Kohlenstoffdioxid (CO2) ist neben Wasserstoff der wesentliche Einsatzstoff für die Synthese von eFuels in Power-to-X-Verfahren. Um eFuels klimaneutral erzeugen zu können, muss CO2 regenerativ bereitgestellt werden. Im Fall der CO2-Bereitstellung ist es sinnvoll zunächst auf Punktquellen wie Biogasanlagen oder Bioethanol-Anlagen zurückzugreifen. Mittel- bis langfristig wird es bei einer großtechnischen Umsetzung der eFuel-Prozesse erforderlich sein, CO2 aus der Luft zu gewinnen oder CO2 und CO aus Restbiomassen und Abfällen durch die Oxyfuel-Verbrennung oder die autotherme Vergasung zu erzeugen.
Direct air capture (DAC) ist ein Verfahren zur Gewinnung von Kohlenstoffdioxid (CO2) direkt aus der Atmosphäre. Dabei strömt die Umgebungsluft durch einen Filter oder ein Absorbens, der ihr einen Teil des klimaschädlichen Kohlendioxids entzieht. Nach Desorption und Aufkonzentration erhält man reines CO2, das anschließend bspw. für die o.g. Syntheseprozesse verwendet werden kann.
Durch die Oxyfuel-Verbrennung oder die autotherme Vergasung von biogenen Reststoffen oder Kunststoffabfällen können CO2 oder Synthesegase für Power-to-X-Syntheseprozesse bereitgestellt werden. Für die thermochemische Umwandlung von Kohlenstoff-haltigen Reststoffen zu den Kohlenstoffoxiden (CO2 und CO) kann dabei auch der in der Wasserelektrolyse entstehende Sauerstoffs (O2) eingesetzt werden.
Für die Synthese von CO2 und CO zu eFuels kann grüner Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse eingesetzt und somit nachhaltige Kohlenstoff-Kreisläufe realisiert werden. Bei Syntheseprozessen der Technologiefelder Power-to-Gas und Power-to-Liquid kann das ZSW auf eine langjährige Erfahrung zurückgreifen und fungiert aufgrund der Kompetenzen als Ansprechpartner sowie Technologielieferant. Neben der Methanolsynthese wurde insbesondere die Methansynthese grundlegend untersucht sowie Prozesse zur Gewährleistung einer hohen Produktausbeute erarbeitet.
Die Nutzung regenerativer Kohlenstoffquellen zur Erzeugung erneuerbarer Energieträger ist im Hinblick auf die klimapolitischen Herausforderungen der Zukunft ein wichtiger Bestandteil zur Minderung der Treibhausgasemissionen. Die P2X-Technologie stellt hierbei eine Schlüsselkomponente dar, da dadurch erneuerbarer (Überschuss-)Strom in C-basierte Grundstoffe für die Industrie aber auch in regenerative Brenn- und Kraftstoffe konvertiert und bei Bedarf gespeichert werden kann. Des Weiteren werden durch die Substitution fossiler Energieträger geopolitische Abhängigkeiten reduziert.
P2X-Prozesse werden hinsichtlich des Aggregatzustandes des Produktes in drei Sektoren eingeteilt: Power-to-Gas (PTG), Power-to-Liquid (PTL) und Power-to-Chemicals.
Die verbindende Technologie aller drei Konversionspfade ist die Wandlung von Strom zu Wasserstoff via Elektrolyse.
In einem der Wasserstofferzeugung nachgeschalteten Prozess, der sogenannten Synthese, kann der Wasserstoff unter Zugabe eines Kohlenstoffträgers (z.B. Kohlendioxid) durch Einsatz verschiedener Katalysatoren, Betriebsbedingungen und Prozessführungen in einen C-basierten Grundstoff bzw. Energieträger gewandelt werden.
Das ZSW kann bei Syntheseprozessen der Technologiefelder Power-to-Gas und Power-to-Liquid auf eine langjährige Erfahrung zurückgreifen und fungiert aufgrund der Kompetenzen als Ansprechpartner sowie Technologielieferant. Neben der Methanolsynthese wurde insbesondere die Methansynthese grundlegend untersucht sowie Prozesse zur Gewährleistung einer hohen Produktausbeute erarbeitet.
Die Methansynthese, die Konvertierung von Kohlenoxiden mittels Wasserstoff zu Methan, wird am ZSW seit nun fast 20 Jahren intensiv untersucht. Von den Anfängen der selektiven Methanisierung von Kohlenmonoxid zur Erzeugung eines brennstoffzellentauglichen Brenngases bis hin zur Synthese von stöchiometrisch eingestellten Gasgemischen der P2X-Technologie zur Herstellung eines Erdgassubstitutes kann das ZSW auf ein großes Knowhow zurückgreifen. Denn je nach Einsatzgebiet und Gasbeschaffenheit sind die Betriebsbedingungen und Prozessführung der stark exothermen Methansynthese anzupassen sowie geeignete Katalysatoren auszuwählen. Das ZSW setzt bei den Verfahren zur Methansynthese insbesondere auf gekühlte Festbettreaktoren.
