Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHTPower-to-Chemicals
Die Zementindustrie via Carbon Capture and Utilization (CCU) klimaneutral gestalten
In der Zementindustrie ist Kohlenstoffdioxid ein unvermeidbares Nebenprodukt: Es entsteht beim Brennen von Calciumcarbonat zu Calciumoxid und wird anschließend freigesetzt. Dadurch trägt die Zementindustrie momentan zu vier bis acht Prozent der globalen CO2-Emissionen bei. Im neu gestarteten Verbundprojekt »CO2-Syn« arbeiten Partner aus Industrie und Wissenschaft an einer Alternative. Sie setzen auf »Carbon Capture and Utilization« (CCU), um das CO2 aufzufangen und stofflich zu nutzen – zum Beispiel zur Herstellung von Basischemikalien wie Olefinen und höheren Alkoholen.
Der konkrete Lösungsweg, den Fraunhofer UMSICHT, das Leuchtstoffwerk Breitungen GmbH, die Phoenix Zementwerke Krogbeumker GmbH & Co. KG und die Ruhr-Universität Bochum einschlagen, heißt »Power-to-Chemicals«. Dabei werden erneuerbare Energien wie Windkraft genutzt, um CO2 und Wasser via Elektrolyse in Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff umzusetzen. Gemische aus diesen beiden Stoffen – so genannten Synthesegase – werden anschließend eingesetzt, um mittels weiterer katalytischer Konversionsverfahren die gewünschten chemischen Produkte herzustellen.
Gesucht: robuste und vergiftungsresistente Katalysatoren
Die größte Hürde: Das von den Zementwerken freigesetzte CO2 muss für die Weiterverarbeitung aufwendig gereinigt und konditioniert werden. »Zum Beispiel müssen Katalysatorgifte, Staub und andere Störstoffe entfernt werden«, so Dr. Kai junge Puring vom Fraunhofer UMSICHT. »Das ist sowohl technisch als auch wirtschaftlich eine Herausforderung.«
Ziel der Projektpartner ist es daher, eine neue, auch von anderen Zementwerken adaptierbare Prozessroute zu schaffen. »Im Idealfall wollen wir die CO2-Abgasströme direkt nutzen, um die Synthesegase mit Hilfe erneuerbarer Energien und Abwärmequellen herzustellen – ganz ohne aufwendige vorgeschaltete Reinigung und Konditionierung«, sagt Dr. Anne Schmidt vom Leuchtstoffwerk Breitungen. »Dafür brauchen wir robuste und vergiftungsresistente Katalysatoren, die sowohl langzeitstabil als auch wirtschaftlich sind.«
Im Fokus der Forschenden stehen daher sulfid-, nitrid- und phosphidbasierte Materialien. Sie sind sehr stabil gegenüber typischen Katalysatorgiften wie Schwefel, wurden aber bislang nicht systematisch als potenzielle Katalysatoren für die Synthesegasherstellung aus CO2 bzw. für die anschließende Synthesegaskonversion zu Olefinen und höheren Alkoholen untersucht. »Das wollen wir ändern und streben in den kommenden 36 Monaten den Aufbau eines Prozesses im Labormaßstab an«, erklärt Prof. Ulf-Peter Apfel von der Ruhr-Universität Bochum.
Systemintegration durch multikriterielle Bewertungsmethoden
Auf den Prozess folgt die Systemintegration: Wie lässt sich das fertige Power-to-Chemicals-Konzept in existierende Strukturen des Zementwerks einbinden? »Um das zu beantworten, müssen wir spezifische Standortbedingungen – also Infrastrukturaspekte, umliegende Wind- und Photovoltaik-Anlagen oder potenzielle Abnehmer der Zielprodukte – identifizieren, modellieren und bewerten«, sagt Dr. Sebastian Stießel vom Fraunhofer UMSICHT. »Zusätzlich müssen wir neue Geschäftsmodelle für die Vermarktung von CO2-basierten Produkten, welche wir aus den Abgasen gewinnen, entwickeln und in Einklang mit den vorhandenen Wertschöpfungsketten bringen«, ergänzt Marcel Krogbeumker von Phoenix. Dazu werden im Rahmen des Projektes neue Methoden zur systemischen, multikriteriellen Bewertung erarbeitet. Neben den rein technischen und wirtschaftlichen Punkten gehören dazu auch ökologische, regulatorische, akzeptanzseitige und standortspezifische Aspekte.
Von CO2 zu Olefinen und höheren Alkoholen
All diese Schritte sind in Arbeitspakete gefasst und klar verteilt: Die Ruhr-Universität Bochum und das Leuchtstoffwerk Breitungen konzentrieren sich auf die Katalysatorsynthese und -charakterisierung sowie Upscaling. Fraunhofer UMSICHT widmet sich der thermischen und der Elektrokatalyse und koppelt beide Prozesse. Phoenix schließlich übernimmt Prozessgasanalytik und -bereitstellung sowie – gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut – die Systemintegration.
»Gemeinsam erarbeiten wir einen wirtschaftlichen Weg zur Herstellung von Olefinen und höheren Alkoholen aus dem freigesetzten CO2«, umreißt Dr. Heiko Lohmann vom Fraunhofer UMSICHT die Zielsetzung von CO2-Syn. »Sie spielen als Basischemikalien bzw. alternative Treibstoffe eine wichtige Rolle für die Industrie.« Zum Beispiel ist das Olefin Ethylen ein wichtiger chemischer Baustein zur Herstellung von Kunststoffen wie Polyethylen oder Polystyrol. Die Herstellung von Ethylen erfolgt zurzeit auf Basis von fossilen Rohstoffen wie Erdgas. Auch die höheren Alkohole sind wichtige chemische Wertprodukte. Zum Einsatz kommen sie zum Beispiel als Lösungsmittel und Verdünner für Farben oder als Kraftstoffadditive.
FÖRDERHINWEIS
Das Verbundprojekt »CO2-Syn – Stoffliche CO2-Nutzung aus Zementwerkprozessgasen mit gekoppelten elektrochemischen und thermisch katalysierten Prozessen« wird vom Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen der Maßnahme »Anwendungsorientierte nichtnukleare FuE im 7. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung« im Bereich »Technologien für die CO2-Kreislaufwirtschaft« gefördert.