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Kopernikus: P2X

Kopernikus: P2X
Projektteam:

Patyk, Andreas (Projektleitung); Dominik Poncette, Witold-Roger Poganietz, Armin Grunwald

Förderung:

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Starttermin:

2016

Endtermin:

2019

Projektpartner:

Forschungseinrichtungen:

RWTH Aachen University, Forschungszentrum Jülich (FZJ), TUM/LMU München, FAU Erlangen/Nürnberg, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Dechema Forschungsinstitut (DFI), Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Fraunhofer IWM/ISE, Leibniz-Institut für Katalyse (LiKAT), Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), TU Bergakademie Freiberg, Forum SozioÖkonomie, Dechema e.V., BUND, ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung, Öko-Institut e. V., Wuppertal Institut, WWF, Leibniz-Forschungsverbund Energiewende (WZB/DIW)

Industriepartner:

Areva H2Gen GmbH, Arge-Netz GmbH & Co. KG, Audi AG, BASF SE, Chemieanlagenbau Chemnitz GmbH, Clariant AG, Climeworks AG, Covestro AG, ERC Additiv GmbH, Evonik Creavis GmbH, Ford-Werke GmbH, GeTec, Greenerity GmbH, Heraeus GmbH, H2Mobility Deutschland GmbH, Hydrogenious Technologies GmbH, IneraTec - Innovative Reactor Technology, Linde AG, OMV AG, RWE AG, Siemens AG, Sunfire GmbH, Shell Global Solutions GmbH, thyssenkrupp Industrial Solutions AG, Volkswagen AG, Wacker Chemie AG

Forschungsbereich:

Energie - Ressourcen, Technologien, Systeme

Projektbeschreibung

Projekt-Übersicht (Quelle: Vorhabenbeschreibung P2X)
Abbildung 1: Projekt-Übersicht (Quelle: Vorhabenbeschreibung P2X)
Cluster-B2-Übersicht (Quelle: Vorhabenbeschreibung P2X)
Abbildung 2: Cluster-B2-Übersicht (Quelle: Vorhabenbeschreibung P2X)

Gesamtbeschreibung der Kopernikus-Initiative

Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ins Leben gerufene Kopernikus-Initiative stellt die bislang größte Forschungsinitiative zur Energiewende in Deutschland dar. Die Initiative ist benannt nach Nikolaus Kopernikus, Mathematiker und Astronom, der im 16. Jahrhundert das heliozentrische Weltbild entdeckt hat und so zum Inbegriff des wissenschaftlichen Zeitalters geworden ist. Ziel der Kopernikus-Förderung ist eine umfassende und integrative Forschung zur Energiewende, um das derzeitige Energiesystem zukunftsweisend sicher, sauber und bezahlbar umzubauen. Bei diesem Umbau sind gesellschaftliche, ökologische und ökonomische Aspekte von zentraler Bedeutung. Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, verbinden die Kopernikus-Projekte technologieorientierte Forschung mit systemischem und transdisziplinärem Ansätzen. Im Zentrum der Projekte stehen Forschungsfelder mit hoher Komplexität, aber auch besonderen Potentialen für eine erfolgreiche Umstellung des Energiesystems. Die mittlerweile begonnenen Kopernikus-Projekte ENSURE, P2X, SynErgie und ENavi untersuchen daher Schlüsselbereiche des Energiesystems in enger Zusammenarbeit von Wissenschaft, Wirtschaft und Zivilgesellschaft.

  • Das ENSURE-Projekt befasst sich mit neuen Netzstrukturen, um flexibel und versorgungssicher hohe Anteile erneuerbaren Stroms zu transportieren.
  • Das P2X-Projekt konzentriert sich auf Möglichkeiten der Energiespeicherung in gasförmiger, stofflicher oder flüssiger Form.
  • Das SynErgie-Projekt untersucht Technologien, um Industrieprozesse an die neue Energieversorgung anzupassen.
  • Das ENavi-Projekt analysiert das Zusammenspiel der Sektoren Strom, Wärme und Mobilität im Energiesystem als ein komplexes, vernetztes und dynamisches System.

Damit decken die vier Kopernikus-Projekte zentrale Bereiche und Herausforderungen der Transformation des (deutschen) Energiesystems ab. Das ITAS ist in allen vier Projekten beteiligt und bringt seine Expertise der Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse in unterschiedlicher Weise in die einzelnen Projekte ein.

Gesamtbeschreibung P2X

Der mit der Energiewende untrennbar verbundene Ausbau fluktuierender erneuerbarer Stromerzeugung macht mittelfristig die Nutzung und Speicherung des Stroms bei Erzeugungsspitzen erforderlich. Neben grundsätzlich reifen, wenngleich für Massenanwendungen zu teuren, Technologien wie verschiedenen Batteriekonzepten und Lastwechsel bei etablierten industriellen Anwendungen stellen die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und die Ko-Elektrolyse von Wasser und CO2 zu Synthesegas vielversprechende Alternativen dar. Dabei kann der Wasserstoff gespeichert werden, zur spätere Rückverstromung in Fahrzeugen oder stationär, oder in chemische Prozesse eingespeist werden; das Synthesegas wird z.B. zu Kraftstoffen umgesetzt. Durch die Umsetzung von Wasserstoff mit CO2 kann nicht nur die Auslastung der regenerativen Stromerzeugung erhöht werden. Langfristig und bei entsprechendem systematischem Ausbau der regenerativen Stromerzeugung über etablierte Bedarfe hinaus werden weitere Effekte wahrscheinlich sogar wichtiger: Der Treibhauseffekt und Verbrauch endlicher Ressourcen werden reduziert, indem bestehende auf fossilen Einsatzstoffen basierende Prozesse durch Prozesse, die regenerative Ressourcen verwenden, substituiert werden. Beschränkt auf Konzepte, deren Prozessketten mit der Elektrolyse beginnen und weitere chemische Reaktionen enthalten, ist P2X, d.h. Power-to-X, als Bindung von elektrischer Energie in Wasserstoff und Umsetzung zu Kraftstoffen sowie Basis- und Feinchemikalien zu verstehen.

