P2X
Wie das Kopernikus-Projekt P2X erneuerbaren Strom in Kunst- und Kraftstoffe, Gase und Wärme umwandelt
Für ein klimaneutrales Deutschland 2045 benötigen Verkehr, Industrie und Wärme emissionsarme Lösungen. Das Kopernikus-Projekt P2X untersucht einen der vielversprechendsten Ansätze: Power-to-X Technologien. Solche Technologien also, die erneuerbaren Strom in andere Energieformen umwandeln. Zum Beispiel in Kraft- und Kunststoffe, in Wärme und Gase oder in chemische Rohstoffe.
Um die globale Erwärmung auf unter zwei Grad zu begrenzen, will Deutschland bis zum Jahr 2045 weitestgehend klimaneutral werden. Gelingen kann das nur mithilfe erneuerbarer Energien. Das heißt: Sonnenenergie, Wind- und Wasserkraft müssen fossile Rohstoffe ablösen. Ziel des Kopernikus-Projekts P2X ist es, Technologien und Prozesse zu entwickeln, die erneuerbare Energie umwandeln und speichern können. Das Projekt erforscht entsprechend Möglichkeiten, Strom in chemische Energie umzuwandeln. Diese kann dann in emissionsreichen Sektoren wie Verkehr und Industrie oder als Wärmequelle für Industrieprozesse eingesetzt werden und sie klimafreundlicher gestalten.
Power-to-X: Strom rein, stoffliche Lösungen raus
Die Umwandlung von Strom in andere Stoffe nennen Wissenschaftler Power-to-X, kurz: P2X. Übersetzt also, Strom (wird) zu X umgewandelt. 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-Fuel (Strom zu Sprit) ist klimafreundlicher Kraftstoff. Hierbei wird aus der Luft oder aus Abgasen gewonnenes Kohlendioxid (CO2) verwendet. Auf diese Weise wird bei der Verbrennung des Kraftstoffs in der Summe eine deutliche Emissionsminderung erzielt.
In der zweiten von drei geplanten Förderphasen untersucht das Kopernikus-Projekt P2X zwei Ausgangsstoffe, die mit Power-to-X hergestellt werden können. Erstens Wasserstoff und zweitens ein Synthesegas, das aus einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht. Wasserstoff entsteht, indem Wissenschaftler durch Elektrolyse Wasser unter Strom setzen. Wird während der Elektrolyse zusätzlich noch CO2 hinzugefügt (Ko-Elektrolyse), entsteht das Synthesegas.
Wasserstoff: Woran P2X forscht
- Die im P2X-Projekt untersuchten Wasserstoff-Elektrolyseure benötigen derzeit größere Mengen des seltenen und teuren Metalls Iridium. Die P2X-Wissenschaftler suchen nach Möglichkeiten, bei der Elektrolyse so wenig Iridium wie möglich zu verwenden – ohne, dass das Verfahren dadurch an Effizienz verliert.
- Ist der Wasserstoff erst produziert, gibt es etliche Verwendungen für ihn. Die Forscher von P2X untersuchen beispielsweise, wie Wasserstoff und CO2 in Polymerbausteine umgewandelt werden können, die die Chemieindustrie dringend benötigt.
- Weitere Verwendungsmöglichkeit findet Wasserstoff als Kraftstoff für den Straßenverkehr. So entwickelt das P2X-Team auch Konzepte für den optimalen Betrieb von Wasserstoff-Tankstellen.
- Weil Wasserstoff bei hoher Temperatur verbrennt, untersuchen die Partner von P2X zudem, wie man Öfen der Industrie günstig mit Wasserstoff beheizen kann. Konkret testen sie das bei einem Glashersteller.
- Eines der Probleme, das überwunden werden muss ist der Transport. Wasserstoff wird erst unter hohem Druck flüssig und lässt sich nur so gut transportieren. Das ist kompliziert und teuer. Deswegen forscht das P2X-Team auch daran, den Wasserstoff vorübergehend an Flüssigkeiten, flüssige organische Wasserstoffträger, zu binden um ihn leichter transportieren zu können.
Synthesegas: Rohstoff für Kraftstoff und Kosmetik
Im Bereich Synthesegas forscht P2X vor allem an Möglichkeiten, Gas-Gemische effizienter herzustellen. Solche Gase können eine Schlüsselrolle in der Verkehrswende spielen. Bisher ist nicht abzusehen, dass jemals alle LKWs, Schiffe und Flugzeuge ausschließlich elektrisch betrieben werden können. Aus Synthesegas hingegen lassen sich Kraftstoffe synthetisieren. Solche Kraftstoffe belasten die Umwelt deutlich weniger als heutige, fossile Kraftstoffe. Denn das CO2, das sie beim Verbrennen ausstoßen, wurde bei der Produktion zuvor bereits aus der Luft gezogen. Bis 2022 will P2X eine Anlage bauen, die jeden Tag 200 Liter synthetischen Kraftstoff herstellen kann. Die Anteile dieses synthetischen Kraftstoffs können Diesel, Benzin sowie Flugzeug-Kerosin ersetzen.
Schließlich erforscht P2X, wie mithilfe von Mikroorganismen CO2 in großem Maßstab in Chemikalien umgewandelt werden kann, die der Kosmetik-Industrie Grundstoffe für Cremes und andere Pflegeprodukte liefern.
Parallel erarbeitet P2X eine Roadmap. Sie verfolgt die Entwicklungen der verschiedenen P2X-Technologien und bewertet sie nach ökologischen, ökonomischen und sozialen Nachhaltigkeits-Kriterien. Ihre Ergebnisse fließen in die weitere Entwicklung der P2X-Technologien mit ein. Die Roadmap 1.0 und 2.0 stehen als Download auf dieser Seite bereit.
Kopernikus-Projekt P2X: Bisherige Erfolge
Durch Elektrolyse wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. In P2X werden Elektrolyseure untersucht, die besonders wenig Iridium benötigen. Das Edelmetall ist äußerst selten und die Vorräte begrenzt. Den Forschern von P2X gelang es, 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. Aufbauend auf diesem Erfolg werden weitere Arbeiten durchgeführt.
Synthesegas ist ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. P2X nutzt es, 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. Derzeit stellt die containergroße Anlage circa zehn Liter Kraftstoff pro Tag her. Das Nachfolgemodell soll 2022 bereits die zwanzigfache Menge, also 200 Liter, produzieren.
Wasserstoff lässt sich nur unter hohem Druck oder bei extrem niedrigen Temperaturen transportieren. Beide Methoden sind aufwendig und teuer. Weniger energieaufwändig ist es den Wasserstoff an eine organische Trägerflüssigkeit (LOHC) zu binden, zu transportieren und dort, wo er gebraucht wird, wieder von der Flüssigkeit zu trennen. 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 den Markt gebracht wurde.
Sogenannte OME (Oxymethylenether) können als emissionsarme Kraftstoffe und für die Plastikproduktion verwendet werden. Die Forscher von P2X stellen sie aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Methanol, einem Alkohol, her. 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.
Das sind die Partner aus dem Projekt P2X
