Power-to-X und Technologien zur stofflichen Nutzung von CO₂

Mit dem Ausbau der regenerativen Energieerzeugung im Zuge der Energiewende steht witterungsabhängig vermehrt Überschussstrom zur Verfügung, für den verschiedene Speicher- und Nutzungsmodelle entwickelt werden. Ein Ansatz ist es, den Überschussstrom direkt zur Herstellung von Chemikalien zu nutzen. Die Synthese von Chemikalien mit regenerativer Energie wird hiermit nicht nur wirtschaftlich, sondern stellt – neben der Stromspeicherung – auch einen sinnvollen Verwertungspfad zum Ausgleich eines Stromüberangebots dar.

Durch die Verfügbarkeit regenerativer Elektroenergie verschmelzen zukünftig die Sektoren Chemie und Energie immer stärker, da die für Syntheseprozesse auf Basis von CO₂ benötigten Redoxäquivalente in Power-to-X-Verfahren genutzt werden können.

Entwicklungen zu elektrochemischen Katalysatoren, Elektrodenmaterialien und letztendlich ganzen Systemen finden am Institut ebenso statt wie die Kopplung dieser Technologien mit nachgeschalteten Syntheseverfahren. So lassen sich elegant komplexe Molekülstrukturen über biotechnologische Verfahren aus den elektrochemisch erzeugten C1-Derivaten Methanol, Ameisensäure oder Formaldehyd erzeugen. Im erfolgreich durchgeführten EU-Projekt Celbicon und dem laufenden Fraunhofer-Leitprojekt ShapID konnten diese Ansätze zu dem am Institut definierten Power-to-X-to-Y-Konzept bereits erfolgreich demonstriert werden.

Die laufende Erweiterung des Hydrogen Lab Leuna um die Hy2Chem-Skalierungsplattform für Synthesen mit regenerativem Wasserstoff und deren Einbindung in das Fraunhofer CBP ermöglichen zukünftig auch in diesem Bereich Technologieentwicklungen bis in den Demonstrationsmaßstab.

Für die nachhaltige Elektrosynthese von Basischemikalien mit Strom aus erneuerbaren Energien entwickeln wir Katalysatoren und geeignete Elektroden, Elektrolyse-Verfahren und Apparate. 

Im Fraunhofer-Leitprojekt »Strom als Rohstoff« hat das Fraunhofer IGB beispielsweise ein einstufiges Verfahren entwickelt, mit dem Ethen elektrochemisch in nur einem Verfahrensschritt hergestellt werden kann.

Eine Elektrolysezelle, in der sich mit elektrischer Energie nur aus Wasser und Luft Wasserstoffperoxid herstellen lässt, ist bereits als Prototyp am IGB verfügbar.

Einen neuen elektrobiokatalytischen Ansatz verfolgen wir im Projekt eBioCO₂n. Hier erfolgt die Reduktion von CO₂ direkt mit NADPH-abhängigen Enzymen. Die Regeneration des Kofaktors erfolgt über regenerative Energie.

Das Fraunhofer IGB erweitert den Power-to-X-Ansatz zum Power-to-X-to-Y-Konzept, in dem die aus CO₂ synthetisierten Zwischenprodukte in angekoppelten chemischen und biotechnologischen Prozessen zu komplexeren und höherwertigen Produkten weiterverarbeitet werden. Mit diesen Verfahren lassen sich Syntheserouten für einen weiten Bereich chemischer Produkte mit hoher Wertschöpfung entwickeln, basierend auf der Nutzung von CO₂ als primärem Rohstoff. Auf diese Weise wird der dringend gesuchte Weg in ein Zeitalter der Unabhängigkeit von fossilen Ressourcen geebnet.

Im EU-Projekt Celbicon beispielsweise haben wir aus CO₂ durch Elektrokatalyse Methanol hergestellt, das als Substrat für eine Fermentation Verwendung findet.