Power-to-X

 Power-to-X (PtX) ist ein wesentliches Instrument der Industriezukunft im Rahmen der Energiewende. Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten haben das langfristige Potenzial, die industrielle Kohlenstoffchemie auf klimaneutrale Verfahren umzustellen.

Erneuerbaren Strom direkt im Anschluss an seine Erzeugung zu nutzen ist besonders effizient, da kein Verlust an Energie für die Umwandlung in andere Energieformen oder die Speicherung entsteht. Wenn die Sonne jedoch viel scheint und der Wind häufig weht, führen diese regenerativen Energiequellen häufig zu einem Überschuss an Strom. Dank Power-to-X-Verfahren (P2X) wie Power-to-Gas (P2G), Power-to-Liquids (P2L) und Power-to-Chemicals (P2C) kann der überschüssige Strom gespeichert, in andere Stoffe umgewandelt und so zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden. Damit sind sie ein wichtiger Bestandteil der Energiewende. Zusätzlich zur Speicherung von Strom bieten sie die Möglichkeit, der Industrie grüne Rohstoffe bereitzustellen, um so alltägliche Produkte nachhaltig herzustellen und damit einen bedeutsamen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. Manche Technologien im Bereich Power-to-X vereinfachen zudem den Übergang von fossilen auf erneuerbare Ressourcen, da sie in bestehende Wertschöpfungsketten und Infrastrukturen integriert werden können. Außerdem spielen sie für die Sektorenkopplung eine wichtige Rolle. Sie sorgen dafür, dass erneuerbar erzeugter Strom flexibel und effizient in der Wärmeversorgung, im Verkehr und der Industrie eingesetzt wird. So lässt sich eine sichere, bezahlbare und umweltverträgliche Versorgung mit Energie auch in Zukunft erreichen. Besonders für die Chemieindustrie ist Power-to-X interessant – vor allem die industrielle Kohlenstoff- und Stickstoffindustrie betreffend. Denn aus Wasserstoff, CO2 und dem Stickstoff der Luft lässt sich mit erneuerbar erzeugtem Strom ein Großteil aller chemischen Grundstoffe synthetisieren. Das Verfahren kann demnach in Zukunft den Einsatz von fossilen Rohstoffen ersetzen und so einen wichtigen Beitrag auf dem Weg in eine klimaneutrale Industrie leisten. Power-to-X-Technologien sind wissenschaftlich erprobt und verfügbar. Zum jetzigen Zeitpunkt ist ihr Einsatz jedoch noch mit höheren Kosten verbunden als die klimaschädliche Nutzung fossiler Rohstoffe.

Für einige Power-to-X-Verfahren sind neben Strom auch CO2 oder Stickstoff nötig. Für die Gewinnung des benötigten CO2 gibt es mehrere Möglichkeiten: Zum einen kann dieses aus konzentrierten Quellen wie der Aufbereitung von Biogas oder aus Industrieprozessen abgeschieden werden. Möglich ist auch, das CO2 direkt aus der Atmosphäre zu gewinnen, so dass ein CO2-Kreislauf entsteht. Stickstoff, als einer der Hauptbestandteile der Atmosphäre, kann durch eine Luftzerlegungsanlage gewonnen werden.

Übersicht eines zukünftigen klimaneutralen Industrienetzwerks, in dem Power-to-X-Technologien eine wesentliche Rolle spielen

Power-to-Gas-Technologien wandeln Strom in die Gase Wasserstoff oder Methan um. In der Elektrolyse, der Basis jeder Power-to-Gas-Technologie, spaltet Strom Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff. Der entstandene Wasserstoff kann genutzt werden, um CO2 in Methan umzuwandeln. Die so hergestellten Gase können nun unabhängig vom Stromnetz transportiert werden. Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, lässt sich ohne technische Anpassungen durch die bestehenden Erdgasleitungen transportieren. Auch Wasserstoff kann zu einem geringen Anteil dem Erdgasnetz beigemischt werden. Da für viele neue Technologien jedoch reiner Wasserstoff benötigt wird, ist ein Gemisch mit Erdgas unzureichend. Um die steigende Nachfrage nach dem reinen Erzeugnis zu decken, muss in Zukunft die Kapazität der Leitungen erhöht werden.

Einmal in Wasserstoff oder Methan umgewandelt, lässt sich der Strom aus Erneuerbarer Energie auf diese Weise auch für Dunkelflauten speichern. Zwar können Kurzfristspeicher die Fluktuation von Sonne und Wind über einen begrenzten Zeitraum ausgleichen, jedoch kommt dieses System bei langen wetterbedingten Ausfällen an seine Grenzen. Die 450.000 Kilometer langen Gasleitungen und 47 Erdgasspeicher in Deutschland speichern bis zu 200.000 Gigawattstunden Erdgas. Im Vergleich dazu verfügen sämtliche Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland über eine Energiespeicherkapazität von 40 Gigawattstunden.

