Power-to-Liquid

Strombasierte flüssige Synthesestoffe werden aus grünem Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) erzeugt. Dabei stehen zwei Syntheseverfahren zur Verfügung. Mit dem Fischer-Tropsch-Verfahren und den nachgelagerten Aufbereitungsverfahren werden Kraftstoffe (z. B. Diesel oder Kerosin) produziert; mit dem Methanol-Syntheseverfahren wird Methanol hergestellt. [Heinemann, C. et al. (2019), S. 21] Der vielseitige Grundstoff Methanol kann in nachfolgenden Prozessen zu weiteren Grundstoffen – wie Ethylen oder Propylen für die chemische Industrie – umgesetzt und auf diese Weise einer stofflichen Nutzung zugeführt werden. Alternativ wird es ebenfalls in der Kraftstoffproduktion eingesetzt. [Bünger, U. et al. (2017), S. 329]

Das Fischer-Tropsch-Verfahren ebenso wie die Methanolsynthese sind seit Jahren in der chemischen Industrie etabliert. Für eine ressourceneffiziente Optimierung dieser beiden Prozesse sind derweil eine stabile Prozessführung und eine kontinuierliche Verfahrensweise entscheidend. [Heinemann, C. et al. (2019), S. 22]

Das für die Power-to-Liquid-Verfahren benötigte CO2 kann aus verschiedensten Quellen genutzt werden: Abgas (z. B. aus Holzheizkraftwerken oder aus Industrieprozessen), Biogasaufbereitung oder Umgebungsluft. Die Verfahren zur CO2-Abscheidung sind aktuell noch in der Technologieentwicklungsphase und weisen daher Verbesserungspotenziale auf.  So gestaltet sich die Abscheidung von CO2 aus der Umgebungsluft aufgrund der geringen CO2-Konzentration momentan als am energieintensivsten. Der Energieaufwand ist hier – verglichen mit CO2-Abscheideverfahren aus Abgasen von Verbrennungsprozessen – um ein Vielfaches höher. [Purr, K. et al. (2016), S. 15]

Bei der Erzeugung von strombasierten Flüssigkeiten aus erneuerbarem Strom, Wasser und Kohlenstoffdioxid treten im Zuge des Umwandlungsprozesses, Transports und der Speicherung nach heutigem Stand Energieverluste von bis zu 55 % auf. Zukünftig sollen diese Verluste jedoch aufgrund optimierter Verfahren auf unter 50 % reduziert werden. [Heinemann, C. et al. (2019), S. 16] Daher ist je nach Anwendungsfall zu bewerten, ob klimafreundliche Alternativen wie biobasierte Kraftstoffe oder eine direkte Verwendung von grünem Wasserstoff als Kraftstoff energieeffizienter sind – stets unter der Voraussetzung, eine wasserstoffbetriebene Antriebstechnologie steht zur Verfügung.


Literatur: 

Bünger, U.; Michalski, J.; Schmidt, P. und Weindorf, W. (2017): Wasserstoff – Schlüsselelement von Power-to-X. In: Töpler, J. und Lehmann, J., Hg. Wasserstoff und Brennstoffzelle. 2. Auflage, Springer, Berlin, Heidelberg.

Purr, K.; Osiek, D.; Lange, M.; Adlunger, K.; Burger, A.; Hain, B.; Kuhnhenn, K.; Lehmann, H.; Mönch, L.; Müschen, K.; Proske, C.; Schmied, M. und Vollmer, C. (2016): Integration von Power to Gas/Power to Liquid in den laufenden Transformationsprozess. Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau [abgerufen am: 22.12.2021].

Heinemann, C.; Kasten, P.; Bauknecht, D.; Bracker, F. J.; Bürger, V.; Emele, L.; Hesse, T.; Kühnle, S.; Seebach, D. und Timpe, C. (2019): Die Bedeutung strombasierter Stoffe für den Klimaschutz in Deutschland. Öko-Institut e.V., Freiburg i. Br. [abgerufen am: 22.12.2021].

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Einschätzung für die Anwendenden

  • Materialeinsparung
    sehr hoch
  • Energieeinsparung
    mittel
  • THG-Einsparung
    mittel
  • Investitionskosten
    sehr hoch
  • Umsetzungsaufwand
    sehr hoch

Die Angaben zu Material-, Energie- und THG-Einsparungen, Investitionskosten sowie Umsetzungsaufwände sind qualitative Abschätzungen auf vergleichender Basis.

Entwicklungsstadium

  • Labor
  • Technikum / Demonstrator
  • Industrielle Praxis

Labor: Die betrachtete Technologie oder Methodik wird im Labormaßstab entwickelt.
Technikum / Demonstrator: Die betrachtete Technologie oder Methodik wird in einer Technikums- oder Demonstrator-Anlage umgesetzt.
Industrielle Praxis: Die betrachtete Technologie oder Methodik wird in der Produktion oder anderen Anwendungsbereichen eines Industrieunternehmen eingesetzt.

