Forschungsprojekt 3DEE

Das Forschungsprojekt 3DEE entwickelt einen gekoppelten elektro-thermokatalytischen Biomass-to-liquid-Prozess (etBtL) als neue Prozessroute zur Herstellung von E-Fuels aus biogenen Reststoffen (Lignocellulose) und demonstriert deren technische Machbarkeit auf TRL 4.

Ausgangspunkt ist die direkte Nutzung erneuerbarer Elektrizität zur elektrochemischen Hydrodimerisierung (EHD) der aus Lignocellulose hergestellten Plattformchemikalien Vanillin, Furfural und 5-HMF, gefolgt von einer thermokatalytischen Veredelung zu klimaschonenden Kraftstoffen. Der notwendige Wasserstoff für die Veredelung wird in-situ über den elektrochemischen Schritt hergestellt.

Produktivität ist ein zentraler Skalierungsfaktor, daher kommen statt der bisher genutzten 2D-Flachelektroden leistungsfähige 3D-Flow-Elektroden zum Einsatz. Sie ermöglichen eine deutlich höhere Ausbeute und schaffen damit die Voraussetzung für eine industrielle Umsetzung der EHD.

Ein zu entwickelndes durchgängiges Design-to-test-Konzept soll die modellbasierte Gestaltung (Simulation und Topologieoptimierung) EHD-spezifischer Elektrodengeometrien mit der metalladditiven Fertigung hochreiner Zink- und Nickel-Elektroden verbinden.

Die gefertigten Elektroden werden experimentell in Flowzellen untersucht und vom Labormaßstab auf den Technikumsmaßstab skaliert. Abschließend erfolgt die Veredelung und analytische Charakterisierung der erzeugten E-Fuels.

Das Vorhaben überführt damit zentrale Elemente des Impulspapiers »Zukunft der Wertschöpfung Baden-Württemberg« in die Praxis, indem es mittelständische Fertigungskompetenzen mit nachhaltigen Schlüsseltechnologien verknüpft und neue Märkte für metalladditiv gefertigte Materialien erschließt.

Die Rollen innerhalb des Projektkonsortiums sind thematisch klar nach Arbeitspaketen abgegrenzt, können einander allerdings in beratenden Funktionen hinsichtlich des Designs der Elektroden, Fertigungskonzepten und elektrochemischen Messverfahren ergänzen:

• Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT entwickelt zunächst mittels gekoppelter CFD‑Simulation und TO das optimale Elektrodendesign für die drei Zielreaktionen.
• Rosswag Engineering übernimmt darauf aufbauend die Entwicklung eines metalladditiven Fertigungskonzepts für Zink‑ und Nickel‑Elektroden (Kathode und Anode) und produziert die entsprechenden Design‑Prototypen.
• Anschließend evaluiert das Fraunhofer ICT die gedruckten Elektroden sowohl im Labormaßstab mit 25 cm² aktiver Fläche als auch im skalierbaren Technikumsmaßstab mit 100 cm².
• Zum Abschluss werden die Hydrodimere veredelt, hinsichtlich ihrer Eigenschaften als Kraftstoffe charakterisiert sowie der Gesamtprozess ökonomisch und ökologisch bewertet.