CatVIC - Mit Power-to-X grünen Wasserstoff produzieren und Kohlendioxid verwerten
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CatVIC – Mit Power-to-X grünen Wasserstoff produzieren und Kohlendioxid verwerten Ein innovatives Power-to-X-System für einen chemischen Industriepark entwickeln Zukunftsweisende Konzepte zur Energie- und Rohstoffversorgung sind für den Klimawandel notwendig. Dabei müssen erneuerbare Energien in vorhandene und neue Prozessketten eingebunden sowie die Kohlendioxidemissionen reduziert werden. Diese Herausforderungen adressiert das Projekt CatVIC. Ziel des deutsch-französischen Forschungsverbundes ist es, ein innovatives Power-to-X-System für einen chemischen Industriepark zu entwickeln. Eine grüne Wasserstoff- produktion wird mit unvermeidlichen Kohlenstoffdioxidemissionen kombiniert. Die energieintensive Industrie liefert CO2 und erhält wichtige Rohstoffe zurück. Das Treibhausgas gelangt nicht in die Atmosphäre. Das schont das Klima. Das deutsch-französische Forschungsprojekt CatVIC es etliche Verwendungen für ihn. Der erzeugte Wasserstoff möchte herausfinden, wie erneuerbare Energien in einem kann beispielsweis als Energieträger in den Wasserstoffmarkt chemischen Industriepark (Roches-Roussillon, Roussillon, eingespeist werden. Oder es entstehen in einem nächsten Frankreich) so eingesetzt werden können, dass Kohlen- Schritt durch die Verbindung mit dem nicht-vermeidbaren stoffdioxid eingespart werden kann und Stoffkreisläufe Kohlenstoffdioxid wertvolle kohlenstoffhaltige Verbindungen geschlossen sind. Dazu setzen die Forschenden ein inno- (wie Methanol), die wieder im chemischen Industriepark vatives Power-to-X-System auf. Es basiert auf der grünen Roches-Roussillon benötigt werden. Das reduziert CO2- Wasserstoffproduktion mit Hochtemperatur-Elektrolyse. Emissionen des Industrieparks und schont die Umwelt. Es verwertet unvermeidliche CO2-Emissionen der energie intensiven Industrie und liefert gleichzeitig wichtige Rohstoffe, die in der chemischen Industrie dringend gebraucht werden. Dieses System entwickeln die Forscher bis zur Pilotreife. CO2 als wichtiger Rohstoff für die chemische Industrie So funktioniert das Power-to-X-System: In einem ersten Schritt wird mit Strom aus erneuerbaren Energien Wasser in grünen Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Hier kommt das Verfahren der Hochtemperatur-Dampf-Elektro lyse zum Einsatz. Ist der Wasserstoff erst produziert, gibt Das Schema des Projektes CatVIC.
Eine Herausforderung ist die Verfügbarkeit der erneuer-
Fördermaßnahme
baren Energien, da diese nicht konstant zur Verfügung
Zusammenarbeit mit Frankreich unter der Beteiligung von
stehen, sondern schwankend anfallen. Das muss bei der Wissenschaft und Wirtschaft („2+2“-Projekte) bei Forschung
Auslegung des Gesamtsystems sowie der Auswahl ge und Entwicklung für eine Nachhaltige Energieversorgung
eigneter Einzelprozesse berücksichtigt werden. Europas
Projekttitel
Die wirtschaftliche Tragfähigkeit des Gesamtsystems
Katalytische Valorisation von industriellem Kohlenstoff (CatVIC)
kann durch die Erzeugung von Chemikalien mit hoher
Wertschöpfung gewährleistet werden. Das Konsortium Laufzeit
sieht in dem gewählten Power-to-X-Verfahren eine viel- 01.10.2019–30.09.2022
versprechende, übertragbare Lösung, um große Mengen
intermittierender erneuerbarer Energien in Form von Förderkennzeichen
03SF0581
Wertprodukten zu speichern und damit den Kohlenstoff-
kreislauf der industriellen Treibhausgas-Emittenten im Fördervolumen des Verbundes
Rahmen einer Kreislaufwirtschaft zu schließen. ca. 2,8 Millionen Euro
Power-to-X Pilotanlage im deutsch-französischen Kontakt
Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion
Industriepark
(MPI-CEC)
Das Forschungsprojekt CatVIC befasst sich mit wissen-
Dr. Holger Ruland
schaftlichen Untersuchungen und technologischen Stiftstr. 34–36
Entwicklungen im Labormaßstab. Es werden technisch- 45470 Mülheim a. D. Ruhr
wirtschaftliche, sozioökonomische und umweltbezogene Telefon: 0208 306-3701 | Fax: 0208 306-3591
Bewertungen durchgeführt, um den Power-to-X-Prozess E-Mail: holger.ruland@cec.mpg.de
zu bewerten.