Beispiele aus der Forschung und Entwicklung

Metha-Cycle – Methanol-Kreislauf zur Speicherung erneuerbarer Energien

  • Entwicklung einer Technologie zur Energiespeicherung
  • Umwandlung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methanol
  • Einsatz neuer Katalysatoren zur Steuerung des Umwandlungsprozesses im Methanol-Kreislauf
  • Vorhaben dient der räumlichen und zeitlichen Loslösung von Energieerzeugung/-verbrauch
  • Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff unter Verwendung von Strom aus erneuerbaren Energien
  • Nutzung eines bi-katalytischen Systems aus Ruthenium-Katalysator und einem weiteren Katalysator zur Gewinnung des Wasserstoffs bei Temperaturen von < 100 °C

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SynLink - Synthetische strombasierte Kraftstoffe als wichtiges Instrument zur Sektorkopplung

  • Untersuchung der chemokatalytischen Herstellung von synthetischen Kraftstoffen
  • Untersuchung zur Gewinnung von Synthesegas unter Nutzung von Abgasen, Wasser und erneuerbarer elektrischer Energie durch Co‑SOEC (co‑solid oxide electrolyser cell mit 150 KW)
  • Gewinnung von CO2 aus Abgasen mittels Adsorption
  • Gewonnenes Methanol wird in Raffinerien zu e‑Fuels umgesetzt
  • Umsetzung des Gesamtprozesses in einer Pilotanlage

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Carbon2Chem – Dynamische Methanolproduktion aus Hüttengasen

  • Langzeittest einer Methanolanlage, welche Methanol aus Hüttengasen herstellt, mit Hilfe von variierenden Gaszusammensetzungen in Bezug auf Selektivität, Produktivität und Stabilität der Katalyse sowie Ausarbeitung
  • Dauerbetrieb von drei Testanlagen unterschiedlichen Maßstabs
  • Bestimmung der Einflüsse unterschiedlicher Parameter (z. B. Temperatur oder Druck) auf den Katalysator durch eine Online-Analytik
  • Gewinnung von Prozessdaten während der Laufzeit
  • Optimierung der Prozesse mit Hilfe von Prozesssimulationen und Regelkonzepten mit KI-Methoden
  • Scale-up der Laboranlage

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ProMet – CO2 zu Propen via eMethanol. Grüne Grundchemikalien in der Industrie

  • Entwicklung eines wettbewerbsfähigen Verfahrens zur nachhaltigen Herstellung von Propen mithilfe von eMethanol, hergestellt aus CO2
  • Steigerung der Stromausbeute der CO2-zu-Methanol-Umwandlung von 46 Prozent auf 70 durch den Einsatz innovativer Gasdiffusionselektroden
  • Finden eines geeigneten Elektrokatalysators
  • Verarbeitung der vielversprechendsten Materialien zu Gasdiffusionselektroden
  • Test der besten GDEs in einer vollständigen Elektrolysezelle

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From industrial CO2 to added value Fischer-Tropsch chemicals

  • Nutzung von CO2-Abgasen als Rohstoff als Projektziel des Projektes ICO2CHEM
  • Kohlenstoffdioxidabgase sollen entweder in elektrische Energie oder in Industrieprodukte umgewandelt werden
  • Entwicklung eines Demonstrators zur Umwandlung von CO2 aus Biogasanlagen in Kombination mit industriellem H2 zu Weißölen und Wachsen
  • Verwendung der Weißöle und Wachsemulsionen als Rohstoff für z. B. Beschichtungen und Dichtungsmaterialien
  • Nutzung von RWGS- und FT-Reaktoren für den Umwandlungsprozess

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Kopernikus-Projekt P2X

  • Umwandlung von CO2 und Wasser mittels erneuerbarer Energien zu stofflichen Energiespeichern, Energieträgern und chemischen Produkten
  • Phase 1 des Projektes: Erforschung der Möglichkeiten zur Umwandlung der Stoffe ist abgeschlossen
  • Phase 2 umfasst die Überprüfung der Forschungsergebnisse
  • Umwandlung von Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff, Bindung des Wasserstoffs durch liquid organic hydrogen carriers, LOHCs, um Wasserstoff als Kraftstoff nutzbar zu machen
  • Aufspaltung des CO2 mittels katalytischer Hydrierung in Polymerbausteine für Polyurethananwendungen
  • Durch das Projekt wurde der Iridiumanteil in Wasser-Elektrolysen gesenkt, effiziente Dehydrierkatalysatoren wurden entwickelt sowie eine Oxymethylenether-Herstellung ohne Edelmetalle realisiert

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