Kopernikus P2X

Das Forschungsprojekt im Überblick

Um das Pariser Klimaschutzabkommen zu erfüllen will Deutschland bis 2050 klimaneutral werden. Der Anstoß durch die Regierung die Energiewende durch Förderprojekte einzulenken, ist zwingend erforderlich. Damit soll der Ernst der Lage, die fortschreitende und anthropogen beschleunigte Erderwärmung, in das Bewusstsein der Gesellschaft rücken und ein Umdenken der Industrien zur Investition in nachhaltigere Technologien erreicht und unterstützt werden.

Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Kopernikus-Projekte bilden eine der größten deutschen Forschungsinitiativen zum Vorantreiben der Energiewende. Im zugehörigen Power-to-X (P2X) Projekt sollen chemische Wertprodukte aus erneuerbarem Strom, CO₂ und Wasser erzeugt werden (siehe Abbildung 1). Das X steht dabei repräsentativ für Gase wie Wasserstoff, Kraftstoffe, Chemikalien und Kunststoffe.

Nach der Beschränkung auf ausgewählte Technologien, liegt der Fokus in der zweiten Förderphase des P2X Projekts auf den zwei Technologiepfaden: „Wasserstoff als Energie-Vektor“ und „Synthesegas als Energie-Vektor“. Beide Technologiepfade beginnen mit der Elektrolyse und werden spezifisch nach den Anwendungssektoren - Mobilität, energetische Nutzung und Chemie - zu vollständigen Wertstoffketten weiterentwickelt mit dem Ziel maximaler CO₂ Reduktion. Damit soll eine Basis für die Realisierung in der dritten Projektphase geschaffen werden.

„Wasserstoff als Energie-Vektor“ (Technologiepfad 1)

Mit der Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (kurz: PEM) ist es möglich aus erneuerbarem Strom und Wasser Wasserstoff, dem Energieträger im ersten Technologiepfad zu erzeugen. Ziel des Arbeitsstrangs ist die Reduzierung der Iridium-Beladung der Anoden-Elektrode bei gleichbleibender Leistung und die Skalierung der PEM-Technologie für den prognostizierten stark wachsenden Elektrolysemarkt. Iridium ist ein seltener und teurer Einsatzstoff, allerdings in der Elektrolysezelle entscheidend für die Katalysatoraktivität zur Spaltung des Wassers an der Anode.

Unsere Aufgabe ist es den Gesamtprozess der Elektrolyse inklusive Wasseraufbereitung und Aufreinigung zu betrachten. Simulationsgestützt soll die Sensitivität bestimmter Parameter auf die Systemeffizienz untersucht werden. Unter Einbeziehung der fluktuierenden Verfügbarkeit erneuerbarer Energien soll ein Optimierungsmodell ausgearbeitet werden, das bei gegebenen Bedingungen die minimalen Wasserstoffentstehungskosten der lastflexibel betriebenen Elektrolyse zur Herstellung von emissionsfreiem Wasserstoff berechnet.

„Synthesegas als Energie-Vektor“ (Technologiepfad 2)

Synthesegas dient als Edukt zur Herstellung unterschiedlicher Downstream-Produkte und ist Fokus im zweiten Technologiepfad. Prozessketten mit der Hochtemperatur-Ko-Elektrolyse als zentrales Element sollen als regenerative Alternative zur konventionellen und emissionsintensiven Synthesegaserzeugung beispielsweise aus Erdgas im Projekt weiterentwickelt werden. Die Ko-Elektrolyse ermöglicht die direkte Umsetzung von Wasserdampf, CO₂ und erneuerbarem Strom zu Synthesegas. Unsere Aufgabe liegt in der Prozesssimulation verschiedener Anlagenoptionen zur integrierten Erzeugung unterschiedlicher Downstream-Produkte basierend auf der Hochtemperaturelektrolyse, sowie in dem Vergleich zur konventionellen Erzeugung.

Eine der priorisierten Prozessketten im P2X Projekt ist die Erzeugung synthetischen Kraftstoffs. Dabei wird mit dem sogenannten „Direct Air Capture“ Verfahren CO₂ aus der Luft gefiltert, aus dem in der Hochtemperatur-Ko-Elektrolyse Synthesegas nachhaltig erzeugt wird. Im nächsten Schritt findet in einem Fischer-Tropsch-Reaktor die Umsetzung zu langkettigen Kohlenwasserstoffen statt, aus denen in der nachfolgenden Aufbereitung synthetischer Kraftstoff gewonnen wird. Für diesen kombinierten Prozess soll im Projekt eine modulare Containerlösung gefunden werden. Ein Beitrag zum bisherigen Erfolg der Power-to-fuel Anlage ist hier zu finden.

Projektpartner

Linde GmbH

(Auszug; Alle Partner im Projekt)

Förderung

Das Projekt wird gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), betreut vom Projektträger Jülich und nach außen durch die DECHEMA kommuniziert. Dafür bedankt sich der Lehrstuhl herzlich.

Ansprechpartner

Johanna Hemauer, M.Sc.