Innovative Technologie als Herzstück von Power-to-X-Systemen

In relativ naher Zukunft wird die Energieversorgung der Schweiz hauptsächlich aus erneuerbaren Energien bestehen [1]. Da das Land beschlossen hat, keine neuen Kernkraftwerke zu bauen und die bestehenden am Ende ihrer Laufzeit abzuschalten [2], die individuelle Mobilität weitgehend elektrifiziert sein wird und Wärmepumpen zunehmend für Heizzwecke eingesetzt werden, muss die Produktion von erneuerbarem Strom stark und schnell gesteigert werden. Dies geschieht teilweise durch zusätzliche Wasserkraft und vor allem durch eine Kombination aus Photovoltaik und Windenergie. Da der Einsatz von Windkraft jedoch stark von der Akzeptanz in der Bevölkerung abhängt, ist es schwierig, kurzfristig eine signifikante Kapazität zu erwarten. Daher gehen verschiedene Szenarien davon aus, dass im Sommer ein Überschuss an erneuerbarem Strom durch Photovoltaik entsteht, während im Winter ein Defizit zu verzeichnen ist (z. B. die vier Szenarien der Energieperspektiven 2050+ der Schweizerischen Eidgenossenschaft [3]).

Powert-To-X-Verfahren

Es gibt Lösungen, um diese Produktionslücken zu bewältigen [4], eine der vielversprechendsten ist die Power-to-X-Technologie. Power-to-X-Systeme nutzen erneuerbare Elektrizität (power), um Energieträger in chemischer Form (X) zu erzeugen, also in Form von Molekülen, die ebenfalls als Rohstoff verwendet werden können.¹ Der erste Schritt des Verfahrens umfasst einen Elektrolyseur, der die Wassermoleküle H₂O in Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ aufspaltet. Eine Anlage, die sich auf diesen Schritt beschränkt, wird als Power-to-Hydrogen bezeichnet und liefert nur Wasserstoff als Energieträger. Werden weitere Umwandlungsschritte und eine Quelle für Kohlendioxid CO2 oder Stickstoff N₂ hinzugefügt, kann der Wasserstoff H₂ dann auch in verschiedene Energieträger wie Methan CH₄ umgewandelt werden, Methanol CH₃OH, Kohlenwasserstoffketten CnHm (z. B. Flugbenzin) oder Ammoniak NH₃ (siehe tab. 1). Die so hergestellten Energieträger werden als "synthetische Kraftstoffe" oder "E-Fuels" bezeichnet.

¹ Manchmal kann "X" auch Wärme bezeichnen, sodass Wärmepumpen auch als Power-to-X-Anlagen gelten können. In diesem Artikel wird jedoch die gängigste Definition von Power-to-X verwendet, bei der das X für einen chemischen Energieträger oder einen Rohstoff steht.

Tab. 1 Überblick über die wichtigsten Verfahren zur Herstellung anderer chemischer Energieträger aus Wasserstoff. Effizienz: oberer Heizwert der Produkte dividiert durch den oberen Heizwert der Edukte unter der Annahme einer vollständigen Umwandlung (Edukte und Produkte bei 25 °C, kondensiertes Wasser H₂O).

Synthetische Kraftstoffe

Im Vergleich zu Wasserstoff haben synthetische Kraftstoffe den Vorteil, dass sie leichter gelagert und transportiert werden können, wodurch sie in schwer elektrifizierbaren Bereichen wie z. B. der Luftfahrt eingesetzt werden können, in denen Wasserstoff keine ausreichende Energiedichte bietet. Der zusätzliche Schritt, der zur Herstellung dieser synthetischen Kraftstoffe erforderlich ist, hat hingegen den Nachteil, dass zusätzliche Geräte benötigt werden und das Verfahren komplizierter wird. Dies führt zu zusätzlichen Energieverlusten, die letztlich die Effizienz des Prozesses verringern. In der Schweiz könnten beispielsweise die Reservekraftwerke, die für die Stromerzeugung im Notfall vorgesehen sind (siehe erster Aufruf des Bundes: [5]), mit synthetischen Kraftstoffen betrieben werden. Methan, dank des bestehenden Gasnetzes, sowie Methanol, komplexere Kohlenwasserstoffe und Ammoniak sind relativ leicht handhabbar und transportierbar. Somit wird es interessant, diese Energieträger dort zu produzieren, wo erneuerbarer Strom in großen Mengen und zu niedrigen Kosten verfügbar ist, wobei diese Kosten bei den Gesamtproduktionskosten fast immer dominieren. Der Bericht "Energieperspektiven 2050+" [3] des Bundes sagt im Übrigen voraus, dass nur ein Teil des Wasserstoffs im Land hergestellt wird, während der Rest aus dem Ausland importiert wird. Synthetische Kraftstoffe, die in den untersuchten Szenarien einen mehr oder weniger großen Raum einnehmen, können ebenfalls lokal hergestellt oder importiert werden. Die Power-to-X-Technologie ist also nicht nur aus Sicht der Energieversorgung für die Schweiz wichtig, sondern stellt auch eine Technologie und Know-how dar, die exportiert werden kann.

Elektrolyse

Wie bereits erwähnt, wird der erste Schritt eines jeden Power-to-X-Prozesses von einem Elektrolyseur durchgeführt. Es gibt verschiedene Arten (siehe Tab. 2), die bekanntesten sind alkalische Elektrolyseure, solche mit Polymermembran (proton exchange membrane, PEM) und solche mit Anionenaustauschmembran (anion exchange membrane, AEM), die alle bei niedrigen Temperaturen arbeiten und mithilfe von elektrischer Energie entmineralisiertes flüssiges Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten können. Es gibt eine weitere Klasse von Elektrolyseuren, die bei hohen Temperaturen arbeiten und direkt H₂O-Dampf in Wasserstoff H₂ und Sauerstoff O₂ spalten

Tab. 2 Überblick über die verschiedenen Elektrolyseurs-Technologien.

Niedertemperatur-Elektrolyseure

Alkalische Elektrolyseure

Die alkalische Technologie hat bereits eine lange industrielle Geschichte, insbesondere in der Schweiz mit dem in Monthey ansässigen Unternehmen IHT, das kürzlich von der deutschen Sunfire übernommen wurde. Diese Technologie besticht heute durch ihre Robustheit und Verfügbarkeit, ist jedoch in Bezug auf Wirkungsgrad, Dynamik und Leistungsdichte stärker eingeschränkt, was ihre Anwendung auf Orte beschränkt, an denen erneuerbarer Strom billig und möglichst relativ konstant ist. Bei den derzeitigen sehr großen Elektrolyseprojekten, insbesondere im Nahen Osten, in den USA und in Südamerika, scheint diese Technologie am meisten gefragt zu sein.

Polymermembran-Elektrolyseure

Die Proton Exchange Membrane (PEM)-Technologie ist ebenfalls sehr erfolgreich, insbesondere in ihrer Anwendung als Brennstoffzelle (mit Wasserstoff H₂ betriebener Stromgenerator) für die Automobilindustrie. An ihrem Pendant in der Elektrolyse sind andere Akteure beteiligt, die eher auf industrielle Lösungen ausgerichtet sind, was größtenteils darauf zurückzuführen ist, dass die Technologie, die Größe und die Materialien für die Anwendung im Batteriemodus und im Elektrolysemodus nicht die gleichen sind. In beiden Fällen sind es Edelmetalle, die als Katalysatoren eingesetzt werden (Platin im Batteriebetrieb und Iridium im Elektrolysebetrieb). Diese Technologie ist mittlerweile ausgereift und Anlagen mit einer Leistung von mehreren zehn MW sind derzeit in Betrieb. Zwar sind die elektrischen Wirkungsgrade und die Dynamik von PEM-Elektrolyseuren besser als bei Alkali und die volumetrische Leistungsdichte deutlich höher, doch wird der großtechnische Einsatz zum Teil von der Verfügbarkeit - und damit dem Preis - von Iridium oder der Fähigkeit abhängen, die pro Leistungseinheit benötigten Mengen zu reduzieren.

Elektrolyseure mit Anionenaustauschmembranen

Eine dritte, viel neuere Technologie namens "Anion Exchange Membranes" (AEM) kombiniert die Vorteile der alkalischen und der PEM-Technologie. Sie befindet sich in einem weniger fortgeschrittenen Entwicklungsstadium als die beiden anderen und wird daher in diesem Artikel nicht ausführlich vorgestellt.

Hochtemperatur-Elektrolyse

Es gibt eine vierte Technologie, die unter völlig anderen Bedingungen operiert. Es handelt sich um die Festoxidbatterien und -elektrolyseure, besser bekannt unter ihrem englischen Akronym SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) oder SOEC (Solid Oxide Electrolyser Cell). Diese Technologie basiert auf einem keramischen Festelektrolyten, der in Zellen integriert ist, die übereinander gestapelt werden und eine Batterie bilden (Abb. 1). Festoxidbatterien arbeiten bei Temperaturen von über 600 °C und werden daher oft auch als Hochtemperaturbatterie oder -elektrolysegerät bezeichnet. Die Zellen können bidirektional betrieben werden (reversibler Betrieb): als Elektrolyseur, um Wasserstoff aus Strom zu erzeugen, oder als Brennstoffzelle, um Strom aus Wasserstoff oder sogar aus anderen Kraftstoffen zu erzeugen. Im zweiten Fall ermöglichen kohlenstoffhaltige Brennstoffe wie Erdgas eine Stromerzeugung mit einem sehr hohen Wirkungsgrad (> 60%). Bei der Betriebstemperatur liegt Wasser in Dampfform vor, sodass dieser bei der Elektrolysereaktion direkt in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt wird.

Aufgrund der Thermodynamik verbraucht diese Reaktion deutlich weniger Strom als die Elektrolyse von Wasser in flüssiger Form, und genau das ist der große Vorteil der Festoxid-Elektrolyse (SOE), wenn sie mit einem industriellen Prozess kombiniert werden kann, der Abwärme oder Dampf zur Verfügung hat. Denn der Energieanteil, der zur Verdampfung des Wassers verwendet wird, ist sozusagen kostenlos, da er sonst verloren gehen würde. Außerdem ist die Hochtemperaturelektrolyse effizienter als die Niedertemperaturelektrolyse. Im Endeffekt muss also weniger Strom in das System eingespeist werden, um die gleiche Menge Wasserstoff zu erzeugen, und der Prozess ist effizienter als bei einem Niedertemperaturelektrolyseur. Auf Systemebene wird ein Verbrauch von 37 bis 45 kWh/kg H₂ erwartet, wenn Dampf zur Verfügung steht, was etwa 20% weniger Strom als bei Niedertemperaturelektrolyseuren bedeutet.

Die SOE-Technologie bietet auch eine weitere Nutzungsart, bei der ein Gemisch aus H₂O-Dampf und CO₂-Kohlendioxid co-elektrolysiert werden kann, wodurch am Ausgang der Zelle ein Synthesegas (H₂ und CO) gewonnen werden kann. In der Schweiz wurden diese Batterien ab den 2000er Jahren insbesondere von einem Forscherteam an der EPFL entwickelt, das dann zum Spin-off HTceramix SA in Yverdon-les-Bains wechselte, oder auch vom Team von Sulzer Hexis in Winterthur. Sie durchliefen mehrere Weiterentwicklungen, die sie schließlich so weit reifen ließen, dass sie auf dem heimischen Markt in Mikro-KWK-Anwendungen eingesetzt werden konnten. So hat das Unternehmen HTceramix SA, das inzwischen von einem italienischen Konzern übernommen und in SolydEra SA umbenannt wurde, mehr als 3000 erdgasbetriebene Bluegen-Mikro-KWK-Systeme eingesetzt und dabei mehr als 75 Millionen Betriebsstunden gesammelt und die Technologie zur industriellen Reife gebracht. Die ursprünglich in Yverdonles- Bains entwickelte Batterietechnologie wurde nach Italien verlegt, wo die größte automatisierte Produktionslinie für Festoxidbatterien in Europa errichtet wurde (Abb. 2).

² Der Wirkungsgrad ist definiert als die erzeugte elektrische Leistung geteilt durch den unteren Heizwert des Kraftstoffs.