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.

Unser Angebot: Power-to-X-Verfahren für ein chemisches CO2-Recycling

Durch die Verfügbarkeit regenerativer Elektroenergie verschmelzen die Sektoren Chemie und Energie zukünftig immer stärker: Denn die für Syntheseprozesse zur Nutzbarmachung von CO2 benötigten Redoxäquivalente können aus regenerativ erzeugtem Strom in Power-to-X-Verfahren genutzt werden.

Von Katalysatoren und Elektrodenmaterialien bis zu nachgeschalteten Syntheseprozessen

Entwicklungen zu elektrochemischen Katalysatoren, Elektrodenmaterialien und letztendlich ganzen Systemen finden am Institut ebenso statt wie die Kopplung dieser Technologien mit nachgeschalteten Syntheseverfahren.

Power-to-X-to-Y: Von CO2 über C1-Intermediate zu komplexen C-Verbindungen

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.

Skalierung im Hydrogen Lab Leuna

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.

 

Elektrochemische Umwandlung: Power-to-Chemicals

© Fraunhofer IGB
Elektrochemische Zelle zur CO2-Reduktion.

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.

Unser Ansatz zur Synthese komplexerer Chemikalien: Power-to-X-to-Y

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.

Fraunhofer Hydrogen Lab Leuna mit Skalierungsplattform Hy2Chem

Mit einer einzigartigen Forschungseinheit, dem Hydrogen Lab am Chemiestandort Leuna, sollen zukünftig innovative Technologien zur Erzeugung von »grünem« Wasserstoff und dessen Nutzung in nachhaltigen Syntheseprozessen (z. B. zur Konversion von Kohlenstoffdioxid in Plattformchemikalien und Brenn- und Kraftstoffen) mit einer exzellenten Infrastruktur an Gaspipelines und Gasspeichern verknüpft werden.

Mit der Skalierungsplattform Hy2Chem soll der im Großmaßstab erzeugte Wasserstoff zur nachhaltigen Herstellung von Grundchemikalien und Kraftstoffen genutzt werden.

Das Fraunhofer CBP bringt in die Partnerschaft mit dem Fraunhofer IWES seine langjährige Expertise beim Betrieb von Pilot- und Demonstrationsanlagen ein und erweitert seine Infrastruktur und Expertise im Bereich chemische Verfahrenstechnik zur Erzeugung von Chemikalien aus regenerativen Rohstoffen. Als Institutsteil des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik besteht mit der Hydrogen Lab Leuna nun auch die Möglichkeit, Entwicklungen des Fraunhofer IGB an den Standorten Stuttgart und dem Institutsteil BioCat in Straubing zu neuen elektrochemischen Prozessen zu skalieren und die industrielle Umsetzung vorzubereiten.