Fraunhofer-Leitprojekt »Strom als Rohstoff«

Elektrochemische Verfahren für fluktuierende Energie- und Rohstoffsysteme

Die Energiewende in Deutschland ist in vollem Gange. Im Jahr 2013 machten erneuerbare Energien 24 Prozent der Stromerzeugung von 630 TWh aus. Bis 2050 soll ihr Anteil auf 80 Prozent steigen, gleichzeitig sollen die Treibhausgasemissionen um 80 Prozent gegenüber 1990 sinken. Der damit verbundene Ausbau von Windkraft und Fotovoltaik lässt das Stromangebot aus fluktuierenden Energiequellen deutlich weiter ansteigen. Für den Industriestandort Deutschland stellt sich daher die drängende Frage, ob und wie sich das zu erwartende Überangebot im Energiesystem effizient mit energieintensiven Produktionssystemen koppeln lässt.

Ziel: Power-to-Chemicals

Die Fraunhofer-Gesellschaft sieht die Energiewende und den mit ihr anfallenden günstigen Überschussstrom als Chance für eine stromgekoppelte Produktion. Ziel des von Fraunhofer UMSICHT koordinierten Leitprojekts »Strom als Rohstoff« ist es, neue elektrochemische Verfahren zu entwickeln, um Überschussstrom zur Produktion von Chemikalien zu nutzen. Für die anschließende technische Demonstration und Systemkopplung bedeutet dies, die Verfahren zu modularisieren und zu dezentralisieren oder elektrochemische Produktionen an bestehenden Verbundstandorten zu flexibilisieren. Für den Zukunftsmarkt »Power-to-Chemicals« werden neue Technologien und wissenschaftliche Kompetenzen entwickelt, die anschließend in dauerhaft etablierten Verwertungsketten vermarktet werden. Es soll die wissenschaftlich-technische Basis gelegt werden, Produkte aus einem zunehmend CO₂-freien Strommix herzustellen.

Syntheserouten über CO₂-Konversion oder Wasserstoffperoxid

Technologisch steht die Neuentwicklung elektrochemischer Verfahren im Vordergrund, wobei sich das Leitprojekt auf zwei Syntheserouten konzentriert.

• Die eine zielt auf die elektrochemische Herstellung von Wasserstoffperoxid (H₂O₂) aus Sauerstoff und Wasserstoff und die technische Demonstration des Prozesses in einer dezentralen Anlage. H₂O₂ wird als umweltfreundliches Oxidationsmittel für vielfältige Anwendungen in der Chemie-, Papier- und Textilindustrie eingesetzt. Die Leitung dieses Teilprojekts liegt beim Fraunhofer ICT.
• Die zweite Route hat die elektrochemische bzw. elektrokatalytische Konversion von CO₂ zur Herstellung kohlenstoffbasierter Basischemikalien wie Alkenen und Alkoholen und die Demonstration im Technikumsmaßstab zum Ziel. Ein Demonstrator zur einstufigen Elektrosynthese von Ethen aus CO₂ mittels Gasdiffusionselektroden wird unter Leitung des Fraunhofer IGB, ein weiterer zur einstufigen Elektrosynthese von C₁-C₄-Alkoholen aus CO₂ mittels Hochdrucktechnologie unter Leitung von Fraunhofer UMSICHT, ein dritter zur zweistufigen CO₂-Aktivierung mit H₂ zur Synthese von C₄-C₂₀-Alkoholen unter Leitung des Fraunhofer IKTS entwickelt.

Alle Entwicklungen werden durch Prozesssimulationen (Fraunhofer ITWM) sowie die Entwicklung elektrochemischer Komponenten und prozessanalytischer Systeme (Fraunhofer ISC, IST, IAP) begleitet. Ein Arbeitspaket zur Systemanalyse und Nachhaltigkeitsbetrachtung (Fraunhofer UMSICHT, IGB) rundet das Projekt ab.