SynLink – Synthetische strombasierte Kraftstoffe als wichtiges Instrument zur Sektorkopplung

Power‑to‑X‑Vorhaben rücken im Zuge der Energiewende immer mehr in den Fokus der Forschung, da Überschussstrom aus der regenerativen Energieerzeugung auch für die elektrochemische Herstellung von Grundchemikalien eingesetzt werden kann. Die Nutzung erneuerbarer Energien ist damit nicht mehr nur auf den Stromsektor beschränkt, sondern weitet sich zunehmend auch auf den Chemiesektor aus. Grundgedanke ist die Substitution von bisher aus Erdöl und Erdgas gewonnenen Molekülen in der Chemie‑ und Raffinerieindustrie durch chemisch gleiche Moleküle, die aus CO₂, Wasser und erneuerbarer Energie gewonnen werden.

Methanol: regenerativ statt fossilbasiert  

Ein solches Molekül ist Methanol, welches derzeit in Europa hauptsächlich mittels Dampfreformierung aus Erdgas gewonnen wird (Produktionsvolumen von 3000 t/d) und in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern Einsatz findet, z. B. als Kraftstoffadditiv, als Ausgangsstoff in Brennstoffzellen oder als Ausgangsstoff in der chemischen Industrie. Eine Umstellung der Upstream‑Feedströme in der Methanolsynthese auf erneuerbar gewonnene Moleküle würde pro produzierter Tonne Methanol 1,53 Tonnen CO₂‑Emission vermeiden.

Für eine wirtschaftliche Umsetzung nachhaltiger Prozesse zur Methanolsynthese sind jedoch signifikante Kostenreduktionen für die Prozessführung notwendig, welche mit entsprechender Optimierung und Skalierung der Einzelprozesse und deren Kopplung einhergehen. Forschungsbedarf besteht ebenso bei der Weiterentwicklung des Technologiereifegrades bereits entwickelter Technologien für die spezifische Anwendung bis zur industrietauglichen Größe.

Gesamtprozess zur Herstellung von e-Fuels aus regenerativem Strom, CO₂ und Wasser

Im Projektvorhaben »SynLink« wird erstmals technisch sowie ökonomisch die gesamte Wertschöpfungskette von der Synthesegasherstellung aus H₂O, erneuerbarer Elektroenergie und CO₂ (mittels Adsorption aus der Luft) über die chemokatalytische Herstellung von Kraftstoffen bis zu Anwendungstests dieser Kraftstoffe in PKWs und LKWs untersucht und im Hydrogen Lab Leuna demonstriert.

Das Kernelement dieses Projektes bildet die Synthesegasherstellung mittels Co‑SOEC (co‑solid oxide electrolyser cell mit 150 KW), um erneuerbare Elektroenergien in die chemische Wertschöpfungskette einzukoppeln. Das Synthesegas wird anschließend über die Methanolsynthese mit erhöhten CO₂‑Anteilen oder die Fischer‑Tropsch‑Synthese umgesetzt. Das erzeugte Rohprodukt wird weiter über verschiedene Raffinierungspfade zu strombasierten Kraftstoffen (e‑Fuels) raffiniert.

Innerhalb dieses Vorhabens beschäftigt sich das Fraunhofer CBP mit der Weiterentwicklung der Methanolsynthese aus CO₂‑reichem Synthesegas zunächst im Labormaßstab (TRL 3) und anschließend mit der Abbildung des gesamten Syntheseprozesses in einer Pilotanlage (TRL 6). Hierzu wird die technologische Umsetzbarkeit der Integration der Prozess‑Co‑SOEC mit der Methanolpilotanlage geprüft, durchgeführt und die zentralen Kennwerte für eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung verglichen. Für Anwendungstest sollen Mustermengen bis zu 500 Liter zur Verfügung gestellt werden.

Methanolherstellung aus Synthesegas

Nach dem Engineering und Aufbau einer Methanolanlage im Labormaßstab am CBP wurde unter Verwendung eines industriellen Katalysators die Temperatur (250–270 °C), der Druck (50–90 barü) und die Raumgeschwindigkeit (gas hourly space velocity, GHSV; 8000–30 000 h-1) variiert, um die optimalen Prozessparameter zu ermitteln.

Hierbei wurde das Synthesegas über einen Strömungsrohrreaktor mit einem industriellen Katalysator zu einem Methanol-Wasser-Gemisch umgesetzt. Nicht umgesetztes Synthesegas wurde in einem Abscheider separiert und dem Eduktstrom wieder zugeführt. Unter Variation der Prozessparameter wurden deren Einfluss auf den Umsatz betrachtet, Langzeittests hinsichtlich der Katalysatorstabilität durchgeführt sowie die experimentellen Ergebnisse mit den prozessbegleitenden Simulationen verglichen.

Die Versuchsergebnisse zeigen, dass durch eine Erhöhung des Drucks der Umsatz um bis zu 44 Prozent gesteigert werden konnte. Ein Anstieg der GHSV dagegen führte zu einer Verringerung des Umsatzes. Dies lässt sich mit einer kürzeren Kontaktzeit am Katalysator begründen. Ein Einfluss der Temperatur auf den Umsatz konnte im untersuchten Temperaturbereich nicht festgestellt werden. Die Ergebnisse aus den Simulationen waren mit denen der Experimente im Labormaßstab vergleichbar.

Pilotierung des Methanolprozesses

Nach der Etablierung der Methanolsynthese im Labormaßstab wurde eine Pilotanlage im Technikumsmaßstab auf den Methanolprozess umgerüstet und in Betrieb genommen. Es erfolgte die Skalierung des Betriebspunkts mit dem höchsten Umsatz und ein Langzeitbetrieb mit anschließender Rektifikation des Methanol-Wasser-Gemisches. Umsatz und Reinheit des in der Pilotanlage hergestellten Methanols entsprachen denen im Laborversuch.

Applikationstests

Für die anschließenden Pkw- und Lkw-Applikationstests kam das aus Synthesegas hergestellte Methanol sowohl als Blend als auch in Reinform als Kraftstoff zum Einsatz. Da bislang keine Norm für die Verwendung von Methanol als Kraftstoff vorliegt, wurden mögliche Anforderungen an das Produkt in Anlehnung an die DIN 51625 »Kraftstoffe für Kraftfahrzeuge – Ethanolkraftstoff – Anforderungen und Prüfverfahren« definiert.

Methanolsynthese im Kundenauftrag    

Mit dem erfolgreichen Abschluss des Projekts hat das Fraunhofer CBP die Kompetenzen, Methanolsynthesen für interessierte Unternehmen und Organisationen im Labor- als auch im Pilotmaßstab durchzuführen.