Technologie

Treibstoff aus Luft und Strom

19.08.2019 - Pilotanlage des Kopernikus-Projekts P2X erzeugt die ersten Liter Kraftstoff aus Kohlendioxid.

Mit Power-To-X-Tech­nologien kann Ökostrom langfristig gespeichert und klimaneutrale Kraftstoffe mit hoher Energiedichte erzeugt werden. Wie diese Sektoren­kopplung aussehen kann, haben Forschungs­partner des Kopernikus-Projektes P2X nun auf dem Gelände des Karlsruher Instituts für Technologie KIT gezeigt und die ersten Liter Kraftstoff aus Kohlendioxid, Wasser und Ökostrom produziert. Sie integrierten in einer container­basierten Versuchsanlage erstmals alle vier benötigten chemischen Prozessschritte zu einem kontinuierlichen Verfahren mit maximaler Kohlendioxid­ausnutzung und besonders hoher Energieeffizienz.

„Wind und Sonne versorgen uns weltweit mit einer ausreichenden Menge an Energie, aber nicht immer zur richtigen Zeit“, sagt KIT-Forscher Roland Dittmeyer, Koordinator des Forschungs­clusters „Kohlen­wasserstoffe und langkettige Alkohole“ innerhalb des Kopernikus-Projektes Power-to-X. „Zudem brauchen einige wichtige Verkehrs­segmente wie Flug- oder Schwerlast­verkehr auch langfristig Kraftstoffe, da diese eine hohe Energiedichte aufweisen.“ Daher liege es nahe, den bisher ungenutzten Ökostrom in chemischen Energieträgern zu speichern. Die notwendigen chemischen Prozess­schritte haben nun die Partner Climeworks, Ineratec, Sunfire und KIT in einer kompakten Anlage zusammen­geschlossen, den gekoppelten Betrieb erreicht und damit das Funktions­prinzip demonstriert.

Die Technologie­kombination verspricht die optimale Ausnutzung des eingesetzten Kohlendioxids und den größt­möglichen energe­tischen Wirkungsgrad, da die Stoff- und Energieströme intern recycelt werden. Die derzeitige Versuchs­anlage kann rund zehn Liter Kraftstoff pro Tag produzieren. In der zweiten Phase des Projekts wird bald eine Anlage mit 200 Litern pro Tag entwickelt. Danach soll eine vor­industrielle Demonstrations­anlage im Megawatt­bereich, also mit rund 1.500 bis 2.000 Litern Produktions­kapazität pro Tag, entstehen. Damit wäre es theoretisch möglich, Wirkungsgrade von rund sechzig Prozent zu erreichen.

Im ersten Schritt gewinnt die Anlage Kohlendioxid aus der Umgebungsluft in einem zyklischen Prozess. Die Direct-Air-Capture-Technologie von Climeworks, eines Spin-offs der ETH Zürich, nutzt dazu ein speziell behandeltes Filtermaterial. Wie ein Schwamm nehmen die luft­durchströmten Filter Kohlendioxid­moleküle auf. Unter Vakuum und bei 95 Grad Celsius löst sich das anhaftende Kohlendioxid wieder von der Oberfläche und wird abgepumpt. Im zweiten Schritt erfolgt die gleichzeitige elektro­lytische Spaltung von Kohlenstoff­dioxid und Wasserdampf. Diese Co-Elektrolyse des Technologie­unternehmens Sunfire produziert in einem einzigen Prozess­schritt Wasserstoff und Kohlenstoff­monoxid, ein Synthesegas, welches die Grundlage für vielfältige Verfahren in der chemischen Industrie ist. Die Co-Elektrolyse mit einem hohen Wirkungsgrad kann im industriellen Maßstab achtzig Prozent des eingesetzten Ökostroms chemisch im Synthesegas binden.

Im dritten Schritt werden nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren aus dem Synthesegas langkettige Kohlenwasser­stoffmoleküle gebildet, die Rohprodukte für Kraftstoffe. Dazu liefert Ineratec einen mikro­strukturierten Reaktor, der auf kleinstem Raum eine große Oberfläche bietet, um Prozesswärme sicher abzuleiten und für andere Prozess­schritte zu nutzen. Der Prozess lässt sich auf diese Art leicht steuern, kann Lastwechsel gut verkraften und ist modular erweiterbar. Der vierte Schritt optimiert schließlich die Qualität des Kraftstoffes und die Ausbeute. Diesen Teilprozess, das Hydrocracken, wurde in die Prozesskette integriert. Unter Wasserstoff­atmosphäre spalten sich die langen Kohlenwasser­stoffketten in Gegenwart eines Platin-Zeolith-Katalysators teilweise auf und verändern somit das Produkt­spektrum hin zu mehr verwendbaren Kraftstoffen wie Benzin, Kerosin und Diesel.

Besonders großes Potenzial bietet das Verfahren hinsichtlich seines modularen Charakters. Die Schwelle für eine Realisierung ist durch das geringe Skalierungs­risiko deutlich niedriger als bei einer zentralen, chemischen Großanlage. Das Verfahren kann dezentral installiert werden und ist somit dort einsetzbar, wo Solar-, Wind- oder Wasserkraft zur Verfügung stehen.

KIT / JOL

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