Autorin: Fanny Pohontsch

PtX-Technologien aus Dresden weltweit im Fokus

07. November 2023

Fraunhofer IKTS transferiert innovative Hochtemperatur-Systeme für den Klimaschutz weltweit in die Wirtschaft

Im Pariser Klimaschutzabkommen hat sich die Weltgemeinschaft zum ersten Mal völkerrechtlich bindend auf ambitionierte Klimaschutzziele verpflichtet. Die beteiligten Staaten wollen gemeinsam die globale Energiewende vorantreiben. Dafür bedarf es Sprungtechnologien, wie sie im Fokus der Entwicklungen am Fraunhofer IKTS stehen – und das seit Gründung des Instituts 1992. Insbesondere für Hochtemperatur-Elektrolyse-basierte Systemketten, die beispielsweise Wasserstoff, synthetische Kraftstoffe und Dünger besonders effizient aus Ökostrom, Luft und Wasser gewinnen, steht jetzt ein Evolutionssprung vom Labor in den internationalen Praxiseinsatz an.

Was bedeutet PtX?

Alle Technologien, die elektrische Energie stofflich speichern, werden im Englischen als Power-to-X bezeichnet und mit PtX abgekürzt. Dabei steht X für die Vielfalt an Produkten.

Im engeren Sinne bezeichnet PtX vor allem jene Technologien, die beispielsweise

Sonnen- oder Windstrom nutzen, um den Energieträger Wasserstoff ohne schädliche Abgase zu erzeugen und zur Synthese weiterer Produkte nutzen. Dieser Wasserstoff lässt sich dann beispielsweise für die Synthese von Kraftstoffen, für die Düngerproduktion einsetzen.

Oder aber für die Rückverstromung, also gewissermaßen als Energiepuffer.

Eine Untervariante von PtX ist Power-to-Liquid (PtL). Dabei wird unter Stromeinsatz beispielsweise synthetischer Diesel oder ein anderer flüssiger Energieträger bzw. Basischemikalien gewonnen.

»Diese Technologien und Systeme sind inzwischen so ausgereift, dass wir mit unseren Industriepartnern den Schritt von Pilotprojekten in Richtung großer Anlagen und zur Großserie gehen können«, sagt Dr. Matthias Jahn, der am Fraunhofer IKTS die Abteilung für Energie- und Verfahrenstechnik leitet. »Wir verknüpfen unsere Hochtemperatur-Elektrolyse mit weiteren Prozessschritten zu komplexen Ketten, die ganz ohne fossile Ausgangsstoffe aus Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid synthetische Flugkraftstoffe und andere dringend benötigte Stoffe bereitstellen können. Unter Einsatz von Wasser und Luftstickstoff kann auch Ammoniak als weiterer Energieträger erzeugt werden«, ergänzt Dr. Mihails Kusnezoff. Leiter der Abteilung Werkstoffe und Komponenten.

Möglich ist dies durch die Kombination effizienter Wasserstoffproduktion mit bewährten Synthese-Methoden wie der Fischer-Tropsch- und der Haber-Bosch-Synthese. Dabei kann das Fraunhofer IKTS langjährige Erfahrungen mit keramischen Hochtemperatur-Elektrolysezellen einbringen, die sich in besonderem Maße für eine effiziente Wasserstoff- und Synthesegasproduktion eignen. Die daraus entstehenden neuen Wertschöpfungsketten haben nicht nur eine ökologische, sondern auch eine ökonomische Dimension: »Wir sehen ganz deutlich, dass jetzt weltweit Märkte für die Hochtemperatur-Elektrolyse und PtX-Anlagen entstehen«, berichten die Abteilungsleiter.

Japan: Öko-Ammoniak für die Schifffahrt – GreatSOC

Ein Beispiel dafür ist das sächsisch-japanische Projekt GreatSOC, das auf die Synthese von »grünem« Ammoniak als Energieträger für Schiffsantriebe und den Seetransport zielt. Das Fraunhofer IKTS hat sich dafür mit dem National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), der Universität Kyoto sowie den Industriepartnern EDL Anlagenbau GmbH aus Leipzig und der japanischen Morimura SOFC Technology zusammengetan. Statt den Wasserstoff für die Ammoniak-Produktion wie in klassischen Verfahren aus Erdgas bereitzustellen, setzt GreatSOC auf Hochtemperatur-Elektrolyseure mit gesteigertem Wirkungsgrad. Dadurch fallen sonst entstehende Kohlenstoffdioxid-Abgase weg. Auch wird in der neuen Prozesskette kein teurer Verflüssiger benötigt, um die zweite Komponente – den Stickstoff – direkt aus der Umgebungsluft zu gewinnen.

