Welche Abläufe stehen im Zentrum von Carbon2Chem®?

Görge Deerberg: Im Fokus des Projektes stehen das Stahlwerk am thyssenkrupp-Standort in Duisburg und das dort betriebene integrierte Hüttenwerk – stellvertretend für die Stahlindustrie und andere Prozesse, bei denen CO2- Emissionen nicht vermieden werden können. Da der Verhüttungsprozess sehr komplex ist, wollen wir ihn so weit wie möglich erhalten. Schon kleine Veränderungen an internen Mechanismen können zu großen Änderungen im gesamten Stahlwerkskomplex führen und umfangreiche und kostspielige Arbeiten nach sich ziehen. Deshalb konzentrieren wir uns auf die Hüttengase, genauer: drei Gasströme, die aus dem Stahlwerk abgezogen werden können. Da ist einmal das Kokereigas, in dem Wasserstoff enthalten ist. Darüber hinaus gibt es stickstoffhaltiges Hochofengas sowie Konvertergas, das Kohlenmonoxid enthält und stark schwankend anfällt. Diese drei Ströme werden zunächst gereinigt. Auf die Reinigung folgt die so genannte Konditionierung. Sprich: Die Anteile an Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff, die in den Gasen enthalten sind, werden auch mit Nutzung von grünem Wasserstoff so zusammengestellt, dass eine ideale Ausgangssituation für nachfolgende Synthesen – z. B. die Methanolsynthese – gegeben ist. Die Vorbereitung der einzelnen Technologien für den Einsatz im Hüttenwerk und die Systemintegration von Chemieproduktion in ein Hüttenwerk sind die wesentlichen Herausforderungen.

Bei der Gasreinigung kommen Katalysatoren zum Einsatz…

Görge Deerberg: Genau. Dabei handelt es sich um marktübliche Katalysatoren, die für diese spezielle Anwendung aber weiterentwickelt werden müssen. Dabei gibt es mehrere Fragestellungen, die wir im Rahmen von Carbon2Chem® beantworten wollen. U. a. betrachten wir den Katalysator auf der molekularen Ebene, um zu verstehen, wie die Moleküle miteinander reagieren. Wie reagiert der Katalysator auf Veränderungen bei der Zusammensetzung der Gase? Bei der Arbeit mit Hüttengasen ist mit starken Schwankungen zu rechnen. Damit müssen Katalysatoren umgehen können, ohne zu deaktivieren oder zu altern. 

Sind dabei schon Fortschritte erzielt worden?

Görge Deerberg: In der ersten Phase von Carbon2Chem® konnten wir nachweisen, dass Gasreinigung und  konditionierung auch über einen längeren Zeitraum funktionieren und die richtige Qualität für die anschließende Katalyse bzw. weitere Nutzung in der chemischen Industrie liefern. Wir haben schon sowohl Methanol als auch höhere Alkohole aus Hüttengasen hergestellt. Zunächst noch in kleinen Mengen, aber der Grundprozess lässt sich auch auf großtechnische Anwendungen übertragen. Wie das gelingt, darum geht es in der zweiten Phase von Carbon2Chem®, die im Juni 2020 gestartet ist.

Finden Gasreinigung und -konditionierung direkt am Stahlwerk statt?

Görge Deerberg: Idealerweise ja. Aktuell arbeiten wir noch mit synthetischen Hüttengasen im Carbon2Chem®-Labor am Fraunhofer UMSICHT in Oberhausen. Diese Anlage wird in einem nächsten Schritt ins Technikum am Stahlwerk überführt und dann dort mit realen Hüttengasen betrieben. 

Wie geht es zukünftig mit dem gereinigten Gas weiter?

Görge Deerberg: Idealerweise wird damit in direkter Nähe zum Hüttenwerk eine Chemieproduktion betrieben. Dadurch sind hohe Synergiepotenziale z. B. die Verwertung von Restgasen oder ein integriertes Wärmemanagement möglich.

Lassen sich die Verfahren, die im Rahmen von Carbon2Chem® entwickelt werden, auch auf andere Industrien übertragen?

Görge Deerberg: Auf jeden Fall. Es handelt sich dabei um sogenannte CCU-Verfahren – Carbon Capture and Utilization –, bei denen Kohlenstoff abgetrennt, aufgefangen und genutzt wird. Diese Strategie kann technisch z. B. auch in Zementwerken oder auch bei der Müllverbrennung zum Einsatz kommen. Denn auch hier entstehen CO2- bzw. kohlenstoffhaltige Ströme, die wie Hüttengas genutzt werden können und sich ebenfalls nicht ganz vermeiden lassen. 

Wann rechnen Sie mit einer Umsetzung?

Görge Deerberg: In den kommenden fünf Jahren wollen wir die großtechnische Umsetzung der von uns entwickelten Technologiebausteine vorbereiten. Mit Blick auf die Genehmigungsverfahren gehe ich davon aus, dass wir im Laufe der kommenden zehn Jahre CCU-Verfahren in der Industrie anwenden werden. 

Über Carbon2Chem®

Im Verbundprojekt Carbon2Chem® werden Hüttengase, die bei der Stahlproduktion anfallen, als Rohstoffquelle für die chemische Industrie erschlossen. Das Vorhaben wird gemeinsam vom Fraunhofer UMSICHT, der thyssenkrupp AG und dem Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (MPI-CEC) koordiniert. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).