Power-to-Liquid – Teil 4: Ausgewählte Demonstrations- und Pilotanlagen

Um die politisch beschlossenen Klimaziele zu erreichen, müssen die CO2-Emissionen in den nächsten drei Jahrzehnten in Deutschland um 80 bis 95 Prozent gesenkt werden. Synthetische Brenn- und Kraftstoffe aus regenerativen Quellen könnten dazu einen großen Beitrag leisten. Die Rede ist von Power-to-Liquid (PtL), also der Verflüssigung von Strom (Power), und dem daraus entstehenden Produkt, den E-Fuels.

E-Fuels bieten die gleichen Vorteile wie die heutigen mineralölbasierten Kraft- und Brennstoffe: Sie sind gut speicherbar und leicht zu transportieren, sie haben eine hohe Energiedichte und verfügen über eine hervorragende Infrastruktur. Ihr Bonus: E-Fuels sind treibhausgasneutral - sofern sie aus erneuerbarem Strom hergstellt werden.

In vier Teilen erklären wir, wie E-Fuels hergestellt werden, warum sie für den Klimaschutz wichtig sind und wie der Einstieg in die PtL-Technologie gelingen kann. Dazu stellen wir einige aktuelle PtL-Projekte vor.

Teil 4: Ausgewählte Demonstrations- und Pilotanlagen

E-CO2MET: Synthetisches Methanol

Methanol ist ein chemischer Grundstoff, der beispielsweise bei der Herstellung von Kraftstoffzusätzen, Kunststoffen oder Leim verwendet wird. Heute wird Methanol aus Erdöl-Rückständen gewonnen, so dass bei der Produktion CO2 frei wird. Dieses Projekt macht den ersten Schritt um künftig synthetisches Methanol einsetzen zu können.

Dazu kooperiert der Energiekonzern Total mit dem Dresdner Unternehmen Sunfire, an dem es beteiligt ist. Ab 2020 sollen in einem dreijährigen Testlauf zunächst grüner Wasserstoff als Ausgangsstoff für synthetisches Methanol hergestellt werden. Dafür soll ein Megawatt-Elektrolyseur in Leuna gebaut werden. Die eingesetzte Sunfire-Elektrolyse hat einen Wirkungsgrad von mehr als 80 Prozent, weil industrielle Abwärme direkt genutzt werden kann. Das senkt den Bedarf für Ökostrom und reduziert die Gesamtkosten.

Während der Zusammenarbeit mit Total wird der Elektrolyseur in verschiedene Forschungsprogramme eingebunden. In Leuna werden mehrere Studien durchgeführt, die die Leistungsfähigkeit des Systems auch in Abhängigkeit von variabler erneuerbarer Energiezufuhr bewerten sollen. Aus Sicht von Total ist dies alles nur ein erster Schritt um anschließend größere Mengen Methanol nicht mehr auf Basis von Erdöl herstellen zu müssen.

E2Fuels: Dieselsubstitute für den Verkehr

Im Verbund-Vorhaben E2Fuels der Stadtwerke Haßfurt werden strombasierte, erneuerbare Kraftstoffe ganzheitlich betrachtet: Die optimierte Erzeugung der Kraftstoffe, die Anpassung von Motoren und die Demonstration. Untersucht werden soll die Herstellung von Wasserstoff, Erdgas/Methanol und Oxymethylenether (OME) für die energetische Nutzung in verschiedenen Verkehrsbereichen – Pkw, Lkw und Schiff – und auch in stationären Großmotoren.

Geplant sind Tests an Versuchsständen zum Brennverfahren für OME, computergestützte Entwicklung der Brennverfahren sowie Praxistests in Pkw, Lkw und Großmotoren. Zentral im Forschungsvorhaben ist auch die Analyse der Systemdienlichkeit von Power-to-Fuel-Anlagen: Hier werden aus Strom, insbesondere aus fluktuierend eingespeistem erneuerbarem Strom, über Brückenchemikalien Kraftstoffe gewonnen und so der Strom- mit dem Verkehrssektor gekoppelt.