Das IKTS steuert in diesem Projekt seine über Jahrzehnte aufgebaute Expertise in der Verkettung hocheffizienter Hochtemperatur-Systeme zu komplexen Verfahren bei. »Wir haben im Labor geeignete Hochtemperatur- Elektrolyseure, welche in einem mehrstufigen Konzept ohne den Einsatz einer Luftzerlegung das für die Ammoniak-Synthese erforderliche Synthesegas (H₂ und N₂) erzeugen«, berichtet Dr. Mihails Kusnezoff. Weitere Verfahrensschritte simulieren die Forscher am Computer. So können die GreatSOC-Partner Stoffströme und verfahrenstechnische Konzepte anpassen, bis ein Optimum zwischen hohen Wirkungsgraden, Kosten und Umweltbilanz gefunden ist. Neben dem Zielprodukt Ammoniak fällt in dieser neuen deutsch-japanischen Anlagenkette nur Wasser als Abprodukt ab. Das lässt sich dann gleich wieder in den Prozess-Kreislauf zurückführen. Der Ammoniak selbst wird in diesem Fall nicht als Ausgangsstoff für Dünger, sondern als Kraftstoff auf hoher See gebraucht.

Auf einen Blick – Ammoniak in der Schifffahrt

Ammoniak hat eine hohe Wasserstoffdichte. Mit ihm kann bezogen auf das Volumen die ca. 1,5-fache Menge Energie im Vergleich zu flüssigem Wasserstoff gespeichert werden. Dies ist wichtig, um genügend Energie an Bord eines Schiffes zu speichern, insbesondere bei Langstrecken.
Verglichen zu reinem Wasserstoff sind bei Ammoniak die erforderlichen Temperaturen und Drücke für die Verflüssigung und damit die Lagerung moderater, so dass die Anforderungen an die Behälter und der Energieaufwand für die Verdichtung geringer sind. Das erleichtert den Umgang mit dem Wasserstoffträger sowohl an Land als auch auf See.

Die Schifffahrtsindustrie verfügt bereits über Erfahrungen im Umgang mit Ammoniak als Ladung und hat bestehende Richtlinien und Verfahren zur Handhabung entwickelt. Dies könnte die Einführung von ammoniakbasierten Antriebssystemen beschleunigen.
Ammoniak kann nicht nur als Brennstoff für Motoren verwendet werden, sondern auch zur emissionsfreien Stromerzeugung in Brennstoffzellen. Dies ermöglicht Flexibilität bei der Integration in verschiedene Schiffstypen und Anwendungen.

Bei der Verbrennung von Ammoniak entstehen im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen keine kohlenstoffbasierten Emissionen wie Kohlendioxid. Die Emissionen beschränken sich auf Stickstoffoxide (NOx) und Wasser, wobei insbesondere die NOx-Emissionen durch Einsatz verfügbarer DENOX-Technologien reduziert werden können. Auch ein möglicher NH₃-Schlupf konnte in anderen Antriebssystemen bereits verhindert werden, so dass diese Herausforderungen als lösbar eingestuft werden.

Brasilien: Nachhaltiger Treibstoff für die Luftfahrt

Ein weiteres Projekt haben die Dresdner Fraunhofer-Experten gemeinsam mit Partnern in Südamerika gestartet: Die Brasilianer suchen nach Wegen, um sich von fossilen Abhängigkeiten zu lösen und Flugzeug-Kraftstoffe umweltfreundlich zu synthetisieren. Bei einem Workshop in Dresden stießen sie auf das IKTS und baten um eine praktikable Lösung. Auch hier bauen die Fraunhofer-Forscher zunächst eine Co-Elektrolyse-Kette im Labormaßstab, die für Experimente vor Ort in Brasilien konzipiert ist. Ziel ist es, in der Region eine ganze Kette aufzubauen, die aus Ökostrom, Wasser und CO₂ zunächst Synthesegas erzeugt und daraus letztlich E-Kerosin für den südamerikanischen Flugverkehr raffiniert. »Insofern tragen wir mit unserem gemeinsamen Projekt dazu bei, nachhaltiges Know-how in Brasilien aufzubauen«, betont Matthias Jahn.

EU, Südafrika und Australien

Und weitere Projekte sind bereits angelaufen. Dazu gehört das EU-Verbundvorhaben Advanced Materials and Reactors for ENergy storage tHrough Ammonia (ARENHA), das den Einsatz von Synthese-Ammoniak als Energieträger vorantreibt. Im Industriekonsortium Catalyst Research for Sustainable Kerosene (Care-o-Sene) unterstützt das IKTS derweil gemeinsam mit Partnern aus Deutschland und Südafrika die Entwicklung von Fischer-Tropsch-Katalysatoren der nächsten Generation. Sie sollen künftig massenhaft die Ausgangsstoffe für nachhaltige Flug-Kraftstoffe synthetisieren, um fossiles Kerosin nach und nach abzulösen. Ähnliche Vorhaben sind außerdem mit Partnern aus Australien im Gange.

