Power-to-X Wertschöpfungsketten

Im Rahmen des PHOENIX-Projekts sollen in den vielversprechendsten Anwendungsbereichen fünf Power-to-X-Wertschöpfungsketten aufgebaut und als Mini-Anlagen in einem Launch Space auf dem Campus des Forschungszentrums Jülich betrieben werden. In der ersten Förderphase von PHOENIX sollen die folgenden fünf Wertschöpfungsketten eingerichtet werden:

Mit diesen Demonstratoren sollen mögliche Power-to-X-Anwendungsbereiche identifiziert werden, von denen das Rheinische Revier profitieren könnte. Von entscheidender Bedeutung ist der netzintegrierte Betrieb von Elektrolyseuren unter transienten Lasten in markt-, system- oder netzoptimierten Betriebsmodi. Die Entwicklung dieser Wertschöpfungsketten wird durch die Simulation transienter Betriebsbedingungen mithilfe digitaler Zwillinge unterstützt.

Eine zentrale Voraussetzung für den flächendeckenden Einsatz von Power-to-X-Technologien im Rheinischen Revier ist eine umfassende Bewertung des Potenzials dieser Wertschöpfungsketten. PHOENIX nutzt einen kombinierten „Bottom-up“- und „Top-down“-Ansatz, um den strategischen Einsatz von Power-to-X zu ermitteln und die Schaffung neuartiger, sektorübergreifender Wertschöpfungsketten zu untersuchen. Nach der Auswahl vielversprechender Anwendungsfälle bewertet eine Bottom-up-Analyse deren Umsetzung in technischer, wirtschaftlicher, ökologischer und sozialer Hinsicht anhand von Lebenszyklusanalysen. Gleichzeitig verortet eine Top-Down-Analyse den großflächigen Einsatz im Rahmen langfristiger, auf nationale und europäische Rahmenbedingungen abgestimmter regionaler Transformationsstrategien. Darüber hinaus wird ein maßgeschneidertes Software-Framework entwickelt, um Dekarbonisierungswege durch Szenarioanalysen zu modellieren und zu bewerten. Dies ermöglicht eine systemweite Evaluierung. Aus dieser Makroperspektive wird der Bedarf an lokalen Power-to-X-Netzwerken und -Allianzen abgeleitet. In enger Zusammenarbeit mit Technologieentwicklern werden in einer zweiten Iteration weitere relevante Anwendungsfälle identifiziert und analysiert. Makroökonomische Bewertungen untersuchen die potenziellen Auswirkungen auf den Arbeitsmarkt und die Wertschöpfung. Schließlich werden alle Ergebnisse zu einer ganzheitlichen Bewertung zusammengefasst, die eine strategische Grundlage für die nachhaltige Transformation des Rheinischen Reviers bildet.

• Ein Demonstrator zur De-Fossilisierung des Kraftstoffsektors durch Biogasverwertung (Future Fuels), der auf dem reversiblen Betrieb der Festoxid-Brennstoffzellentechnologie aufbaut. Er umfasst die gesamte Prozesskette: von verschiedenen biogenen Substraten aus Marginalböden und Industrieabfällen über die Biogasproduktion bis hin zu einem reversiblen Ko-Elektrolysesystem. Dieses erzeugt je nach Bedarf grüne Kraftstoffe oder Strom für einen nachhaltigen Mobilitätssektor. In diesem Prozess dient Biogas als CO₂-Quelle für die Ko-Elektrolyse und als Brennstoff für den Brennstoffzellenbetrieb.
• Ein Demonstrator zur De-Fossilisierung des chemischen Sektors für Grundchemikalien (Circular Base Chemicals) konzentriert sich auf die Nutzung unvermeidbarer industrieller CO₂-Punktquellen und von Industrieabwässern. Mittels Hochtemperatur-Ko-Elektrolyse werden verschiedene Grundchemikalien, wie beispielsweise Methanol, hergestellt. Der Schwerpunkt liegt auf dem Ko-Elektrolyse-Betrieb und der Minderung des Risikos der Kohlenstoffbildung.
• Demonstrationsanlage zur Dekarbonisierung der Regionalwärme- und Stromversorgung. Die dritte Wertschöpfungskette zielt darauf ab, ein flexibles Energieumwandlungssystem bereitzustellen, um die Wärme- und Stromversorgung zu dekarbonisieren. Es wird reversible Festoxid-Brennstoffzellentechnologie genutzt, die im Brennstoffzellenmodus mit Wasserstoff und im Elektrolyse-Modus mit Dampf betrieben wird.
• Der Demonstrator zur De-Fossilisierung des Chemiesektors für Spezialchemikalien verfolgt einen zweigleisigen Ansatz zur Herstellung kreislaufwirtschaftlicher Spezialchemikalien. Die erste Wertschöpfungskette kombiniert Niedertemperatur-CO₂-Elektrolyse mit thermokatalytischen Prozessen zur Herstellung grüner Spezialchemikalien. Der Schwerpunkt des Demonstrators liegt auf der Power-to-CO-Wertschöpfungskette auf Basis der AEM-Technologie. Der zweite Pfad befasst sich mit der gekoppelten Synthese von Cl₂ und CO aus Chlorid und CO₂ in der Niedertemperatur-Ko-Elektrolyse.
• Demonstrator zur De-Fossilisierung des Chemiesektors für Spezialchemikalien und Energieträger. Die fünfte Wertschöpfungskette basiert auf der CO₂-Elektrosynthese zur Herstellung von Ameisensäure für die Erzeugung „grüner” Chemikalien und Energiequellen. Das Hauptziel dieses PHOENIX-Demonstrators ist die kostengünstige Herstellung eines hochkonzentrierten Endprodukts, wodurch dessen Wettbewerbsfähigkeit als nachhaltige Alternative zu fossilbasierten Produkten gesteigert wird.