 

Power-to-Liquid am Wasserkraftwerk Laufenburg (Schweiz)

Der südbadisch-schweizerische Energieversorger“ Energiedienst“ plant derzeit gemeinsam mit der Ineratec GmbH und Audi die Realisierung einer Pilotanlage zur Erzeugung von klimaneutralen Kraftstoffen am Wasserkraftwerk Laufenburg in der Schweiz. Diese Power-to-Liquid-Anlage soll auf dem Kraftwerksgelände Strom aus Wasserkraft zu synthetischem Treibstoff und Wachsen transformieren.

Der vor Ort im Wasserkraftwerk produzierte Ökostrom erzeugt durch Elektrolyse Wasserstoff, dieser wird mit CO2 aus biogenen Anlagen zusammengebracht und letztlich zu Kohlenwasserstoffen synthetisiert. Die Kohlenwasserstoffe können zu synthetischem Diesel (E-Fuels) für CO2-freies Autofahren sowie zu Wachsen, zum Beispiel für die Kosmetik- und Nahrungsmittelindustrie umgewandelt werden. Zudem entsteht durch den Prozess Wärme, die für Industrieanlagen und Wärmeversorgung in Quartieren genutzt werden könnte.

Das Karlsruher Unternehmen INERATEC GmbH, eine Ausgründung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), baut die mobile und dezentral einsetzbare Pilotanlage. Die Kraftstoff-Synthese ist dank innovativer Mikroverfahrenstechnik so kompakt, dass sie in einen Schiffscontainer passt.

 

SUN-to-LIQUID: Kerosin aus der Sonne

In einer Laboranlage von Imdea Energy im spanischen Madrid treibt konzentrierte Sonneneinstrahlung einen thermochemischen Redoxzyklus an, der von Natur aus bei hohen Temperaturen arbeitet und das gesamte Sonnenspektrum nutzt. Damit bietet sich ein thermodynamisch günstiger Weg zur solaren Kraftstofferzeugung mit hohem Wirkungsgrad und damit wirtschaftlicher Wettbewerbsfähigkeit. Kürzlich wurde die erste Produktion von Solar-Jet-Kraftstoff im Labormaßstab experimentell mit einem Solarreaktor demonstriert, der eine vernetzte poröse Struktur auf Ceroxidbasis enthält, die dem zyklischen Redox-Prozess unterliegt.

 

PowerFuel: Dezentrale Produktion von synthetischem Kersoin

Im Rahmen der Förderinitiative „Energiewende im Verkehr“ werden im Verbundvorhaben „PowerFuel“ die Potenziale einer dezentralen Produktion von synthetischem Kerosin auf Basis erneuerbarer Energien untersucht. Der Prozess: Aus strombasiertem Wasserstoff und CO2 als Kohlenstoffquelle werden mittels Fischer-Tropsch-Synthese Kraftstoffe für den Flugverkehr hergestellt. Anhand einer Power-to-Liquid-Anlage im Pilotmaßstab werden die Anforderungen an die verschiedenen Teilprozesse unter lastflexibler Fahrweise untersucht.

Die Anlage am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist für eine Produktionskapazität von 200 bis 300 Liter am Tag ausgelegt. Sie besteht im Wesentlichen aus einem PEM-Elektrolyseur zur Wasserstoffgewinnung, einer Direct Air Capture-Anlage zur Abtrennung von CO2 aus der Luft sowie einer umgekehrten Wassergaskonvertierung, in der durch CO2-Aktivierung und Wasserstoff ein Synthesegas produziert wird. Das Synthesegas wird anschließend im Fischer-Tropsch-Reaktor zu flüssigen Kohlenwasserstoffen umgewandelt. Durch verschiedene Aufbereitungsschritte besitzen die so gewonnenen synthetischen Kraftstoffe – neben Treibhausgasneutralität – ähnliche oder sogar verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen.

Durch den Einsatz kompakter chemischer Reaktoren von Ineratec direkt vor Ort soll auf naturbedingte Schwankungen bei der Wind- und Solarstromerzeugung optimal reagiert werden. Die Qualität der synthetischen Treibstoffe sowie der Einsatz in verschiedenen Verkehrssektoren werden vom Deutschen Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR) und der Firma Aviation Fuel Projects Consulting untersucht undbeurteilt.

Parallel zum Betrieb des Anlagenverbunds führen Siemens, Bauhaus Luftfahrt und die TU Hamburg Energiesystemanalysen des gesamten Anlagenverbunds durch, welche durch Simulationen basierend auf Strommarktmodellen unterstützt werden. Zusätzlich soll analysiert werden, wie der synthetisch erzeugte Kraftstoff in den Markt gebracht werden kann.