Für die Untersuchung von heterogenen Katalysatoren und die Erprobung bzw. Entwicklung von Reaktoren sowie Gesamtprozessketten, stehen verschiedene Versuchseinrichtungen zur Verfügung. So kann sowohl Grundlagenforschung als auch anwendungsorientierte Entwicklung betrieben werden.
Die Gesamtprozesskette der Bereitstellung erneuerbarer Energieträger aus regenerativen Kohlenstoffquellen weist meist eine Aufbereitung der Rohgase bzw. die Konditionierung von Produktströmen auf. Die Entfernung von Minorkomponenten aus Rohgasen, wie z.B. Schwefelverbindungen, erfolgt dabei in Hinblick auf nachgeschaltete, katalytische Prozesse, da Verunreinigungen hier Deaktivierungsmechanismen hervorrufen können. Am ZSW werden für die Entfernung von Minorkomponenten im Wesentlichen Sorbentien bzw. katalytische Verfahren eingesetzt.
Ein Verfahren zur Konditionierung von Gasströmen, der gezielten Einstellung einer Gasqualität, stellt die Membrantechnologie dar. Dabei werden die unterschiedlichen Stofftransportgeschwindigkeiten (Permeationsraten) einzelner Gaskomponenten durch eine Membran genutzt. Gegenüber anderen Gasaufbereitungsverfahren benötigt die Membrantechnologie nur einen vergleichsweise geringen verfahrenstechnischen Aufwand und ermöglicht bei modularem Aufbau eine schnelle Anpassung an veränderte Betriebsbedingungen und einen großen Lastbereich. Die Technologie ist durch Auswahl einer geeigneten Membran für verschiedene Trennaufgaben einsetzbar und auch für kleinere Anlagen geeignet.
Zur Untersuchung einzelner Gaserzeugungs-, Gaskonditionierungs- und Gasreinigungsschritte sowie der Charakterisierung von Materialien, z.B. Sorbentien und Katalysatoren, stehen am ZSW verschiedene Versuchseinrichtungen zur Verfügung. Neben temperierten Mikro- und Makroreaktoren mit nachgeschalteten Gasanalysesystemen, wird auch die thermogravimetrische Analyse zur Bestimmung relevanter Parameter herangezogen. Bei der thermogravimetrischen Analyse (TGA) wird die Massenänderung einer Probe in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit gemessen. Dadurch lässt sich bei Gas-Feststoff-Reaktionen der Umsatz zeitlich auflösen und durch Variation der Reaktionsbedingungen der Einfluss einzelner Parameter (z.B. Temperatur, Druck, Gaszusammensetzung) ermitteln.
Für die Materialcharakterisierung mittels thermogravimetrischer Analyse verfügt das ZSW über zwei Testeinrichtungen:
- Netzsch, STA 409 CD: Simultane TGA - DSC/DTA
- Rubotherm, DynTherm: Magnetschwebewaage inkl. Massenspektrometer
Bei der Oxyfuel-Verbrennung wird anstelle von Luft als Oxidationsmittel ein Gemisch aus O2, CO2 und Wasserdampf verwendet und somit ein N2-freies Oxyfuel-Abgas bestehend aus den Hauptkomponenten CO2 und Wasserdampf erzeugt. Das ZSW entwickelt die nahestöchiometrische Oxyfuel-Verbrennung von festen (biogenen) Reststoffen, um neben Prozesswärme Oxyfuel-Abgase mit einem CO2-Anteil von knapp 99 Vol.-% und Rest-O2-Gehalten > 0,5 Vol.-% im Trockenen bereitzustellen. Somit kann CO2 unabhängig von CO2-Quellen für die Erzeugung C-basierter P2X-Produkte effizient prozessintegriert erzeugt werden. Durch die direkte Kombination mit einem P2X-Prozess kann der für die Oxyfuel-Verbrennung benötigte O2 direkt aus der Elektrolyse gewonnen werden, was die Effizienz deutlich steigert. Für die Entwicklungsarbeiten stehen dem ZSW eine umfangreiche anwendungsnahe Testumgebung bestehend aus Wirbelschicht- und FLOX®-Reaktor (flammenlose Oxidation, FLOX®) zur Verfügung. Die Wirbelschicht ist für Verbrennungstemperaturen bis 950°C ausgelegt. Im FLOX®-Reaktor sind Temperaturen bis 1100°C möglich. Die Brennstoffwärmeleistung beträgt jeweils maximal 15 kWth.
Ein Bedarf an kohlenstoffbasierten Brenn‐ und Kraftstoffen wird voraussichtlich auch langfristig gegeben sein, insbesondere für den Flug‐ und Schiffsverkehr sowie die nicht elektrifizierbaren Teile des Schwerlastverkehrs, aber gerade auch in der Chemie‐ und Grundstoffindustrie. Für deren Produktion ist die Verfügbarkeit von Kohlenstoff eine zwingende Voraussetzung, denn für die Synthese von eFuels und Basischemikalien werden Wasserstoff (z.B. aus der Wasserelektrolyse) und Kohlenstoff (z.B. aus CO) benötigt.
