Vier
Technologien,
ein Ziel
text Kristina Simons

Klimafreundliche Kraftstoffe herstellen und überschüssigen Ökostrom speichern – genau das schafft eine Versuchsanlage am Karlsruher Institut für Technologie. Sie wurde in Teamarbeit von vier Projektpartnern entwickelt.
„PtL-Anlagen sind aus drei Gründen eine wichtige Komponente in einem überwiegend oder sogar zu 100 Prozent auf Erneuerbaren beruhenden Energiesystem“, sagt Roland Dittmeyer, Leiter des Instituts für Mikroverfahrenstechnik am KIT und Koordinator eines Forschungsclusters im P2X-Projekt. Erstens seien bestimmte Anwendungen im Transportsektor auf Kraft- und Brennstoffe mit hoher Energiedichte angewiesen. „Kerosin für Langstreckenflüge ist das prominenteste Beispiel. Der Schwerlastverkehr auf der Langstrecke und Schiffe sind weitere Beispiele, die mit Batteriespeicher und elektrischem Antrieb alleine nach heutiger Einschätzung nicht auskommen werden.“ Zweitens benötige die chemische Industrie nicht-fossile kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterialien, um ihre Produktpalette CO2-frei herstellen zu können. „Hier steht unter anderem Methanol über die PtL-Route zur Diskussion“, sagt Dittmeyer. „Drittens lassen sich PtL-Kraftstoffe in bereits vorhandenen Fahrzeugen direkt nutzen.“ Auch die Infrastruktur für Lagerung und Verteilung ist schon etabliert. „Sie könnten also schnell eingeführt werden und so einen wichtigen Beitrag zur notwendigen raschen Reduktion der CO2-Emissionen im Transportsektor leisten.“
Voraussetzung dafür sei allerdings kostengünstiger CO2-freier erneuerbarer Strom in großen Mengen. Dass es diesen aktuell nicht in genügendem Maße gibt, stellt die größte Hürde für die breite Umsetzung von PtL-Technologien dar. „Hier muss mehr investiert werden“, fordert Dittmeyer. Grundsätzlich können synthetische Kraft- und Brennstoffe zwar auch aus Biomasse oder Abfallstoffen hergestellt werden. „Das ist auch sinnvoll, wird aber nicht ausreichen, um die insgesamt benötigten Mengen bereitstellen zu können.“
Und so funktioniert die PtL-Anlage: Im ersten Schritt wird klimaschädliches CO2 direkt aus der Umgebungsluft gefiltert. Das läuft über eine Technologie namens Direct Air Capture (DAC): Ein spezielles Filtermaterial nimmt die CO2-Moleküle wie ein Schwamm auf. Ist der Filter voll, wird er auf 95 Grad erhitzt und die CO2-Moleküle lösen sich wieder. Sie werden dann für die Herstellung von Kraftstoff zwischengespeichert. Das DAC-Verfahren wurde vom Schweizer Start-up Climeworks entwickelt, einem Spin-off der ETH Zürich.
Anschließend werden CO2 und Wasserdampf mithilfe der sogenannten Co-Elektrolyse des Dresdner Technologieunternehmens Sunfire in Wasserstoff und Kohlenmonoxid gespalten. Die Co-Elektrolyse ist ein sehr effizientes Power-to-X-Verfahren, bei dem aus CO2, Wasser und erneuerbarem Strom in einem einzigen Schritt Synthesegas hergestellt wird. Das Verfahren kombiniert zwei Prozesse, die bei bisherigen PtL-Verfahren getrennt abliefen: die Elektrolyse, bei der Wasserstoff entsteht, und seine Reaktion mit Kohlendioxid, bei der Kohlenmonoxid entsteht.
In der dritten Phase werden aus dem hierbei entstandenen synthetischen Gasgemisch lange Kohlenwasserstoff­ketten gebildet, die Rohprodukte für Kraftstoffe. Diese Synthese erfolgt in der Fischer-Tropsch-Anlage von Ineratec, einer Ausgründung des KIT. Die Fischer-Tropsch-Synthese ist ein Verfahren zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen oder hochwertigen chemischen Produkten aus Synthesegas. Ineratec hat dafür besonders kompakte Reaktoren entwickelt.
Im vierten und letzten Schritt optimiert schließlich das KIT die Qualität des Kraftstoffs und die Ausbeute. Das funktioniert in einem Prozess namens Hydrocracken: Dabei werden die festen, langkettigen Kohlenwasserstoffe unter einer Wasserstoffatmosphäre so aufgespalten, dass sie je nach Prozessführung für die Herstellung von Benzin-, Kerosin- und Dieselkraftstoffen genutzt werden können.
Durch die Kombination der vier Prozessschritte wird das eingesetzte Kohlendioxid optimal ausgenutzt. Zugleich arbeitet die Anlage bei der für kommerzielle Anwendungen angestrebten Kapazität von mindestens einigen Hundert Kilowatt Elektrolyseleistung besonders energieeffizient, da Wärme und Abgase, die während des Prozesses entstehen, sofort intern weiterverwertet werden. Durch den modularen Aufbau lässt sich das Verfahren zudem deutlich einfacher in der Praxis umsetzen als in einer zentralen chemischen Großanlage. Alles, was die kompakte PtL-Anlage zur Kraftstoffproduktion braucht, zieht sie aus der Luft. Sie kann dadurch genau dort installiert werden, wo genügend Solar-, Wind- oder Wasserkraft zur Verfügung stehen. Der erneuerbare Strom wird dann dezentral direkt vor Ort in Kraftstoff umgewandelt. „Für den Einstieg in die PtL-Technologie bergen kleinere Produktionsanlagen zudem ein geringeres Investitionsrisiko“, sagt Dittmeyer. Mithilfe weiterer Module könne die Kapazität relativ einfach erweitert werden. „Auch Lastschwankungen im Betrieb lassen sich mit modularen Anlagen besser beherrschen als mit Einstrang-Großanlagen, da einzelne Module in den Stand-by-Betrieb versetzt werden können.“    
Derzeit produziert die Versuchsanlage rund zehn Liter Kraftstoff pro Tag. In der bereits angelaufenen zweiten Phase des Kopernikus-Projekts P2X wird eine Anlage für 200 Liter pro Tag entwickelt. Im Anschluss daran ist eine vorindustrielle Demonstrationsanlage im Megawattbereich geplant, die 1.500 bis 2.000 Liter Kraftstoff am Tag herstellen kann.
Der nächste logische Schritt: Anlagen in Industriemaßstab. 