Zwar sind einzelne Prozessstufen der diskutierten P2X-Konzepte ausgereift und im kommerziellen Betrieb. Die Mehrzahl der Technologien erfordert jedoch noch erhebliche F&E-Arbeiten. Das gesamte Kopernikus-Projekt P2X ist in sechs Forschungscluster und einen übergreifenden Roadmapping-Prozess gegliedert. Die Cluster sind der Stromkonversion (A-Cluster) bzw. der Nutzung und Speicherung von Wasserstoff (B-Cluster) gewidmet (Abbildung 1).

Der Roadmapping-Prozess umfasst die Erhebung und Bewertung technologischer, ökonomischer, ökologischer und gesellschaftlicher Informationen und Daten unter Verwendung quantitativer und qualitativer Methoden.

Neben der Mitwirkung am gesamten Roadmapping-Prozess ist ITAS schwerpunktmäßig im Cluster B2 „Modulare und autarke Technologien zur Umsetzung von Synthesegas auf Basis von CO2 in Kohlenwasserstoffe und langkettige Alkohole“ beteiligt. Der Cluster hat die Entwicklung von vier verschiedenen Technologien für vier verschiedene Kraftstoffe bzw. Chemikalien zum Ziel (Abbildung 2).

Angestrebt wird dabei eine Skalierbarkeit, die auch transportable Kleinanlagen ökonomisch realisierbar macht. Die Technologien sind

  • Fischer-Tropsch-Synthese gekoppelt mit Hochtemperatur-Elektrolyse,
  • Methanisierung mit gekoppelter Verflüssigung,
  • Otto-Kraftstoff aus regenerativem Methanol,
  • Synthesegasfermentation zu langkettigen Alkoholen.

ITAS im P2X-Projekt

Die angestrebte Entwicklung neuer Prozesstechnologien soll zu einer nachhaltig(er)en Form des Energiesystems beitragen. Für einen erfolgreichen Beitrag der verschiedenen im Cluster untersuchten Verfahren zur Transformation des Energiesystems ist es daher erforderlich, technisch-naturwissenschaftliche, umweltbezogene, wirtschaftliche und gesellschaftliche Aspekte frühzeitig in einem umfassenden Ansatz zu analysieren, zu bewerten und Optimierungsvorschläge abzuleiten. Entsprechende Analysen werden vom ITAS im Rahmen des Forschungsclusters B2 durchgeführt.

Die methodische Basis der Analyse der ausgewählten Prozesstechnologien bildet das Life Cycle Sustainability Assessments (LCSA). Das LCSA bewertet die Nachhaltigkeit von Technologien unter den Aspekten Umweltwirkungen, Wettbewerbsfähigkeit und gesellschaftlicher Implikationen über deren gesamten Lebenszyklus. Typischerweise werden hierbei als Instrumente das Life Cycle Assessment (LCA; Umweltwirkungen), das Life Cycle Costing (LCC; Kosten) sowie das social LCA (sLCA; Wirkungen der Technologien auf die Gesellschaft) verwendet. Allerdings ist der Entwicklungsstand und Grad der Akzeptanz der drei Instrumente sehr verschieden. LCA und LCC sind weitgehend ausgereift. Das LCA ist Gegenstand von DIN EN ISO Normen, die für praktisch jede LCA als wichtige Orientierung dienen; die exakte formale Normkonformität ist vor allem für LCAs mit unmittelbar wettbewerblicher Wirkung empfehlenswert. Das LCC ist vergleichbar entwickelt, wird jedoch weniger eingesetzt. Das sLCA ist hinsichtlich zu erfassenden Schadensformen bzw. Schutzgütern und deren Indikatoren noch Gegenstand intensiver Diskussionen. Den Schwerpunkt in P2X bilden daher LCA und LCC, die ihrerseits zu Ökoeffizienz-Indikatoren kombiniert werden können. Neben dem ITAS, das drei Technologie-ansätze bewertet, ist Audi mit der Analyse eines Ansatzes an den Arbeiten beteiligt.

Über die detaillierten Technologieanalysen hinaus ist ITAS maßgeblich am Roadmapping-Prozess des Gesamtprojektes beteiligt. Das Ziel des Roadmapping-Prozesses ist die Entwicklung und Anwendung eines für das Kopernikus-Projekt gemeinsamen Rahmens zur vergleichenden Bewertung der in P2X zu entwickelnden Technologien im Hinblick auf technologische, ökonomische, ökologische und gesellschaftliche Wirkungen. Da die Technologien in zukünftigen Energiesystemen eingesetzt werden sollen, erfolgt im Roadmapping-Prozess auch eine Abstimmung möglicher Energieszenarien.


Kontakt

Dr. Andreas Patyk
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse
Postfach 3640
76021 Karlsruhe

Tel.: 0721 608-24606
E-Mail