Aus dem Labor in den industriellen Maßstab

»Neben Forschungsinstituten arbeiten an solchen Verbundprojekten mehr und mehr internationale Industrieunternehmen für Hochtemperatur-Elektrolyseure, die sich für deren Kopplung mit modernen Synthese-Reaktoren interessieren«, betonen Jahn und Kusnezoff. Beide Wissenschaftler werten das als klares Indiz dafür, dass sich auf diesem Gebiet weltweit Massenmärkte entwickeln. Dies eröffne nicht zuletzt für den deutschen Mittelstand mit seinen Anlagenbau-Kompetenzen ganz neue Geschäftsfelder und Marktchancen.

Zwar sind größere Elektrolyseure, die auf den älteren Funktionsprinzipien der alkalischen und PEM-Elektrolyse basieren, bereits auf den Weltmärkten verfügbar. Doch die weit effizienteren Hochtemperatur-Elektrolyseure sind bisher nur für niedrige Leistungsklassen und in kleinen Stückzahlen erhältlich. Gebraucht werden in den nächsten Jahren aber Hochtemperatur-Elektrolyseure der Megawatt-Klasse, wenn Deutschland, die EU und andere Länder und Staatenverbünde ihre ambitionierten Ziele für den Umweltschutz und den Aufbau einer potenten Wasserstoffwirtschaft erreichen wollen.

Werkzeugkasten anstelle von »Black Box«

Es ist alles andere als trivial, die neuen Systeme zu komplexen Synthese-Ketten zu verknüpfen. Eine Herausforderung liegt darin, für solche Ketten schon im Entwicklungsstadium deren Funktionsfähigkeit und Parameter zu prognostizieren, um teure Fehlinvestitionen zu vermeiden. Dafür hat das Fraunhofer IKTS eben besondere Kompetenzen akkumuliert. Das geht bis hin zur Automatisierung des Gesamtprozesses wie auch der Elektrolyseur-Produktion. Der entscheidende Punkt ist: Die Dresdner beherrschen technologisch die gesamte Wertschöpfungskette vom Material bis zum hochautomatisierten Prozess. Von daher können sie hocheffiziente Lösungen wie kaum ein anderer Akteur für und mit der Industrie entwickeln. Deshalb ist das Fraunhofer IKTS auch immer wieder als Partner bei der Entwicklung moderner und nachhaltiger Hochtemperatur-Prozesse gefragt.

Milliardenmarkt erwartet

Dass Hochtemperatur-Wasserstofftechnik und daran gekoppelte Syntheseketten in den kommenden Dekaden eine wachsende Rolle spielen werden, davon sind nicht nur die Fraunhofer-Experten überzeugt. So geht beispielsweise das britische Marktforschungs-Unternehmen IDTechEx davon aus, dass der Markt für Hochtemperatur-Brennstoffzellen in den nächsten zehn Jahren auf ein Volumen von 6,8 Milliarden Dollar steigen wird. Hohe Wachstumsraten prognostizieren sie ebenfalls für keramische Elektrolyseure

Vorteile der Hochtemperatur-Technik*

Höhere Effizienz: Synthese-Ketten auf der Basis von PEM-Elektrolyseuren brauchen etwa 9,5 Kilowattstunden (kWh), um ein Kilogramm Ammoniak zu synthetisieren. Hochtemperatur-Ketten benötigen nur 8 kWh pro Kilogramm Ammoniak– also rund 15 Prozent weniger Energieeinsatz..
Kein Kohlenstoffdioxid-Ausstoß
Restprodukte Wasser und Abwärme lassen sich in den Prozesskreislauf wieder einspeisen.
Keine Edelmetalle notwendig

Nachteile der Hochtemperatur-Technik*

Verfahrenstechnisch höhere Komplexität aufgrund der hohen Betriebstemperaturen im Bereich von 800 °C
Die Hochtemperatur-Systeme kosten derzeit in der Fertigung mehr als PEM- und AEM-Lösungen. Allerdings werden sich diese Mehrkosten in den nächsten Jahren deutlich verringern, wenn eine hochautomatisierte Massenproduktion angelaufen ist.

(* im Vergleich zu Niedertemperatur-Anlagen oder Erdgas-basierten Lösungen)

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