er Verkehrssektor ist mit einem Anteil von 19 Prozent der drittgrößte Verursacher von Treibhausgasemissionen in Deutschland. Klimafreundliche Kraftstoffe sind deshalb ein wichtiger Faktor für die Energiewende. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat nun mit den drei Partnern Climeworks, Sunfire und Ineratec im Rahmen des Kopernikus-Projekts P2X eine Power-to-Liquid (PtL)-Versuchsanlage entwickelt, die aus Luft und Ökostrom in vier chemischen Prozessschritten CO2-neutralen Kraftstoff erzeugt. Die kompakte Anlage passt in einen Schiffs­container auf dem Gelände des KIT. Im November 2019 konnten die Forscher hier das erste 200-Liter-Fass abfüllen. Die Technologie hat zudem das Potenzial, ungenutzten Ökostrom in chemischen Energieträgern zu speichern und so als eine Art flüssige Batterie zu fungieren.

Drei Gründe für PtL
Vier Schritte zum Kraftstoff
Umwandlung am Ort der Erzeugung
„PtL-Kraftstoffe könnten schnell eingeführt werden und so einen wichtigen Beitrag zur notwendigen raschen Reduktion der CO2-
Emissionen im Transportsektor leisten.“

Roland Dittmeyer,
Leiter des Instituts für Mikroverfahrenstechnik am KIT und Koordinator
eines Forschungsclusters im P2X-Projekt