, im Englischen „two“ , klingt gleich wie „to“). Bei Power-to-Gas (Strom zu Gas) beispielsweise entstehen gasförmige Stoffe wie Wasserstoff oder Methan. Power-to-Chemicals (Strom zu Chemikalien) produziert chemische Ausgangsstoffe, die industriell weiterverarbeitet werden. Das Ergebnis von Power-to-Fuels (Strom zu Treibstoffen) ist klimafreundlicher Kraftstoff. Hierbei wird aus der Luft, Biogas oder aus Abgasen gewonnenes Kohlendioxid (CO2) verwendet. Auf diese Weise wird bei der Verbrennung des Kraftstoffs in der Summe eine deutliche Emissionsminderung erzielt.
Was haben Power-to-X-Technologien überhaupt mit der Energiewende zu tun? Und mehr noch: Warum sind sie dafür unverzichtbar? Im Folgenden sind die wichtigsten Argumente zusammengetragen und ermöglichen einen schnellen Überblick.
- PtX-Technologien ermöglichen als chemische Energiespeicher Flexibilität, indem sie die Anwendung fluktuierender Erneuerbarer Energien erweitern
- Sie lassen sich dort einsetzen, wo eine direkte Elektrifizierung nicht möglich oder nicht wirtschaftlich ist (Schwerlast-, Schiffs- und Flugverkehr, Chemieindustrie, Stahl- und Glasherstellung)
- PtX-Technologien helfen außerdem, fossile Rohstoffe und Energieträger bei der Herstellung von Kraftstoffen und anderen Grundstoffen zu ersetzen und auf diese Weise CO2 einzusparen
In den ersten beiden Projektphasen war Wasserstoff als eines der für die Energiewende relevantesten Power-to-X-Produkte mehrfach im Fokus von P2X. Es ging unter anderem um folgende Fragen:
- Wie lassen sich Kosten senken und die Hochskalierung beschleunigen, indem der Anteil des seltenen Metalls Iridium ohne Effizienzverlust gesenkt wird?
- Welche Anwendungsmöglichkeiten in der (Chemie-)Industrie für Wasserstoff wie die Umwandlung in Polymerbausteine sind besonders erfolgversprechend?
- Was muss beachtet werden, falls Wasserstoff als Kraftstoff im Bereich Mobilität in Betracht kommt, etwa mit Blick auf Tankstellen?
- Wie lassen sich Industrieöfen wirtschaftlich mit Wasserstoff befeuern?
- An welche chemischen Verbindungen lässt Wasserstoff sich binden, um ihn einfacher und sicherer transportieren zu können?
Die Antworten finden sich in den Projektergebnissen wieder und werden teilweise von anderen Projekten aufgegriffen und weiter verfolgt.
Die Erfolge und Ergebnisse aus den ersten Phasen des Kopernikus-Projekts P2X bleiben nicht als solche stehen, sondern sind an mehreren Stellen Ausgangsbasis für Weiterentwicklungen und Anschlussforschung. Dies gilt für die beiden aktuellen Satelliten, dies gilt aber auch für weitere Projekte wie etwa
- IRIDIOS in H2Giga bei den Wasserstoff-Leitprojekten
- 350-bar-LOHC-Wasserstofftankstelle (Phase zwei): Auslegung von Komponenten wie H2-Kompressoren, H2-Speicherbehälter und H2-Aufreinigungseinheiten sowie Wasserstofftankstelle in Erlangen; die Entwicklungen befinden sich also bereits in der Umsetzung.
- Glasschmelze: Im Kopernikus-Projekt P2X fand ein Test zur Glasschmelze mit Wasserstoff anstelle von Erdgas statt. Dabei gelang es, eine ähnliche Brennerleistung bei vergleichbaren Temperaturen zu erreichen wie beim konventionellen Betrieb mit Erdgas und Sauerstoff. Auch die Qualität des innovativ hergestellten Glases ähnelte derjenigen aus herkömmlicher Produktion.
- Zudem ein Test von LOHC als Trägerstoff, um vor Ort Wasserstoff bereitzustellen.
Als Einstieg in die mittlerweile weit zurückliegende Phase 1 hat das folgende Video die P2X-Projektziele erklärt:
Die Projekt-Partner von P2X (Phase III) und den Satelliten
Alle P2X- sowie die weiteren Kopernikus-Publikationen (inkl. der jeweiligen Technischen Anhänge der Roadmaps) sind gesammelt und durchsuchbar in dieser Liste zu finden. Nachfolgend zudem eine Auswahl an wichtigen Infos aus dem Projekt.
