Carbon2Chem Vom Abgas zum Rohstoff: Carbon2Chem macht Chemie aus CO2

Autor / Redakteur: Dominik Stephan* / Dominik Stephan

Die Chemikalien der Zukunft entstehen aus Shalegas, Biomasse, Reststoffen und Abgas – Tatsächlich arbeiten weltweit Chemieunternehmen und Institute an der stofflichen Nutzung von CO2 und Co. Läuten Projekte wie Carbon2Chem eine neue Ära der Kreislaufwirtschaft ein?

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Chemie aus Abgasen mit grünem Strom: Sogar Kohlendioxid kann ein Rohstoff sein – und dank intelligenter Laststeuerung auch die Energiewende unterstützen.
Chemie aus Abgasen mit grünem Strom: Sogar Kohlendioxid kann ein Rohstoff sein – und dank intelligenter Laststeuerung auch die Energiewende unterstützen.
(Bild: Grafik: PROCESS / Jennifer Beeger)

Ein klimaneutrales Stahlwerk. Chemie aus Abgas. Innovative Stromspeicher. Das sind die Ziele des Projekts Carbon2Chem, das Hüttengase der Stahlindustrie zur Produktion von Chemikalien nutzen will. Konsequent angewendet, könnten 10 % der deutschen CO2-Emissionen vermieden werden, so Experten.

Als besonders vielversprechend gelten die Synthese von Ammoniak sowie die Methanolsynthese aus CO, CO2 und Wasserstoff. Damit stünden zwei bewährte Basischemikalien zur Verfügung, von denen weltweit mehrere Millionen Tonnen benötigt werden.

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Dabei ist die Vision der 'Chemie aus dem Schornstein' nicht neu: Seit Jahrzehnten arbeiten Forscher an Verfahren zur stofflichen Nutzung des extrem reaktionsträgen Abgas-Moleküls. Es dauerte fast vierzig Jahre, bis 2016 Verfahren wie die Herstellung von PUR-Schäumen mit CO2 (PROCESS berichtete) den Sprung aus dem Labor in die Industrie schafften.

Wo steht die stoffliche Nutzung von CO2? Und welche Rolle spielt ein ganz besonderer Schaum dabei? In diesem Beitrag erfahren Sie mehr:

Jetzt soll das Thyssenkrupp-Stahlwerk in Duisburg zeigen, dass die Abgas-Chemie kein Luftschloss bleiben muss. Der größte Hochofen Europas, die mit 250 Metern höchsten Kamine eines deutschen Stahlwerks und über 75 Millionen Tonnen Roheisen in 20 Betriebsjahren allein eines Ofens unterstreichen den Maßstab des Projekts.

Mit Klein-Klein gibt man sich in Duisburg nicht ab, was die Stahlindustrie in den Augen vieler Experten zum perfekten Kandidaten für die Nutzung von CO2 und Co macht – Immerhin ist die Branche für etwa 51 Millionen Tonnen CO2 im Jahr verantwortlich.

Vom Labor in den Betrieb

2016 begann Thyssenkrupp mit dem Bau eines Technikums, das Ergebnisse aus der Grundlagenforschung im industriellen Maßstab erproben soll. Die Demonstration für Gasreinigung und Wasserelektrolyse im Technikumsmaßstab läßt sich der Konzern 33 Millionen Euro kosten.

Um Dekarbonisierung geht es auch auf der VIK- Jahrestagung 2017 (21.11.) in Berlin. Infos unter www.VIKJahrestagung.de.

„Wenn das Projekt gelingt, wird die CO2-Belastung aus der Stahlerzeugung wesentlich verringert. Gleichzeitig kann Carbon2Chem einen wichtigen Beitrag zur Stabilisierung der Energienetze leisten“, erklärte der TK-Vorstandsvorsitzende Heinrich Hiesinger beim Spatenstich.

Doch auch die Herausforderungen sind gewaltig: Die Hüttengase aus der Stahlherstellung sind kein Reinstoff, sondern ein Gemisch aus Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff nebst verschiedenster Spurenstoffe, deren exakte Zusammensetzung sich laufend ändern kann.

Alles bereit für die Abgas-Chemie?

Kohlenmonoxid und Wasserstoff – das klingt für Chemiker vertraut. Tatsächlich haben Hüttengase große Ähnlichkeit mit klassischen Synthesegasen. Das ist kein Zufall, baute die Ammoniaksynthese ursprünglich wie zahlreiche frühe Chemieverfahren auf der Kohlevergasung auf – ein Prozess, der in Kokereien und Hochöfen quasi nebenbei abläuft.

Ist also alles bereit für die Abgas-Chemie? Nicht ganz: immerhin müssen die Rohgas-Gasströme zunächst gereinigt und im richtigen Verhältnis gemischt werden, woran ein Arbeitsteam unter Führung der Gasspezialisten von Linde arbeitet. Metallurgische Rückstände, die die Katalysatoren „vergiften“ könnten, müssen entfernt werden, was eine kontinuierliche Echtzeit-Analyse und -Steuerung nötig macht.

