Power-to-Liquid (E-Fuels)

weißer Schiffscontainer mit der Power-to-Liquidanlage bei Tag mit geöffneten Türen.C. Ruf, KIT
Der CO2-Ausstoß, den wir mit unserer heutigen Art der Mobilität verursachen, schadet dem Klima. Deshalb ist die Verkehrswende wichtig. Antworten auf die Frage, wie man klimaneutrale Kraftstoffe aus Ökostrom herstellt, findet das Power-to-Liquid-Team.

Wir müssen den CO2-Ausstoß des Verkehrssektors drastisch reduzieren. Gleichzeitig müssen wir den weltweiten Transport von Gütern und Personen weiter gewährleisten. Deshalb benötigen wir eine CO2-neutrale Art der Mobilität. Nur wie?
Elektromobilität mit Strom aus erneuerbaren Quellen kann nicht in allen Fällen die Antwort sein. Schwertransporte, der Flug- und Schiffsverkehr kommen nicht ohne die hohe Energiedichte der flüssigen Kraftstoffe aus. 
Deshalb werden im Energy Lab 2.0 gemäß dem Power-to-Liquid (PtL) Konzept mit elektrischem Strom aus erneuerbaren Energiequellen (Power) und aus CO2 flüssige Kraftstoffe (Liquid) hergestellt und das bis zu 200L pro Tag. Das Kohlendioxid stammt dabei direkt oder indirekt aus der Atmosphäre. Damit wird das CO2, welches am Ende von z.B. Schiffen, Flugzeugen oder LKWs bei der Nutzung der sogenannten E-Fuels ausgestoßen wird, zuvor aus der Luft entnommen, was den CO2-Kreislauf schließt und den Kraftstoff somit CO2-neutral macht.
Um aus erneuerbarem Strom, Wasser und CO2 die E-Fuels herstellen zu können, müssen mehrere Prozesse zu einer Prozesskette zusammengeschalten werden. Am Energy Lab 2.0 untersuchen die  Forschenden unterschiedliche Verfahrensoptionen und -kombinationen. Allen untersuchten PtL-Prozessketten beinhalten dabei folgende grundlegende Schritte:  

Schritt 1: Gewinnung des CO2 aus der Luft oder anderen nicht-fossilen Quellen

Das Kohlendioxid lässt sich einerseits gewinnen aus den Abgasen großindustrieller Prozessen wie der Zement- oder Stahlherstellung, welche das Klimagas freisetzen werden, selbst wenn dort in Zukunft keine fossilen Brennstoffe mehr eingesetzt werden. Eine weitere Quelle sind biogene Quellen, wie Biogas- oder Abfallverbrennungsanlagen. Und schließlich kann man das CO2 direkt aus der Umgebungsluft über sogenannte Direct Air Capture Verfahren filtern. In einer solchen Verfahrensvariante wird die Luft über ein spezielles Filtermaterial geleitet an dem selektiv das CO2 adsorbiert (bindet). Sobald der Filter vollständig beladen ist wird das gebundene CO2 durch eine Temperaturerhöhung auf etwa 90°C desorbiert und kann so in reiner Form für den darauffolgenden Prozessschritt gewonnen werden. Gemeinsam mit dem Partner Climeworks wird dies am Energy Lab 2.0 durch das KIT in den Forschungsprojekten Powerfuel und dem Kopernikus-Projekt „P2X“ untersucht.

