Power-to-X – In vier Schritten zu CO2-neutralen Kraftstoffen

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Während im Stromsektor die Energiewende in Deutschland bereits ein gutes Stück des Weges zurückgelegt hat, lahmt sie im Verkehrssektor. Eine Kopplung der beiden Bereiche könnte helfen, einige Schwierigkeiten zu überwinden. Einen Schritt in diese Richtung geht das Kopernikus-Projekt „P2X“ auf dem Gelände des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Den Wissenschaftlern ist es gemeinsam mit Partnern Partner Climeworks, Ineratec und Sunfire gelungen, einen ersten Liter Kraftstoff aus Kohlendioxid (CO2), Wasser und Ökostrom zu produzieren, wie es am Montag hieß. In der containerbasierten Versuchsanlage seien erstmals alle vier benötigten chemischen Prozessschritte zu einem kontinuierlichen Verfahren mit maximaler CO2-Ausnutzung und besonders hoher Energieeffizienz integriert worden.

Im Kopernikus-Projekt „P2X“ werden unterschiedliche Wege erforscht, überschüssigen oder ungenutzten Ökostrom in chemischen Energieträgern zu speichern. Die Herstellung von CO2-neutralen Kraftstoffen ist eine Variante. Im ersten Schritt sei beim Verfahren am KIT CO2 aus der Umgebungsluft in einem zyklischen Prozess gewonnen. Die dazu notwendige Technologie mit einem speziell behandelten Filtermaterial stammt von Climeworks, einem Spin-off der ETH Zürich. Die CO2-Moleküle werden erst durch den Filter aufgenommen und dann unter Vaakuum bei 95 Grad Celsius wieder abgelöst und abgepumpt, wie das KIT schreibt.

Danach erfolgt im zweiten Schritt die gleichzeitige elektrolytische Spaltung von Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf. Bei der Co-Elektrolyse wird durch das Unternehmen Sunfire ein Synthesegas in einem einzigen Schritt produziert, was wiederum Grundlage für vielfältige Prozesse der chemischen Industrie ist. Mit einem Wirkungsgrad im industriellen Maßstab könne mit der Co-Elektrolyse 80 Prozent des eingesetzten Ökostroms chemisch im Synthesegas gebunden werden.

Schritt drei: Nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren werden aus dem Synthesegas langkettige Kohlenwasserstoffmoleküle gebildet. Dies sind die Rohprodukte für Kraftstoffe. Dafür lieferte die KIT-Ausgründung Ineratec einen mikrostrukturierten Reaktor, der auf kleinstem Raum eine große Oberfläche bietet, um Prozesswärme sicher abzuleiten und für andere Prozessschritte zu nutzen, wie es weiter hieß.

Last, but not least wird im vierten Schritt die Qualität und Ausbeute des Kraftstoffes optimiert. Dafür habe das KIT das „Hydrocracken“ als Teilprozess integriert. Unter Wasserstoffatmosphäre werden dabei die langen Kohlenwasserstoffketten in einem Platin-Zeolith-Katalysator teilweise aufgespalten. Damit werde das Produktspektrum hin zu mehr verwendbaren Kraftstoffen wie Benzin, Kerosin und Diesel verändert, erklären die Wissenschaftler.

Die derzeitige Pilotanlage könnten rund zehn Liter Kraftstoff täglich produzieren. In der zweiten Projektphase sollen es bald 200 Liter pro Tag sein. Daran anschließend sei der Aufbau einer „vorindustrielle Demonstrationsanlage im Megawattbereich“ geplant, in der sich bis zu 2000 Liter täglich herzustellen. Nach Angaben der Wissenschaftler ist es theoretisch möglich, Wirkungsgrade von rund 60 Prozent zu erreichen – dies bedeutet 60 Prozent des eingesetzten Ökostroms als chemische Energie im Kraftstoff zu speichern.

Die Projektpartner sehen hinsichtlich des modularen Charakters großen Potenzial für ihr entwickeltes Verfahren. „Die Schwelle für eine Realisierung ist durch das geringe Skalierungsrisiko deutlich niedriger als bei einer zentralen, chemischen Großanlage“, heißt es vom KIT. Damit könne das Verfahren dezentral dort eingesetzt werden, wo Photovoltaik, Wind- oder Wasserkraft zur Verfügung stehen.