Projektpartner
Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (MPI-
Im Anschluss an das CatVIC-Projekt wird eine Pilotanlage CEC); Commissariat à l‘Energie Atomique et aux Energies
im Industriepark Roches-Roussillon angestrebt, in welchem Alternatives (CEA-Liten); Entrepose Vinci; Osiris-GIE; Sunfire
zurzeit mehr als 15 Unternehmen zusammengeschlossen GmbH; Clariant Produkte GmbH
sind. Dort wird der günstige und kohlenstoffmindernde
Internet
Betrieb der innovativen Power-to-X-Anlage demonstriert.
catvic.eu
Das Gesamtsystem kann die CO2-Emissionen des Industrie-
parks reduzieren und deckt gleichzeitig den Bedarf vor
Ort an Grundchemikalien wie Methanol, Olefinen oder Impressum
Wasserstoff. Herausgeber
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Die strategischen Ambitionen der CatVIC-Partner (MPI- Referat Energie; Wasserstofftechnologien
CEC, CEA-Liten, Entrepose Group, Osiris-GIE, Sunfire und 53170 Bonn
Clariant) sind im Hinblick auf Forschung und Innovation
Stand
für den nachhaltigen Energiewechsel abgestimmt. Diese Juni 2020
sehr ehrgeizige Forschungskooperation zwischen Frank-
reich und Deutschland wird dazu beitragen, die euro- Redaktion und Gestaltung
päische Führungsrolle im Bereich von sauberen Energie- Projektträger Jülich
Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion,
technologien zu stärken, und wird insbesondere die euro-
Dr. Holger Ruland
päische Wasserstoffindustrie unterstützen.
Bildnachweise
Titelbild: AdobeStock/Fokussiert
Grafik: Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion
bmbf.de
ARCHIVE – Elektrische Energie günstiger über lange
Strecken übertragen
Mit geschickt geformten Keramiken werden weniger Bauteile für die Hochspannung gebraucht
Das deutsch-französische Forschungsprojekt ARCHIVE will eine neue Technologie für 20 Kilovolt Leistungshalbleiter-
module für Übertragungsnetze demonstrieren. Es werden mit der neuen Technologie weniger Module gebraucht, um die
für den Stromtransport über weite Distanzen notwendige Hochspannung zu erreichen. Der Aufbau wird einfacher und
günstiger. Es sinken die Investitions- und Betriebskosten für die Stromanlagen. Das führt zu einer besseren Integration
von erneuerbaren Energien in die Versorgungsnetze.
Der Einsatz von Siliciumcarbid (eine chemische Verbindung aber eine ausreichend elektrische Isolierung da ist. Das ist
aus Silicium und Kohlenstoff) ermöglicht es, die Sperr- ein Zielkonflikt (hohe thermische Leitfähigkeit aber gute
spannung von Leistungshalbleiterbauelementen auf 20 elektrische Isolation), der sich bei steigenden Spannungen
Kilovolt und mehr zu erhöhen. Diese Bauteile sind für noch weiter verschärft. Bei der gegenwärtig verwendeten
Umrichterstationen für die Hochspannungsgleichstrom- Technologie ist für beide Aspekte dasselbe Bauelement
Übertragung (HGÜ, HVDC) wichtig, welche für den Trans- verantwortlich: das Keramiksubstrat.
port der elektrischen Energie über große Entfernungen
eingesetzt wird. Im Vergleich zu konventionellen Silicium Entwärmen und isolieren gleichzeitig
bauteilen mit einer Sperrspannung von maximal zehn Ziel des Forschungsprojektes ARCHIVE unter Koordination
Kilovolt müssen deutlich weniger Schalter in Serie geschaltet der Hochschule Kempten ist es, diesen Zielkonflikt
werden, um eine Spannung von beispielsweise 300 Kilovolt zwischen Entwärmen und Isolieren durch zwei innovative
zu erreichen. Somit ist der Aufbau der Umrichterstation viel und gegensätzliche Ansätze zu lösen. Dafür wird ein neu-
einfacher und günstiger. artiges, dreidimensional strukturiertes Keramiksubstrat
eingesetzt. Die Oberseite ist so geformt, dass gefährliche
Halbleiterbauteile optimieren Konzentrationen des elektrischen Feldes vermieden werden.
