Leitprojekt »Strom als Rohstoff«

Elektrochemische Verfahren für fluktuierende Energie- und Rohstoffsysteme

Die Energiewende in Deutschland ist in vollem Gange. Im Jahr 2013 machten erneuerbare Energien 24 Prozent der Stromerzeugung von 630 TWh aus. Bis 2050 soll ihr Anteil auf 80 Prozent steigen, gleichzeitig sollen die Treibhausgasemissionen um 80 Prozent gegenüber 1990 sinken. Der damit verbundene Ausbau von Windkraft und Fotovoltaik lässt das Stromangebot aus fluktuierenden Energiequellen deutlich weiter ansteigen. Für den Industriestandort Deutschland stellt sich daher die drängende Frage, ob und wie sich das zu erwartende Überangebot im Energiesystem effizient mit energieintensiven Produktionssystemen koppeln lässt.

Ziel: Power-to-Chemicals

Die Fraunhofer-Gesellschaft sieht die Energiewende und den mit ihr anfallenden günstigen Überschussstrom als Chance für eine stromgekoppelte Produktion. Ziel des von Fraunhofer UMSICHT koordinierten Leitprojekts »Strom als Rohstoff« ist es, neue elektrochemische Verfahren zu entwickeln, um Überschussstrom zur Produktion von Chemikalien zu nutzen. Für die anschließende technische Demonstration und Systemkopplung bedeutet dies, die Verfahren zu modularisieren und zu dezentralisieren oder elektrochemische Produktionen an bestehenden Verbundstandorten zu flexibilisieren. Für den Zukunftsmarkt »Power-to-Chemicals« werden neue Technologien und wissenschaftliche Kompetenzen entwickelt, die anschließend in dauerhaft etablierten Verwertungsketten vermarktet werden. Es soll die wissenschaftlich-technische Basis gelegt werden, Produkte aus einem zunehmend CO2-freien Strommix herzustellen.

 

Syntheserouten über CO2-Konversion oder Wasserstoffperoxid

Technologisch steht die Neuentwicklung elektrochemischer Verfahren im Vordergrund, wobei sich das Leitprojekt auf zwei Syntheserouten konzentriert.

  • Die eine zielt auf die elektrochemische Herstellung von Wasserstoffperoxid (H2O2) aus Sauerstoff und Wasserstoff und die technische Demonstration des Prozesses in einer dezentralen Anlage. H2O2 wird als umweltfreundliches Oxidationsmittel für vielfältige Anwendungen in der Chemie-, Papier- und Textilindustrie eingesetzt. Die Leitung dieses Teilprojekts liegt beim Fraunhofer ICT.
  • Die zweite Route hat die elektrochemische bzw. elektrokatalytische Konversion von CO2 zur Herstellung kohlenstoffbasierter Basischemikalien wie Alkenen und Alkoholen und die Demonstration im Technikumsmaßstab zum Ziel. Ein Demonstrator zur einstufigen Elektrosynthese von Ethen aus CO2 mittels Gasdiffusionselektroden wird unter Leitung des Fraunhofer IGB, ein weiterer zur einstufigen Elektrosynthese von C1-C4-Alkoholen aus CO2 mittels Hochdrucktechnologie unter Leitung von Fraunhofer UMSICHT, ein dritter zur zweistufigen CO2-Aktivierung mit H2 zur Synthese von C4-C20-Alkoholen unter Leitung des Fraunhofer IKTS entwickelt.

Alle Entwicklungen werden durch Prozesssimulationen (Fraunhofer ITWM) sowie die Entwicklung elektrochemischer Komponenten und prozessanalytischer Systeme (Fraunhofer ISC, IST, IAP) begleitet. Ein Arbeitspaket zur Systemanalyse und Nachhaltigkeitsbetrachtung (Fraunhofer UMSICHT, IGB) rundet das Projekt ab.

Teilprojekt Elektrochemische Erzeugung von Ethen

Prinzip der elektrochemischen Herstellung von Ethen aus Kohlenstoffdioxid.

Das Fraunhofer IGB koordiniert das Teilprojekt »Entwicklung eines neuen einstufigen elektrochemischen Verfahrens, mit dem Alkene, vorzugsweise Ethen, elektrochemisch aus CO2 und Wasser hergestellt werden«. Die wesentliche Innovation dieses Teilprojekts besteht darin, dass Ethen oder andere Alkene in nur einem Verfahrensschritt durch direkte Reduktion von CO2 hergestellt werden. Das Verfahren soll in einem Maßstab von 1 Kilogramm Ethen pro Tag demonstriert werden.

Am Fraunhofer IGB arbeiten insgesamt vier Abteilungen in diesem Projekt zusammen. Der Institutsteil BioCat in Straubing kümmert sich um die Entwicklung der Katalysatoren, die Optimierung der Elektrodenreaktion und die Materialcharakterisierung. Die Abteilung Grenzflächentechnologie und Materialwissenschaft hat die Elektrodenmaterialentwicklung und -charakterisierung (Membran und Gasdiffusionselektrode) sowie die Charakterisierung und Optimierung der Grenzflächenphänomene an der Dreiphasengrenzfläche zum Schwerpunkt. Die Abteilung Physikalische Prozesstechnik kümmert sich um die Elektrodenkonfiguration, das Gesamtsystem und den Aufbau, die Testung und Optimierung des Demonstrators. Die für den Demonstrator notwendige Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik wird durch die Abteilung Umweltbiotechnologie und Bioverfahrenstechnik beigesteuert.

Die Entwicklung wird in enger Zusammenarbeit mit den begleitenden Arbeitspaketen zur Prozesssimulation (Fraunhofer ITWM) und zur Komponentenentwicklung bzw. Prozessanalytik (ISC, IST, IAP) durchgeführt.

Förderung und Projektpartner

Das Projekt wird über die Leitprojekt-Initiative der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert. Hiermit will die Fraunhofer-Gesellschaft den Wirtschaftsstandort Deutschland stärken, indem wissenschaftlich originäre Ideen schnell in marktfähige Produkte umgesetzt werden.

Beteiligte Partner sind die Fraunhofer-Institute IAP, ICT, IGB, IKTS, ISC, IST, ITWM, IVV (beratend), UMSICHT (Koordination) und WKI.

Laufzeit: August 2015 – September 2018