 

P2X: Versuchsanlage im Container

Die Power-to-Liquid-Versuchsanlage auf dem Gelände des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) vereint als Containerlösung alle vier Prozessschritte, mit denen aus Luft und Strom flüssiger „grüner“ Kraftstoff entsteht. Die Containeranlage bietet maximale CO2-Ausnutzung bei besonders hoher Effizienz.

Zunächst filtert die Anlage klimaschädliches CO2 aus der Umgebungsluft, um es anschließend für die Herstellung von Kraftstoff zu nutzen. Die Technik dafür entwickelte Climeworks, ein Ableger-Unternehmen der ETH Zürich.
In der zweiten Phase werden CO2 und Wasserdampf mit einer Technologie des Energieunternehmens Sunfire in Wasserstoff und Kohlenmonoxid gespalten. Aus dem hierbei entstehenden Gasgemisch werden in Phase drei lange Kohlenwasserstoff-Ketten gebildet. Das Verfahren stammt von der KIT-Ausgründung Ineratec.

Im KIT wurde das Modul für den letzten Schritt entwickelt: Mit dessen Hilfe werden langkettige Kohlenwasserstoffe so aufgespalten, dass sie für die Herstellung von Benzin-, Kerosin- und Diesel genutzt werden können.

Das Nachfolgermodell für die anstehende zweite Phase soll bereits auf eine Produktionsmenge von ca. 200 Litern am Tag kommen. Anschließend ist eine Entwicklung bis ins vorindustrielle Stadium angedacht: In einigen Jahren soll eine dritte Versuchsanlage bereits zwischen 1.500 und 2.000 Litern Kraftstoff täglich produzieren.

Solche modularen Anlagen wie hier in Karlsruhe könnten zukünftig dezentral überall dort zur Kraftstoff-Produktion eingesetzt werden, wo Solar-, Wind- oder Wasserkraft auch in kleineren Dimensionen zur Verfügung stehen.

 

Power-to-Liquid: Pilotanlage für Mitteldestillate

Die Anlage des Dresdner Energie-Startups SunFire produziert Bioöl, Diesel und Kerosin aus Strom, und H2O und CO2.Die Anlage ist seit rund vier Jahren in Betrieb. Als Hauptverfahren wird die Elektrolyse + Synthese eingesetzt, ein Verfahren zur Aufspaltung einer chemischen Verbindung unter Einwirkung des elektrischen Stroms.

 

KERoSyn100: Sektorkopplung Strom und Mobilität

Das Forschungsprojekt KEROSyN100 ist ein anwendungsorientiertes Beispiel für die Sektorenkopplung Strom/Mobilität. Im Fokus des Projekts steht eine Power-to-Jet Anlage, mit der in einer schleswig-holsteinischen Gemeinde mithilfe von überschüssiger Windenergie synthetisches Kerosin hergestellt wird. Dieses soll per Pipeline zum nahegelegenen Flughafen Hamburg-Fuhlsbüttel transportiert und dort direkt zur Betankung von Passagierflugzeugen genutzt werden.

Mit dem Fokus auf diese Nutzungsart kann die Umwandlung von Strom zu Kerosin als netzdienlicher Flexibilisierungsfaktor betrachtet werden. Durch das Zusammenspiel von systemanalytischen Untersuchungen und der Entwicklung einer innovativen Technologie zur Synthese von Kerosin aus Methanol, soll strombasiertes Kerosin einer Markteinführung angenähert werden.

Weiterhin wird im Projekt das Basic Engineering für eine maßgeschneiderte Demonstrationsanlage am Standort der Raffinerie Heide erarbeitet. Dabei spielt die Windenergieerzeugung im Umkreis der Raffinerie eine zentrale Rolle. Im Rahmen des Forschungsprojektes wird eine Nutzung der Windenergie angestrebt, die aufgrund von Netzengpässen und fehlender Flexibilität im System derzeit abgeregelt wird und damit verloren geht.

Das Projekt, das den vollen Titel „KEROSyN100: Entwicklung und Demonstration einer dynamischen, effizienten und skalierbaren Prozesskette für strombasiertes Kerosin – Phase 1“ trägt, wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.