Verschiedene Forschungsgruppen weltweit untersuchen, Auf der Rückseite ist ein Kühler integriert, der mit einem
wie SiC-Halbleiterchips für 20 Kilovolt und mehr optimiert elektrisch isolierenden Kühlmedium betrieben wird.
werden können. Für derartige hohe Spannungen fehlt Dadurch wird die Isolation auf die Keramik und die Kühl-
aber bisher eine geeignete Aufbau- und Verbindungs- flüssigkeit verteilt. Durch diese beiden Schritte kann das
technik. Sie sorgt dafür, dass die in den Halbleiterchips Modul mit einer deutlich höheren Spannung betrieben
freigesetzte Wärme abgeleitet werden kann, gleichzeitig werden.
Zur Umsetzung der Ideen brauchen die Forschenden
Fördermaßnahme
fortschrittliche Keramiksubstrate, deren Herstellung
Zusammenarbeit mit Frankreich unter der Beteiligung von
sie weiterentwickeln. Ein experimentelles 20 Kilovolt Wissenschaft und Wirtschaft („2+2“-Projekte) bei Forschung
Leistungsmodul zeigt, wie dies in der Praxis aussehen und Entwicklung für eine Nachhaltige Energieversorgung
könnte. Eine Konzeptskizze des Demonstrators ist in Europas
der folgenden Abbildung dargestellt.
Projekttitel
ARCHIVE – Architectured Ceramic for High Voltage Power
Gehäuse Anschlüsse Silikonmasse Electronics
Laufzeit
Halbleiterchip Drahtbond 01.10.2019–30.09.2022
Förderkennzeichen
03SF0588A-B
Fördervolumen des Verbundes
Keramiksubstrat Metallisierung elektrisch isolierendes ca. 0,7 Millionen Euro
Kühlmittel
Kontakt
Skizze des Hochspannungsleistungsmoduls: ein 3D strukturiertes Keramik- Prof. Dr.-Ing. Till Huesgen
substrat.
Hochschule Kempten
Labor für Elektronikintegration
Deutsch-französische Zusammenarbeit Bahnhofstraße 61
Das Forschungsteam setzt sich aus jeweils einer Hochschule 87435 Kempten
und einem Unternehmen aus Deutschland wie auch aus Telefon: 0831 2523 9247
E-Mail: till.huesgen@hs-kempten.de
Frankreich zusammen. Dabei wird die elektrische Isolation
vor allem in Frankreich untersucht, während das Kühl- Projektpartner
konzept in erster Linie in Deutschland entwickelt wird. CeramTec GmbH Marktredwitz; Hochschule für Angewandte
Die Unternehmen sind dabei für die Herstellung sowie Wissenschaften Kempten; SuperGrid Institute Villeurbanne,
die Systemdefinition und Integration zuständig. Für den Frankreich; Université de Toulouse 3, Laboratoire AMPÈRE,
Frankreich
Systemdemonstrator arbeiten alle Partner zusammen.
Impressum
Herausgeber
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Referat Energie; Wasserstofftechnologien
53170 Bonn
Stand
Juni 2020
Redaktion und Gestaltung
Projektträger Jülich
Prof. Dr.-Ing. Till Huesgen, Hochschule Kempten
Bildnachweis
AdobeStock/twixter
bmbf.deMOLIBE – Metall- und Flüssigkeitsfreie Organische
Lithium-Ionen-Batterien als nachhaltige und
sichere Energiespeicher
Energiespeicher für die europäische Energiewende
Effiziente Energiespeicher sind essentiell für eine erfolgreiche europäische Energiewende. Wichtig ist dabei
jedoch, dass auch diese Energiespeicher auf nachhaltigen Materialien beruhen. Hiermit beschäftigt sich das
Forschungsprojekt MOLIBE. Hier entwickeln deutsche und französische Wissenschaftler gemeinsam sicherere,
metallfreie Batterien.
