Power-to-X-Technologien – Erneuerbaren Wasserstoff mit weniger Strom erzeugen

Power-to-X-Technologien – Erneuerbaren Wasserstoff mit weniger Strom erzeugen

Der Anteil des produzierten Stroms aus erneuerbaren Quellen steigt. Grüner Strom macht auch im Netz neue Speicher erforderlich. Vor allem die Umwandlung des fluktuierenden Ökostroms in chemische Energieträger oder Rohstoffe (Power-to-X-Verfahren)  zeigt sich vielversprechend.

Derzeit wird der Versuchsstand am ZSW aufgebaut.
Derzeit wird der Versuchsstand am ZSW aufgebaut. (Foto: ZSW)

Für die Prozesse wollen Wissenschaftler des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) eine solide Basis schaffen. Dafür soll eine Hochtemperatur-Biomasseverbrennung mit einer Hochtemperatur-Elektrolyse kombiniert werden, um den Strombedarf bei der Herstellung erneuerbaren Wasserstoffs zu reduzieren, der den Ausgangstoff für alle chemischen Power-to-X-Speichermedien bildet. Der Stromeinsatz könnte sogar halbiert werden, so die Wissenschaftler. Die ersten Versuche verliefen erfolgreich.

Was sind Power-to-X-Verfahren?

Durchschnittlich lag der Anteil erneuerbarer Energien im Jahr 2017 bei rund 36 Prozent – kurzzeitige Schwankungen inkludiert. Nach Willen der Bundesregierung sollen im Jahr 2030 rund 65 Prozent Ökostrom durch unsere Netze fließen. Damit steigt auch die Stromnachfrage, um den Strom für das Energienetz nutzbar zu machen. Intelligente Konzepte zur Umwandlung werden benötigt.

Power-to-X kann die Speicheraufgabe langfristig lösen. Unter Power-to-X versteht man alle Verfahren, die Ökostrom in chemische Energieträger für die Stromspeicherung, in strombasierte Kraftstoffe für die Mobilität oder Rohstoffe für die chemische Industrie umwandeln. So kann Wasserstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge, Methan für Erdgasautos, Kerosin für Flugzeuge, verflüssigtes Methan (LNG) für Schiffe oder Basischemikalien für die Chemieindustrie klimafreundlich hergestellt werden.

Wasserstoff aus Ökostrom und Wasser bildet die Basis aller Power-to-X-Verfahren. Die Kombination Hochtemperatur-Elektrolyse und Oxyfuel-Verbrennung soll die Erzeugung von Wasserstoff mit einem geringeren Stromaufwand möglich machen. Im Gegensatz zur alkalischen oder PEM-Elektrolyse kann der Strom bei der Hochtemperatur-Elektrolyse zu einem erheblichen Anteil durch Hochtemperaturwärme ersetzt werden. Mithilfe des Oxyfuel-Verfahrens wird der Elektrolyse durch die Verbrennung mit Sauerstoff die nötige Hochtemperaturwärme geliefert – und das effizienter als bei Verbrennungsverfahren mit Luft. Die Forscher verwenden Holz oder Biomassereststoffe als Brennmasse.

Vielversprechende Foschungsergebnisse

Die Elektrolyse erzeugt den für die Hochtemperaturverbrennung notwendigen Sauerstoff, ohne großen Energieaufwand, der sonst nötig wäre. „Mit dieser Technologie wollen wir einen Kubikmeter Wasserstoff aus 2,5 Kilowattstunden Strom erzeugen “, erklärt Dr. Michael Specht, Leiter des ZSW-Fachgebiets Regenerative Energieträger und Verfahren. Im weiteren Schritt planen die Forscher das grüne Kohlendioxid aus der Oxyfuel-Verbrennung mit  Wasserstoff aus der Elektrolyse in einen kohlenstoffhaltigen Energieträger (z. B. Methan) oder in Basischemikalien (z. B. Methanol) umzuwandeln. Der Kohlenstoff-Nutzungsgrad ist bei diesem Vorgehen hoch, die Technologie zudem kohlendioxidneutral. Es spart außerdem Energie, da man das Kohlendioxid zum Beispiel nicht extra aus einem Rauchgas abtrennen muss.

Das Forscherteam untersucht zwei Reaktor-Konzepte, einen Wirbelschichtreaktor sowie einen FLOX-Brenner (flammenlose Oxidation), und vergleicht sie miteinander. Sauerstoffarmen Abgasstrom erzeugen lautet das Ziel der Reaktor-Forschung, der einerseits Hochtemperaturwärme für die Elektrolyse und andererseits Kohlendioxid für die folgende Synthese bereitstellt. Erste Versuche zur Oxyfuel-Verbrennung von Erdgas im FLOX-Brenner lieferten ein heißes Abgas, das sich für eine anschließende Kraftstoff-Synthese verwenden ließe.

Staatliche Förderung

Gleichzeitig bewerten die Experten den neuen Power-to-X-Pfad mithilfe von Prozess-Simulationen. Das Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) des KIT bestätigte dem ZSW-Konzept in ersten Analysen ein erfolgversprechendes Kohlendioxid-Senkungspotenzial bei relativ geringem Gesamtenergiebedarf. Aufbauend auf die positiven Ergebnisse stellen die ZSW-Wissenschaftler derzeit einen Versuchsstand fertig, um die Kombination der beiden Technologien zu untersuchen. „Für unser Vorhaben wollen wir auch Industriepartner aus der Hochtemperatur-Elektrolyse-Entwicklung gewinnen“, so Specht.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das zunächst auf drei Jahre angelegte Projekt mit etwa 900.000 Euro (Förderkennzeichen 03SFK2C0). Das Vorhaben beruht auf der Arbeit des ZSW im Kopernikus-Projekt Power-to-X des BMBF mit einer geplanten Laufzeit von 10 Jahren. Weitere Infos erhalten Interessierte hier.