Um die Klimaziele zu erreichen, braucht Europa grüne Alternativen für Anwendungen, die sich nur schwer elektrifizieren lassen. „Vor allem der Flugverkehr wird bis auf Weiteres auf nachhaltig erzeugtes Kerosin angewiesen sein“, sagt Professor Roland Dittmeyer vom Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT. „Besonders geeignet sind synthetische Kraftstoffe, die mit Power-to-Liquid-Verfahren mit CO2 aus der Atmosphäre oder biogenen Quellen, Wasser und grünem Strom hergestellt werden.“ Dittmeyer ist Sprecher des Kopernikus-Projekts P2X und leitet entsprechende Forschungsarbeiten am KIT. Nun wurde im Projekt ein wichtiger technologischer Meilenstein auf dem Weg zu nachhaltigem Flugkraftstoff erreicht: Die weltweit einmalige Kopplung der hocheffizienten Wasserdampf/CO2-„Co“-Elektrolysetechnologie des Industriepartners Sunfire im industrierelevanten Maßstab (220 kW Elektrolyseleistung) direkt mit der Synthese.
Co-Elektrolyse macht Power-to-Liquid effizienter
Synthetisches Kerosin entsteht am Energy Lab des KIT in einem mehrstufigen Verfahren in modular aufgebauten Anlagen. Zunächst wird aus CO2 und Wasser Synthesegas hergestellt – eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid. Das Synthesegas lässt sich prinzipiell auf verschiedenen Wegen erzeugen. In der neuen Konfiguration wird ein Co-Elektrolysemodul mit einer Leistung von 220 kW des Industriepartners Sunfire eingesetzt, das diesen Verfahrensschritt vereinfacht und vor allem effizienter macht.
„Das Besondere an der Co-Elektrolyse ist, dass sie Wasserdampf und CO2 in einem einzigen Schritt elektrochemisch und hocheffizient direkt in Synthesegas umwandelt. Bis zu 85 Prozent der dafür aufgewendeten elektrischen Energie findet sich als chemische Energie im Synthesegas wieder. Zudem konnte bei der Kopplung nachgewiesen werden, dass unsere Co-Elektrolyse eine sehr hohe Anlagenverfügbarkeit sowie Zuverlässigkeit aufweist und so jederzeit Synthesegas in der gewünschten Qualität liefern konnte“, sagt Hubertus Richter, Senior Engineer R&D Project Management & Process Engineering bei Sunfire. „Dadurch entfällt die sonst übliche separate Wasserstofferzeugung mit nachgelagerter Synthesegaserzeugung, was die Effizienz des Gesamtverfahrens hin zu den synthetischen Kraftstoffen deutlich erhöht.“
Für den gekoppelten Betrieb von Co-Elektrolyse und Kraftstoffsynthese integrierten die Forschenden zusätzlich ein Kompressor mit Sicherheitsvorrichtungen in die Prozesskette, mit dem das Synthesegas auf Reaktionsdruck gebracht wird. Anschließend wird das Synthesegas in einem mikrostrukturierten Reaktor mittels Fischer-Tropsch-Synthese in langkettige Kohlenwasserstoffe umgewandelt – das sogenannte Syncrude –, die direkt zur Herstellung von Kraftstoffen wie Kerosin oder anderen chemischen Produkten verwendet werden können. Diese Reaktortechnologie entwickelten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am KIT und wird bereits von Ineratec, einer Ausgründung aus dem KIT, kommerzialisiert.
Zukünftig soll zusätzlich die bei der Synthese entstehende Wärme in Form von Dampf für die Co-Elektrolyse genutzt werden. Das würde den Energiebedarf des gesamten Prozesses weiter senken und die Produktaufbereitung zum Zielprodukt Kerosin in dieser Skalierung zeigen. Die Kombination dieser Prozessschritte erlaubt eine optimale Ausnutzung des eingesetzten Kohlendioxids und den größtmöglichen energetischen Wirkungsgrad, da neben den Energieströmen auch die Stoffströme innerhalb der Prozesskette effizient rezykliert werden können.
Im nächsten Schritt eine Tonne Kerosin pro Tag
Die Integration der Co-Elektrolyse testeten Forschende am KIT im Kampagnenbetrieb unter Realbedingungen erfolgreich und produzierten dabei bis zu 100 l Syncrude pro Tag. Der gekoppelte Betrieb markiert einen wichtigen Meilenstein in der zweiten Förderphase des Kopernikus-Projekts P2X. Die Anlage wird jetzt für eine Kapazität von bis zu 300 l Syncrude am Tag erweitert. In der dritten und letzten Förderphase errichtet das Forschungsteam parallel eine größere Fischer-Tropsch-Produktionsanlage durch Ineratec im Industriepark Höchst bei Frankfurt. „Dort wird erstmals eine Produktion im Tonnenmaßstab realisiert werden“, sagt Dittmeyer. Das zu synthetischem Kerosin weiter aufgearbeitete Produkt soll dann in Triebwerkstests bei Turbinenherstellern und Forschungspartnern eingesetzt werden. Begleitende Analysen stellen sicher, dass der Kraftstoff den strengen Normen der Luftfahrt entspricht.
Zum Kopernikus-Projekt P2X
Im Kopernikus-Projekt P2X bauen die Partner Climeworks, Sunfire, Ineratec und das Institut für Mikroverfahrenstechnik am Energy Lab des KIT eine integrierte Prozesskette auf und betreiben diese. Dem „Power-to-Fuel“-Konzept folgend, können so CO2-neutrale Kraftstoffe, auch E-Fuels genannt, hergestellt werden. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt. An dem Vorhaben sind 18 Partner aus Industrie, Wissenschaft und zivilgesellschaftlichen Organisationen beteiligt.