Zusätzlich zur energetischen Verwertung von Wasserstoff und Methan in Verbrennungsmotoren sowie der Erzeugung von Wärme oder der Rückgewinnung von Strom in Brennstoffzellen, lässt sich insbesondere Wasserstoff auch stofflich nutzen.

Im Verbundprojekt REFHYNE installieren, erproben und betreiben Shell und mehrere Partner einen 10 Megawatt PEM-Elektrolyseur, um so grünen Wasserstoff für den Raffineriebetrieb herzustellen.

Power-to-Liquids-Technologien haben zum Ziel, flüssige Produkte für die Verwendung als Kraftstoff herzustellen Genau wie bei Power-to-Gas gilt es zunächst, erneuerbar erzeugten Strom per Elektrolyse in Wasserstoff umzuwandeln. Es gibt anschließend mehrere Möglichkeiten Kraftstoffe herzustellen: Die am stärksten erforschten und bereits etablierten Verfahren sind die Methanol- und Fischer-Tropsch-Synthese. Über die Methanolsynthese wird aus dem erzeugten Wasserstoff zusammen mit CO2 Methanol, das dann zu Dieselkraftstoffen oder als Basischemikalie weiterverarbeitet wird. Über die Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) lassen sich verschiedene Kohlenwasserstoffe herstellen, die als regenerativer Diesel, Kerosin und Ottokraftstoff in Verbrennungsmotoren oder als Basischemikalie, wie Ethylen oder Propylen in der industriellen Produktion zum Einsatz kommen. Power-to-Liquid-Verfahren eignen sich dazu, nachhaltige synthetische Kraftstoffe für die Mobilitätssparten bereitzustellen, in denen die Elektromobilität bis dato an ihre Grenzen kommt. Beispielsweise sind Batterien aktuell noch weit davon entfernt die für Langstreckenflüge benötigte Energiedichte zu liefern. Dadurch besteht auch zukünftig Bedarf an regenerativen Kraftstoffen für Verbrennungsmotoren.

Auch Power-to-Chemicals-Technologien basieren auf der elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff. Sie zielen aber, anders als Power-to-Gas (P2G) und Power-to-Liquids (P2L), nicht auf die energetische Verwertung der Produkte ab, sondern auf eine stoffliche Nutzung, um der Chemieindustrie regenerative Grundstoffe zur Verfügung zu stellen. Denn aktuell basieren alle chemischen Erzeugnisse auf fossilen Ressourcen. Mit der zunehmenden Verknappung dieser Rohstoffe sowie zum Schutz des Klimas sind jedoch nachhaltige Alternativen notwendig, um in Zukunft nicht auf Medikamente, Kunststoffe und Düngemittel verzichten zu müssen. Durch die Kombination verschiedener Verfahren kann ein Großteil der chemischen Wertschöpfungskette auch ausgehend von Wasserstoff, CO2 und Stickstoff umgesetzt und auf diese Weise ressourcenschonend gestaltet werden. Mithilfe der Power-to-Chemicals-Technologien können schließlich Synthesegas, Methanol und Ammoniak als Grundbausteine für die chemische Industrie hergestellt werden.

Die Herstellung von Synthesegas kann entweder aus Wasserstoff und CO2 bei hohen Temperaturen oder direkt aus Wasser und CO2 mittels Co-Elektrolyse erfolgen. Wählt man andere Reaktionsbedingungen, lässt sich aus Wasserstoff und CO2 außerdem Methanol herstellen (Methanolsynthese). In vielen Produkten, wie z. B. Medikamenten und Düngemitteln, ist neben den Elementen Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O) auch Stickstoff (N) ein wichtiger Baustein. Als Hauptbestandteil der Luft ist Stickstoff zwar überall verfügbar, aber in dieser Form nur unter sehr hohem Einsatz von Energie nutzbar. Um die weitere Verwendung des Elements zu ermöglichen, wird es im Haber-Bosch-Prozess unter Einbindung von Wasserstoff zur Herstellung von Ammoniak (NH3) eingesetzt. Die chemische Verbindung lässt sich leichter in weitere Produktionsprozesse einbinden und ist daher für die Industrie von großer Bedeutung. Durch die Umstellung von fossil erzeugtem auf regenerativen Wasserstoff, lässt sich auch dieser Prozess nachhaltig gestalten.

Newsletter

Mit unserem Newsletter halten wir Sie über Aktuelles, Projekte und Veranstaltungen auf dem Laufenden.

Zur Newsletteranmeldung