P2X

Strom „haltbar“ machen - zum Beispiel in Form von eFuels

Was tun, damit an wind- und sonnenreichen Tagen Stromüberschüsse nicht verfallen? Power-to-X-Technologien gehören zu den besten Antworten auf diese Frage. Sie „konservieren“ Strom - zum Beispiel in Form von eFuels. Damit setzt P2X sich in der dritten Projektphase verstärkt 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 nachts und bei Flauten wenig Energie erzeugt wird, kann es in Hochsommer und stürmischen Zeiten auch mal Überschüsse geben. Ohne Speichermöglichkeiten verpuffen diese. Power-to-X-Technologien, an denen das Kopernikus-Projekt P2X forscht, bieten solche benötigten Speichermöglichkeiten.

In den ersten zwei Projektphasen war das Spektrum breit: P2X hat verschiedene Optionen untersucht, Gase, Flüssigkeiten und Chemikalien auf Basis von Strom herzustellen. Schwerpunkt lag auf Wasserstoff und einem Synthesegas, das aus einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht. Die Forschenden haben beide zu vollständigen Wertschöpfungsketten weiterentwickelt. In der finalen dritten Phase fokussiert das Kopernikus-Projekt vor allem eFuels und da im Speziellen synthetisch hergestelltes Kerosin. Generelles Ziel ist, die technischen Entwicklungen weiter zu skalieren, um die industrielle Nutzung zu realisieren. Die „Brücke“ für Letzteres sind Demonstrationsvorhaben.

Zudem hat P2X eine Roadmap erarbeitet. 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. Ganz unten auf dieser Seite können Interessierte alle vier bisherigen Roadmap-Versionen herunterladen.

Fokus: Kerosin, Standortanalyse, Capacity Building

Der gesetzte Schwerpunkt für die finale Phase drei des Projekts P2X korrespondiert mit den gesetzlich vorgesehenen Beimischungsquoten. Hintergrund dessen ist, dass die Luftfahrt sich nicht direkt elektrifizieren lässt, insbesondere nicht auf Mittel- und Langstrecken. Daher besteht wissenschaftlicher Konsens, dass die Luftfahrt prädestiniert ist für den Einsatz von nachhaltigen Kraftstoffen. Das spiegelt das Bundesimmisionsschutzgesetz, das eine verpflichtende Beimischungsquote ab 2026 vorsieht. Von der EU-Gesetzgebung ist dies ab 2030 vorgesehen. Das soll Flugverkehr klimaschonender machen.

Das P2X-Demonstrationsprojekt P2Fuels greift dies auf. Plan ist, im Industriepark Höchst in Frankfurt eine Raffinerie zu bauen, die Power-to-Liquid-Crude (synthetisches Rohöl) zu normkonformem Kerosin weiterverarbeiten kann, das sich wiederum vermarkten lässt. Begleitende Analysen stellen sicher, dass der Kraftstoff der Norm entspricht und den hohen Anforderung in der Luftfahrt gerecht wird. Basis dieses synthetischen Kerosins ist CO2, auch Nebenprodukte wie Naphta finden Berücksichtigung, damit die Anlage wirtschaftlich arbeiten kann. Für den Testbetrieb der Anlage sind mindestens 200 Stunden Dauerbetrieb vorgesehen. Die Optimierungen setzen aber noch an anderer Stelle an, nämlich den Triebwerksbrennkammern. Hierfür prüfen die Forschenden, ob entstehende NOx-Emissionen sich 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 der bereits existierende Bildungsangebot im Bereich PtX erweitert, um einen Wissenstransfer insbesondere Richtung Lernende und Studierende zu schaffen. 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 (H2O) in Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H2). 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 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. Ein containergroßer Prototyp hat etwa zehn Liter Kraftstoff pro Tag hergestellt. Das Nachfolgemodell kam 2022 mit 200 Litern bereits auf die zwanzigfache Menge.

Wasserstoff lässt sich 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 Umwandlung von Strom in andere 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“). Power-to-X meint, auf Basis von Strom entsteht X. 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 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 fluktuierende Erneuerbare Energien ergänzen
  • 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: Die Forschenden verfolgen das Ziel, den im Rahmen von P2X entwickelten Katalysator mit reduzierter Iridiumbeladung (aus Phase eins, getestet in Phase zwei) zum Elektrolyseur für die PEM-Elektrolyse zu skalieren.
  • 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: Weitere Schmelzversuche mit Wasserstoffbefeuerung folgen, zudem ein Test von LOHC als Trägerstoff, um vor Ort Wasserstoff bereitzustellen.

 

Die Projekt-Partner von P2X (Phase III)

 

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.

Roadmap 4.0

P2X Roadmap 4.0 (Oktober 2022)

Zur Roadmap

Anhang 4.0

Technischer Anhang zur P2X Roadmap 4.0 (Juli 2023)

Zum Anhang

Roadmap 3.0

P2X Roadmap 3.0 (August 2021)

Zur Roadmap

Roadmap 2.0

P2X Roadmap 2.0 (August 2019)

Zur Roadmap

Roadmap 1.0

P2X Roadmap 1.0 (August 2018)

Zur Roadmap

Flyer

P2X-Flyer: Ergebnisse Phase II (Stand: August 2022)

Zum Flyer

Neueste News aus dem Projekt