Verschillende uitdagingen in verband met de energietransitie kunnen worden beheerd door de sectoren elektriciteit en mobiliteit te koppelen. Groene stroom kan op lange termijn worden opgeslagen, brandstoffen met een hoge energiedichtheid op een CO2-neutrale manier kunnen worden gebruikt. Sectorkoppeling is nu gedemonstreerd door de partners van het P2X Kopernikus-project op het terrein van Karlsruhe Institute of Technology (KIT). De eerste liters brandstof werden geproduceerd uit in de lucht opgevangen koolstofdioxide en groene stroom. Voor de eerste keer, een op containers gebaseerde testfaciliteit waarin alle vier de benodigde chemische processtappen zijn geïntegreerd, werd gebruikt om een ​​continu proces te implementeren met een maximaal gebruik van kooldioxide en een zeer hoge energie-efficiëntie.

"Wereldwijd, wind en zon leveren voldoende energie, maar niet altijd op het juiste moment " zegt professor Roland Dittmeyer, KIT, het dilemma van de energietransitie te beschrijven. Hij coördineert het onderzoekscluster "Hydrocarbons and Long-chain Alcohols" van het Power-to-X (P2X) Kopernikus-project. "Bovendien, enkele belangrijke transportsectoren, zoals luchtverkeer of zwaar verkeer, in de toekomst vloeibare brandstoffen nodig zullen blijven hebben, omdat ze een hoge energiedichtheid hebben." het is niet meer dan redelijk om de tot nu toe ongebruikte groene stroom op te slaan in chemische energiedragers.

De projectpartners Climateworks, Ineratec, Zonnebrand, en KIT hebben onlangs de nodige chemische processtappen gecombineerd in een compacte fabriek, bereikte gekoppelde werking, en demonstreerde het werkingsprincipe. Deze combinatie van technologieën belooft een optimaal gebruik van de kooldioxide en maximale energie-efficiëntie, omdat massa- en energiestromen intern worden gerecycled. De bestaande testfaciliteit kan ongeveer 10 liter brandstof per dag produceren. In de tweede fase van het P2X Kopernikus-project, het is de bedoeling om een ​​fabriek te ontwikkelen met een capaciteit van 200 liter per dag. Daarna, een pre-industriële demonstratie-installatie in het megawatt-bereik, d.w.z. met een productiecapaciteit van 1500 tot 2000 liter per dag, zal worden ontworpen. Die installatie kan theoretisch een efficiëntie van ongeveer 60% bereiken, wat betekent dat 60% van de gebruikte groene stroom als chemische energie in de brandstof kan worden opgeslagen.

Vier stappen om te tanken

In een eerste stap, de plant vangt in een cyclisch proces koolstofdioxide op uit de omgevingslucht. De direct air capture-technologie van Climeworks, een spin-off van ETH Zürich, gebruikt hiervoor een speciaal behandeld filtermateriaal. Terwijl de lucht over hen heen gaat, de filters absorberen de kooldioxidemoleculen als een spons. Onder vacuüm en bij 95°C, het opgevangen kooldioxide komt vrij van het oppervlak en wordt weggepompt.

In de tweede stap, de elektrolytische splitsing van kooldioxide en waterdamp vindt gelijktijdig plaats. Deze zogenaamde co-elektrolysetechnologie, gecommercialiseerd door het technologiebedrijf Sunfire, produceert waterstof en koolmonoxide in één processtap. Het mengsel kan worden toegepast als synthesegas voor een aantal processen in de chemische industrie. Co-elektrolyse heeft een hoog rendement en bindt theoretisch in het synthesegas 80% van de gebruikte groene energie in chemische vorm.

In een derde stap, de Fischer-Tropsch-synthese wordt gebruikt om het synthesegas om te zetten in koolwaterstofmoleculen met een lange keten, de grondstoffen voor de brandstofproductie. Voor deze, Ineratec, een spin-off van KIT, draagt ​​bij aan een microgestructureerde reactor die een groot oppervlak biedt op de kleinste ruimte om de proceswarmte betrouwbaar af te voeren en te gebruiken voor andere processtappen. Het proces kan eenvoudig worden gecontroleerd, goed omgaan met laadcycli, en kan modulair worden opgeschaald.

In de vierde stap, de kwaliteit van de brandstof en het rendement worden geoptimaliseerd. Dit proces, hydrokraken genoemd, werd door het KIT in de procesketen geïntegreerd. Onder een waterstofatmosfeer, de lange koolwaterstofketens worden gedeeltelijk gekraakt in aanwezigheid van een platina-zeolietkatalysator en, dus, het productspectrum verschuiven naar meer direct bruikbare brandstoffen, zoals benzine, kerosine, en diesel.

Door het modulaire karakter het proces heeft een groot potentieel. Als gevolg van het lage schaalrisico, de implementatiedrempel is veel lager dan voor een centrale, grootschalige chemische fabriek. Het proces kan decentraal worden geïnstalleerd op locaties waar zonne-, wind- of waterkracht is aanwezig.

P2X Kopernikus-project:flexibel gebruik van hernieuwbare bronnen

"Power-to-X" verwijst naar technologieën die stroom uit hernieuwbare bronnen omzetten in materialen voor energieopslag, energiedragers, en energie-intensieve chemische producten. Power-to-X-technologieën maken het gebruik van energie uit hernieuwbare bronnen mogelijk in de vorm van aangepaste brandstoffen voor voertuigen of in verbeterde polymeren en chemische producten met een hoge toegevoegde waarde. In het kader van het door de overheid gefinancierde programma Kopernikus, om dit complexe vraagstuk te bestuderen is een landelijk onderzoeksplatform "Power-to-X" (P2X) opgericht. Allemaal samen, 18 onderzoeksinstellingen, 27 industriële bedrijven, en drie maatschappelijke organisaties zijn betrokken bij het P2X-project. Binnen een termijn van tien jaar, nieuwe technologische ontwikkelingen zijn gepland om te worden ontwikkeld tot industriële volwassenheid. De eerste financieringsfase richt zich op onderzoek naar de volledige waardeketen van elektrische energie tot energiedragende materialen en producten.