Im MOLIBE-Projekt werden vollständig feste, metallfreie Diese Herausforderungen löst das MOLIBE-Projekt. Die
wiederaufladbare Batterien entwickelt. Diese Batterien französischen und deutschen Projektpartner decken die
basieren auf organischen Aktivmaterialien und polymeren gesamte Bandbreite der hierfür benötigen Fähigkeiten
Elektrolytsystemen. ab – von der Synthese und Charakterisierung der orga-
nischen Aktivmaterialien, Polymerelektrolyte und neuer
Lithium-Ionen-Batterien werden als die vielversprechendste Stromsammler über die Fertigung und Untersuchung der
Technologie zur reversiblen Energiespeicherung betrachtet, elektrochemisch zu charakterisierenden Zellen bis hin zur
um die erfolgreiche Elektrifizierung der Mobilitätsbedürf- Analyse und Bewertung der Nachhaltigkeit der gesamten
nisse der heutigen Gesellschaft zu ermöglichen. Allerdings Wertschöpfungskette.
gibt es neben dem dringenden Bedarf an verbesserten
Energie- und Leistungsdichten zwei wesentliche Heraus- Metallfrei, nachhaltig und sicher
forderungen zur weiteren Verbreitung der Technologie: Die wesentlichen Ziele des MOLIBE-Projektes sind:
die hohen Kosten sowie ernsthafte Sicherheitsbedenken. • Auf jedwede metallische Komponente mittels der
Während die vergleichsweise hohen Kosten maßgeblich Entwicklung von organischen Aktivmaterialien,
auf die in der Batterie enthaltenen teuren Metalle wie metallfreier Stromsammler und schlussendlich auch
Kobalt, Nickel oder Kupfer zurückzuführen sind, resul- nicht-metallischer Ladungsträger wird verzichtet.
tieren die Sicherheitsbedenken vor allem aus der leichten • Die Sicherheit durch die Implementierung polymerer
Entflammbarkeit und der geringen Stabilität der flüssigen Elektrolytsysteme mit hoher ionischer Leitfähigkeit
Elektrolyte. wird verbessert.• Ein grundlegendes Verständnis der verschiedenen
Fördermaßnahme
chemischen und elektrochemischen Reaktionen in
Zusammenarbeit mit Frankreich unter der Beteiligung von
der Batteriezelle wird entwickelt. Wissenschaft und Wirtschaft („2+2“-Projekte) bei Forschung
• Die Nachhaltigkeit elektrochemischer Energiespeicher und Entwicklung für eine Nachhaltige Energieversorgung
wird – unterstützt durch eine kontinuierliche Lebens- Europas
zyklusanalyse – verbessert.
Projekttitel
MOLIBE – Metall- und Flüssigkeitsfreie Organische Lithium-
Deutsch französische Zusammenarbeit
Ionen-Batterien als nachhaltige und sichere Energiespeicher
Das Projektkonsortium arbeitet gemeinsam an der
Entwicklung organischer Aktivmaterialien, polymerer Laufzeit
Elektrolytsysteme sowie an der Skalierung der 01.10.2019–30.09.2022
erforderlichen Synthesewege.
Förderkennzeichen
03SF0583
Koordiniert wird das MOLIBE-Projekt vom Helmholtz-
Institut Ulm assoziiert mit dem Karlsruher Institut für Fördervolumen des Verbundes
Technologie. In Frankreich arbeiten Wissenschaftler ca. 0,4 Millionen Euro
vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Kontakt
und vom Laboratoire d‘Electrochimie et de Physicochimie
Dr. Dominic Bresser
des Matériaux et des Interfaces (LEPMI) in Grenoble an
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
dem Projekt. Außerdem sind als Forschungsinstitute Helmholtz-Institut Ulm (HIU)
das Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies Helmholtzstrasse 11
alternatives (CEA) in Grenoble sowie das Forschungs- 89081 Ulm
zentrum CANOE in Pessac involviert. Die Industrie- Telefon: 0731 5034117
E-Mail: dominic.bresser@kit.edu
partner, die Daikin Chemical Europe GmbH aus Münster
und die Bernard Dumas aus dem französischen Creysse Projektpartner
sorgen mit ihrer langjährigen Erfahrung in der Material- Daikin Chemical Europe GmbH; CEA Grenoble; CNRS-LEPMI;
entwicklung und Vermarktung dafür, dass die Projekt- Bernard Dumas; CANOE R&D
ergebnisse auch in der Industrie verwendet werden.
Impressum
Herausgeber
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Referat Energie; Wasserstofftechnologie,
53170 Bonn
Stand
Mai 2020
Redaktion und Gestaltung
Karlsruher Institut für Technologie
Projektträger Jülich (PtJ), Forschungszentrum Jülich GmbH
Bildnachweis
S. 1: AdobeStock/sunabesyou
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