Schritt 2: Synthesegasgenerierung über ein Elektrolyseverfahren und CO2

Bei dem Power-to-Liquid Wandlungsprozess spielt Wasserstoff aus der Elektrolyse als Zwischenstufe auf dem Weg zu den synthetischen Kraftstoffen die Rolle des universellen Energieträgers. Grüner Wasserstoff kann über die Elektrolyse von Wasser (z.B. PEM-Elektrolyse) oder Wasserdampf (Festoxid-Elektrolyse) mit grünem Strom gewonnen werden. Beide Elektrolysetechnologien sind am Energy Lab 2.0 vorhanden. CO2 ist ein sehr reaktionsträges Molekül. Daher wird für die eigentliche Kraftstoffsynthese im dritten Schritt der Prozesskette ein Synthesegas benötigt. Als Synthesegas bezeichnet man die Mischung aus Wasserstoff und dem reaktiven Kohlenmonoxid (CO). Das Synthesegas kann über eine chemische Reaktion, der sogenannten reversen Wassergas-Shift-Reaktion (kurz „RWGS“) aus Wasserstoff – z.B. aus der gängigen PEM- oder der Dampfelektrolyse – und CO2 hergestellt werden. Dabei reagiert das Kohlendioxid mit Wasserstoff zu Kohlenmonoxid und Wasser. Man opfert sozusagen einen Teil des Wasserstoffs für die Kohlendioxid-Umwandlung. Mit der sogenannten Ko-Elektrolyse von Wasserdampf und Kohlendioxid lässt sich das Synthesegas sogar direkt in einem einzigen Schritt elektrolytisch aus CO2 und Wasserdampf erzeugen. Diese Variante wird im Kopernikus-Projekt „P2X“ durch das KIT gemeinsam mit dem Partner Sunfire am Energy Lab 2.0 aufgebaut. Mit der PEM- und Dampfelektrolyse in Kombination mit der RWGS-Reaktion sowie mit der Ko-Elektrolyse stehen den Wissenschaftlern am Energy Lab 2.0 somit drei Optionen für die Synthesegasgenerierung zur Verfügung. Darüber hinaus kann auch das in der bioliq®-Prozesskette aus Biomassereststoffen erzeugte Synthesegas im Energy Lab 2.0 für die Kraftstoffsynthese eingesetzt werden.

Schritt 3: Die Synthese der Kraftstoffmoleküle aus dem Synthesegas

Aus Synthesegas lassen sich über die sogenannte Fischer-Tropsch-Synthese langkettige Kohlenwasserstoffmoleküle herstellen. Diese Moleküle sind der wesentlichen Bestandteile der E-Fuels und entsprechen chemisch gesehen den Molekülen die auch in den fossilen Kraftstoffen die wir heute kennen enthalten sind. Die Reaktion selbst wurde bereits in den 1920er Jahren durch Franz Fischer und Hans Tropsch entwickelt. Neu am Energy Lab 2.0 ist der Einsatz der am KIT entwickelten und vom KIT Spin-off INERATEC GmbH kommerzialisierten chemischen Kompaktreaktoren. Diese sind im Inneren mikrostrukturiert und machen sie dadurch hocheffizient, was auch beispielsweise den Einsatz in einer containerbasierten Anlage ermöglicht. Zudem sind die Reaktoren modular aufgebaut, was eine gute Skalierbarkeit mit sich bringt. Die bei dieser Reaktion freigesetzte Wärme kann durch diese Kompaktreaktoren sehr gut abgeführt werden wodurch sich nicht nur die Reaktion gut kontrollieren lässt, sondern auch die Energie effizient genutzt werden kann: Im Energy Lab 2.0 wird die freiwerdende Reaktionswärme in Form von Dampf an anderen Stellen der Prozesskette eingesetzt, was die Gesamteffizienz der Prozesskette steigert. Die Produkte der Fischer-Tropsch-Synthese weißen naturgemäß eine breite Verteilung der Molekülkettenlänge auf. Die Kettenlänge ist dabei ein maßgeblicher Faktor für die Eignung als erneuerbarer Version des heute bekannten Kerosins, Diesels oder Benzin. Die Produkte der Fischer-Tropsch-Synthese lassen sich gemäß ihrer Molekülkettenlänge in drei Bereiche einteilen: Die Moleküle mittlerer Kettenlänge stellen bereits die optimalen Ausgangsstoffe für die flüssigen E-Fuels und damit das Zielprodukt dar. Die zu kurzen und daher gasförmigen Molekülketten werden prozessintern wiederverwendet und somit wieder der Synthesegasgenerierung zugeführt. Die sehr langen Molekülketten sind bei Raumtemperatur fest – man spricht daher auch von „Wachsen“. Diese sind als wertvolle Produkte z.B. in der chemischen Industrie einsetzbar, als Kraftstoff aber nicht direkt geeignet – dazu muss die Kettenlänge zunächst verringert werden. Dies geschieht am Energy Lab 2.0 im vierten und letzten Schritt der Prozesskette.