Stoffliche Nutzung

Bis aus Abgas Ammoniak, Methanol oder andere Chemikalien werden, ist es ein weiter Weg: Zunächst müssten geeignete Reaktionswege und Katalysatoren entwickelt werden, erklärt Dr. Markus Oles, Head of Innovation Strategy & Projects bei Thyssenkrupp. Zwar ist der Großteil der Reaktionen bekannt, die Kombination mit industriellen Abgasen und „grünem“ Wasserstoffs betritt jedoch Neuland.

Und nicht nur das: Bisherige Verfahren sind für einen kontinuierlichen Betrieb rund um die Uhr ausgelegt. Schwankungen bei Temperatur, Druck oder der Gas-Zusammensetzung könnten die empfindlichen Katalysatoren irreparabel schädigen.

Da theoretische eine Vielzahl von Synthesen möglich ist, untersucht der Forschungsverbund auch die Herstellung höherwertiger Alkohole oder des synthetischen Kraftstoffs OME (Oxylmethylenether). Auch die Herstellung von Kunststoffen oder Düngemitteln ist denkbar.

Entsprechend sind die Methanolproduktion, die Synthese von Alkoholen, die Kunstoffsynthese und die OME-Produktion auf vier einzelne Leistungspakete verteilt, die von den beteiligten Chemiekonzernen (Akzo Nobel, Evonik, Covestro und BASF) koordiniert werden.

Wird die Abgas-Chemie zum Puffer der Enrgie-Wende?

Neben Kohlenmonoxid und CO2 ist Wasserstoff die entscheidende Komponente. Zwar besteht das unbehandelte Kokereigas aus bis zu 61 % Wasserstoff, doch reicht dieser Anteil für die vollständige stoffliche Umsetzung nicht aus. Soll das ganze Potenzial von Carbon2Chem genutzt werden, muss zusätzlicher Wasserstoff eingebracht werden.

„Es macht aber keinen Sinn, Emissionen im Stahlwerk einzusparen, nur damit bei der Wasserstoffgewinnung welche auftreten“, so Dr. Oles. Also muss der Wasserstoff per Elektrolyse mit „grünem“ Strom aus regenerativen Energien gewonnen werden – und genau da zeigt sich ein ganz anderes Potenzial des Projektes: „Die Wasserelektrolyse lässt sich gut steuern – es ist daher vorgesehen, das Carbon2Chem sich netzdienlich verhalten soll und hilft, Spannungsspitzen zu glätten“, erklärt Dr. Oles – So wird die Chemie aus dem Schornstein dank intelligenter Laststeuerung zum Puffer der Energiewende.

Flexible Elektrolysezellen und eine geeignete Laststeuerung zu entwickeln ist eine Schlüsselaufgabe des Projektes. Dabei liegt die Federführung dieser Aufgabe bei der Anlagenbau-Sparte von Thyssenkrupp.

Fokus auf Nachhaltigkeit

Als wäre das nicht genug, müssen Gasreingung, Elektrolyse und die Chemikalien-Synthese in bestehende Wertschöpfungsketten eingebunden werden. Das klingt einfach – allerdings sind moderne Stahlwerke hochkomplexe Verbundanlagen, die sich in engen Effizienzrahmen nahe der thermodynamischen Grenze bewegen. Soll Carbon2Chem ein Erfolg werden, dürfen keine Abstriche bei der Stahlherstellung gemacht werden, ist man sich bei Thyssenkrupp sicher.

„Zusätzlich zur Entwicklung von Technologiebausteinen ist die Systemintegration besonders wichtig. Die Produktionen von Chemikalien, Kraftstoffen und Stahl müssen mit enger stofflicher und energetischer Kopplung betrieben werden. Nur so kann zum Beispiel Abwärme effizient genutzt werden“, erklärt Professor Görge Deerberg, stellvertretender Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts Umsicht und Carbon2Chem-Projektkoordinator.

Seit einem Jahr arbeiten die Entwickler daran, Verfahren für Technikumsversuche zu entwickeln. Diese sollen im Pilotmaßstab ihre Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit unter Beweis stellen, bevor der Bau eines Chemiewerks in Angriff genommen wird. Etwa eine Milliarde Euro würde eine solche Anlage kosten, schätzt Oles. Klar, dass kaum ein Unternehmen eine derartige Investition tätigt, ohne dass sich die zugrundeliegenden Prozesse in einer realen Produktionsumgebung bewährt haben.

Vor 2030 ist mit dem klimaneutralen Stahlwerk nicht zu rechen – doch beginnt nicht jeder Weg mit dem ersten Schritt? Und auch dieser erste Schritt kann sich sehen lassen: Zusammen investieren Industrie und öffentliche Hand etwa 180 Millionen Euro in das Projekt, wobei 120 Millionen von den beteiligten Firmen aufgebracht werden und das BMBF das Projekt mit 60 Millionen fördert. In Zukunft, so Oles, soll ein wirtschaftlicher Betrieb auch ohne Förderung nachhaltig und möglich sein.

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