Wenn die Verfügbarkeit von CO aus konzentrierten Quellen aufgrund der erforderlichen Klimaschutzbemühungen jedoch absehbar deutlich zurückgehen, rückt die Entwicklung technischer Lösungen, um der Atmosphäre aktiv CO zu entziehen, zunehmend in den Fokus. Das betrifft aber auch stromseitig begünstigte P2X‐Regionen mit guten Windverhältnissen bzw. hoher Sonneneinstrahlung, die ggf. nicht über konzentrierte Kohlenstoff‐Ressourcen verfügen, z.B. Nordafrika oder Chile. Das Interesse an diesen Technologien steigt auch deshalb rasant, weil sie die Möglichkeit bieten könnten, trotz eines potenziell bis 2030 steigenden CO‐Ausstoßes, langfristig durch negative CO ‐Emissionen die Erderwärmung doch innerhalb der avisierten Grenzen stabilisieren zu können. Hierfür müsste das CO dann jedoch beispielsweise über Mineralisierung dauerhaft gebunden werden.
Bisher gibt es nur wenige Technologien, die CO mit Hilfe eines Sorbens aus der Luft absorbieren.
Das Fachgebiet Regenerative Energieträger und Verfahren am ZSW verfügt über langjährige Erfahrungen im Bereich der CO‐Bereitstellung aus Luft und hat im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte hierzu eigene Verfahren entwickelt und diese in anwendungsnahe Prototypen umgesetzt. Zuletzt im gerade abgeschlossen BMBF‐geförderten Projekt CORAL (projekt/regenerative‐kraftstoffe/coral‐co2‐rohstoff‐aus‐luft.html) (FKZ 033RC005). Dort erfolgte ein Screening zu Verfahren für die CO‐Bereitstellung aus Luft sowie deren Unterscheidungsmerkmale. In der Regel werden heute feststoffgebundene Amine auf verschiedenen porösen Trägermaterialien, wie z.B. SAB, MOF, Zeolithe, Cellulose eingesetzt. Im Focus von CORAL stand die Entwicklung und Erprobung eines Verfahrens mit minimiertem elektrischem Energieverbrauch. Dies gelingt durch Prozessintegration wobei die Abwärmen aus verbundenen Prozessschritten, wie z.B. Elektrolyse und Synthese, genutzt werden.
Beim Verfahren Power-to-X (P2X) wird überschüssiger Strom aus fluktuierenden Quellen per Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt. Dieser kann direkt genutzt oder in einem weiteren Prozessschritt mit Kohlendioxid zu synthetischen Kraftstoffen wie Methan oder eFuels umgesetzt werden. Das ZSW erforscht und entwickelt hierfür zum einen die Hauptkomponenten Elektrolyseure, Synthesereaktoren und Gasaufbereitungskomponenten. Zum anderen werden daraus an die jeweiligen Anforderungen adaptierte, anwendungsnahe Komplettsysteme konzipiert und aufgebaut.
P2X-Gesamtsysteme bedienen sich der Ressourcen „Wasser“, „erneuerbarer Strom“ und „nachhaltiger Kohlenstoff“, um C-basierte Kraftstoffe und Grundchemikalien (z.B. Kerosin oder Methanol) herzustellen. Wesentliche Anforderungen sind hohe Wirkungsgrade, für den jeweiligen Standort optimal integrierte Massen- und Energiebilanzen sowie die Nutzung einer regenerativen Kohlenstoffquelle. Für die optimierte konzeptionelle Auslegung, das Engineering und auch das technische Monitoring von P2X-Gesamtsystemen werden am ZSW die kommerziell verfügbaren Simulationsprogramme IPSEpro und HSC Chemistry eingesetzt. Unter Berücksichtigung der Massen- und Energieerhaltung werden P2X-Komponenten inkl. chemischer Reaktionen und physikalischer Zusammenhänge modelliert, um die Verschaltung von mehr oder weniger komplexen P2X-Gesamtsystemen darzustellen.
Exemplarisch wird nachfolgend eine IPSEpro-Prozess-Simulationsumgebung der 6MWel-P2G-Anlage der AUDI AG im niedersächsischen Werlte (Deutschland) dargestellt. Die Anlage wird seit 2013 im Regelbetrieb betrieben. Aus regenerativem Strom und CO2 aus einer Biogasanlage wird Erdgassubstitut erzeugt, welches in das Erdgasnetz eingespeist wird, um es als nachhaltigen Kraftstoff für die Mobilität zu verwenden. Die Simulationsumgebung wurde im Rahmen des BMWi-geförderten Projekts WOMBAT (FKZ 0325428D) entwickelt und wird bis heute für das technische Monitoring der Anlage durch das ZSW genutzt.