Schritt 4: Produktaufbereitung zum E-Fuel

Im letzten Schritt der Prozesskette werden die Produkte aufbereitet und optimiert. Ziel ist es direkt im Anschluss zur Fischer-Tropsch-Synthese die Produkte so modifizieren, dass Sie der Norm entsprechen und somit als Kraftstoff verwendet werden können. Dabei gilt es verschiedenste chemische und physikalische Eigenschaften maßzuschneidern. Über die sogenannte „Hydrierende Spaltung und Isomerisierung“ wird dabei die Kettenlänge optimiert und Verzweigungen in die Molekülketten eingebracht. Ersteres geschieht durch das Spalten der Kohlenwasserstoffmoleküle mit zu langer Kettenlänge (Wachse). Somit erfolgt in diesem letzten Prozessschritt nicht nur die Optimierung der Produkteigenschaften sondern auch die Erhöhung der Gesamtausbeute an Kraftstoffen, da die Produktverteilung in den optimalen Kettenlängenbereich verschoben wird. Je nach Betriebsparameter und eingesetzten Katalysatoren lässt sich dabei bevorzugt Kerosin, Diesel oder Benzin herstellen. Dieser letzte Prozessschritt wir am Energy Lab 2.0 im Rahmen des Forschungsprojektes reFuels in die Prozesskette implementiert.

 

Mit den Anlagen der PtL-Prozessketten am Energy Lab 2.0 haben die Forschenden nun die Möglichkeit unterschiedlichste Fragestellung durch Experimente im größeren Maßstab zu beantworten.

Mehr zu den Prozessketten

Auch wenn die einzelnen Schritte der beschriebenen PtL-Prozesskette zwischenzeitlich gut bekannt und z.T. auch kommerzialisiert sind, so betritt das Energy Lab 2.0 mit der Umsetzung dieser Prozessketten in dieser Größenordnung Neuland. Durch die Verschaltung der einzelnen Verfahren zu einer integrierten Prozesskette lassen sich vielerlei Vorteile ableiten, stellt aber auch noch einige praktische Fragen die nun durch die Forschenden beantwortet werden können. Ein Fokus der Arbeiten der Power-to-Liquid Prozessketten am Energy Lab 2.0 stellt der Gesamtwirkungsgrad der Prozesskette dar: durch die clevere Kombination der einzelnen Schritte zu einer integrierten Prozesskette sollen Synergieeffekte bestmöglich genutzt werden um damit einen hohen Wirkungsgrad erreichen zu können, also möglichst viel des eingesetzten erneuerbaren elektrischen Stroms letztendlich in den PtL-Produkten (E-Fuels) für die spätere Nutzung zu speichern. Zudem lassen sich mit den Anlagen im Energy Lab 2.0 die optimalen Betriebsparameter für die Herstellung letztendlich normgerechter Kraftstoffe über diesen regenerativen Weg ermitteln. Ein weiterer Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt liegt im dynamischen Betrieb der Prozessketten. Unbestritten wird bzw. muss erneuerbarer Strom die primäre Energiequelle im Energiesystem der Zukunft darstellen, welcher an einem Ort aber naturgemäß nicht kontinuierlich gewonnen werden kann, da Wetter, Tages- und Jahreszeiten das Angebot vorgeben. Um hier durch die PtL-Technologien eine Beitrag zur Stabilisierung des Stromnetzes (siehe auch EGSAL im Energy Lab 2.0) zu leisten untersuchen die Forscher*innen im Energy Lab 2.0 wie auch die PtL-Prozessketten unter dynamischen Betriebsbedingungen sinnvoll betrieben werden können. All diese Fragestellungen werden in Forschungsprojekten wie reFuels, Kopernikus P2X oder Powerfuel gemeinsam mit Partnern aus der Industrie und Forschung adressiert.

 

Hier steht für Sie das Fact Sheet zum Download zur Verfügung.

 

In diesem Video wird eine Prozesskette erklärt: