E-Fuels fürs LÄND – CO₂ Direct Air Capture und DME-Synthese als Schlüsseltechnologien für E- Fuels

Im Projekt »E-Fuels fürs LÄND« werden im Rahmen einer Machbarkeitsstudie drei Szenarien zur Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe für Flugzeuge und Fahrzeuge unter Berücksichtigung einer maximalen Wertschöpfung in Baden-Württemberg, belastbarer Geschäftsmodelle sowie eines schnellen Markthochlaufs detailliert untersucht. 

Ausgangslage:

Die Defossilisierung des Verkehrssektors ist eine der größten Herausforderungen für den Klimaschutz. In Deutschland wurden in diesem Sektor in den letzten Jahrzehnten keine signifikanten Emissionsminderungen erzielt. Wasserstoff und seine Derivate wie Dimethylether (DME) könnten als sogenannte Renewable Energy Fuels (reFuels) einen Beitrag zur Treibhausgasreduzierung leisten.

Grundvoraussetzung ist, dass für ihre Herstellung ausschließlich erneuerbarer Strom und Kohlenstoff aus nachhaltigen Quellen oder aus der Luft verwendet werden. Um synthetische Kraftstoffe im industriellen Maßstab herstellen zu können, sind eine Skalierung der bekannten Herstellungsverfahren und -technologien sowie weitere Forschung erforderlich. Für die industrielle Skalierung und den Markthochlauf synthetischer Kraftstoffe sind jedoch sowohl wirtschaftliche als auch regulatorische- und strukturpolitische Herausforderungen zu bewältigen.

Das Ministerium für Verkehr Baden-Württemberg hat ein Projektkonsortium aus Wissenschaft und Industrie beauftragt, eine Machbarkeitsstudie zur Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe in und für Baden-Württemberg zu erstellen. Experimentell gestützte technoökonomische Berechnungen sollen zeigen, welche Potenziale in innovativen Verfahren liegen und in Sensitivitätsanalysen und Vergleichen deren Einfluss auf die Gestehungskosten aufzeigen.

Lösung:

Wir untersuchen die gesamte Wertschöpfungskette nachhaltiger Kraftstoffe: von der Herstellung aus Wasserstoff und CO₂ aus der Luft (Direct Air Capture, DAC) über die Zwischenprodukte Methanol und Dimethylether bis hin zu Benzin oder Kerosin.

Im Projekt wird der Wasserstoffträger Dimethylether als zentrales Zwischenprodukt betrachtet. DME ist ungiftig, hat eine hohe Energiedichte und ein großes Potenzial für die effiziente Herstellung von Kraftstoffen sowie Produkten für die chemische Industrie. DME könnte außerdem als Energieträger Verwendung finden.

Methodik:

Im Rahmen des Projektes werden verschiedene Szenarien analysiert, die die Transformation hin zu einer großskaligen Bereitstellung von E-Fuels abbilden. Das erste Szenario beschreibt die kurzfristige Perspektive, in der Biomasse als Rohstoff genutzt wird und mit bekannter, skalierbarer Technologie in Kraftstoffe umgewandelt wird (siehe Abbildung 1). Da die Verfügbarkeit von Biomasse begrenzt ist, wird die Wertschöpfungskette im mittel- und langfristigen Szenario um ein CO₂ Direct Air Capture Verfahren ergänzt. Der Industriepartner Purem bringt sein Know-how aus Maschinenbau, Metallverarbeitung und Materialwissenschaften in praktische und theoretische Arbeiten über CO₂ Direct Air Capture Module ein. Das Team des Fraunhofer ISE führt experimentelle Untersuchungen für das bessere Verständnis von CO₂ Direct Air Capture und neuen DME-Syntheseverfahren durch. Ein Teilschritt der neuen Wertschöpfungskette im mittel- und langfristigen Szenario ist das INDIGO-Verfahren, ein vom Fraunhofer ISE zum Patent angemeldetes Herstellungsverfahren für DME. Das Verfahren ermöglicht eine effiziente und kostengünstige DME-Produktion aus Rohmethanol. Zudem wird die DME-Synthese und der DME-to-Olefins-Prozess untersucht, um die Herstellung hochwertige Kraftstoffe wie Kerosin und Benzin zu optimieren (siehe Abbildung 2). Am KIT werden experimentelle Untersuchungen zur Kraftstoffherstellung und -veredelung aus DME durchgeführt und mit Prozessmodellen beschrieben. Am Fraunhofer IAO werden darüber hinaus Beschäftigungseffekte entlang der Wertschöpfungskette von Wasserstoff, CO₂, DME und reFuels untersucht.

Ziel:

Durch detaillierte technoökonomische Analysen werden Optimierungspotenziale identifiziert und quantifiziert, um einen tragfähigen Business Case für die Produktion von E-Fuels in Baden-Württemberg zu schaffen. Die Ergebnisse des Projekts sollen nicht nur die industrielle Wertschöpfung in Baden-Württemberg sichern, sondern auch zur Erreichung der globalen Klimaziele und zum Erhalt von regionalen Arbeitsplätzen beitragen.

Das Projekt »E-Fuels fürs LÄND«  wird vom Ministerium für Verkehr Baden-Württemberg gefördert.