Power-to-X Konzepte zur Herstellung von grünen Kraftstoffen

Um die Klimaziele der Politik zu erreichen, muss der Beitrag des Verkehrssektors an den CO₂-Emissionen in den nächsten vier Jahrzehnten weltweit um 50 Prozent (%), in den Industriestaaten um mindestens 85 %, im Vergleich zu heute gesenkt werden [1][2].

Der Gesetzgeber hat stufenweise Abgasvorschriften für neu zugelassene Fahrzeuge verschärft, woraufhin Autohersteller Motoren und Abgastechnik technisch verbessert haben. Des Weiteren verpflichtete der Gesetzgeber dazu, die Qualität des in den Verkehr gebrachten Kraftstoffes zu verbessern. Dadurch verringerten sich u.a. die spezifischen Schwefeldioxidemissionen bis zum Jahr 2017 gegenüber dem Ausgangsniveau im Jahr 1995 um rund 98%. Die spezifischen CO₂-Emissionen des Pkw-Verkehrs nahmen allerdings nur um 15% ab (siehe Abbildung 1), mit der Konsequenz, dass die gesamten CO₂-Emissionen im Verkehrssektor zwischen 1990 (163 Mio. Tonnen CO₂-Äq.) und 2017 (161 Mio. Tonnen CO₂-Äq.) nahezu konstant geblieben sind [1][3][4].

Ein vielversprechender Ansatz zur Reduktion der CO₂-Emissionen im Verkehr ist die intelligente Kopplung der verschiedenen Sektoren. Unter dem Begriff Power-to-X (P2X) werden Technologien zusammen-gefasst, die auf eine Umwandlung von elektrischer Energie in stoffliche Energiespeicher, Energieträger und energieintensive Chemieprodukte zielen [4]. Diese Konzepte beinhalten eine direkte Verknüpfung zwischen energetischer und stofflicher Wertschöpfungskette und haben damit gleichzeitig ein besonderes Potenzial für die Verringerung des Einsatzes von fossilen Rohstoffen in den für den Wirtschaftsstandort Deutschland essentiellen Sektoren Energiewirtschaft, Chemie und Verkehr.

Durch die Nutzung (Carbon Capture and Utilisation, CCU)) erhält Kohlenstoffdioxid eine Wertsteigerung. Obwohl CO₂ als Verbrennungsprodukt mit einer Standardbildungsenthalpie von -393,51 kJ/mol unreaktiv ist, kann es mit hochreaktiven Reaktionspartnern wie z.B. Wasserstoff zu nützlichen Produkten umgesetzt werden [5][6]

Eine beispielhafte Kopplung zwischen den Sektoren Strom und Industrie bzw. Mobilität ist die Integration einer Power-to-Methanol-Anlage an einem Kraftwerksstandort (siehe Abbildung 3). Fossil befeuerte Kraftwerke sind besonders hinsichtlich der Netzstabilität als Brückentechnologie für die Energiewende von Bedeutung. Beim Betrieb von Kraftwerken wird CO₂ emittiert, welches in einer chemischen Wäsche vom Rauchgas abgetrennt und zur Verwertung in einem Syntheseschritt genutzt werden kann. Durch die Aufnahme von (überschüssigem) Strom kann die Methanolsynthese mit elektrolytisch hergestelltem Wasserstoff gespeist werden.

Aufgrund der bestehenden Infrastruktur rund um ein Kraftwerk ist die Bereitstellung von Betriebsmitteln wie Strom, Dampf und Kühlwasser ebenfalls gegeben.

Neben Strom und Wärme besteht die Möglichkeit ein weiteres Produkt herzustellen. Bei der Produktion von Methanol aus CO₂ kann der ansonsten beim konventionellen Methanolprozess benötigte Primärenergieträger Erdgas substituiert werden.