Carbon2Chem Wissenschaft, Industrie und Politik ziehen bei der Abgas-Chemie an einem Strang

Redakteur: Dominik Stephan

Es geht um 20 Millionen Tonnen CO2 – diese Menge des Klimagases pusten alleine Deutschlands Stahlwerke Jahr für Jahr in die Atmosphäre. Entsprechend groß sehen Experten das Potenzial der stofflichen Nutzung von Abgasen. Kann das Mammutprojekt Schornsteinchemie gelingen? Die Carbon2Chem-Konferenz macht sich für Zusammenarbeit zwischen den Akteuren stark.

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Kommt die Chemie aus dem Schornstein? Angeregte Diskussionen auf der Carbon2Chem-Konferenz in Düsseldorf.
Kommt die Chemie aus dem Schornstein? Angeregte Diskussionen auf der Carbon2Chem-Konferenz in Düsseldorf.
(Bild: PROCESS)

Düsseldorf; Würzburg – Du lebst nur zweimal – was James Bond kann, soll der Chemie nur billig sein. Ausgerechnet dem Klimakiller-Abgas CO2 soll ein „zweites Leben“ eingehaucht werden – als Rohstoff für Polymere, Dünger, Chemikalien oder synthetischen Kraftstoff.

Carbon2Chem heißt das Projekt, das die stoffliche Nutzung von Abgasen erforscht. Im Zentrum des Interesses stehen dabei die sogenannten Hüttengase, Abgase aus dem Hochofenprozess im Stahlwerk. Diese ähneln in ihrer Zusammensetzung klassischen Synthesegasen der Chemie und ermöglichen eine Vielzahl von Reaktionswegen, hoffen die Forscher. Außerdem ist das Potenzial beträchtlich: Alleine die konsequente Anwendung in der deutschen Stahlindustrie könnte helfen, bis zu 20 Millionen Tonnen CO2 einzusparen – das entspräche satten 10 % der deutschen CO2-Emissionen.

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Entsprechend hoffnungsfroh geben sich die Beteiligten von Forschung über die Industrie bis hin zur Politik: „Carbon2Chem kann sich zu einem Modell für ganz Deutschland entwickeln und hat das Potenzial, auch international ein Erfolgskonzept zu werden“, war sich Dr. Beate Wieland, Leiterin der Abteilung für Forschung und Technologie im Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes NRW, sicher.

1. Konferenz zur nachhaltigen chemischen Konversion in der Industrie

Vom Abgas zum Rohstoff – diese Vision ist keinesfalls neu. Und trotzdem bekommt das Thema durch Projekte wie Carbon2Chem erhebliche Dynamik. Während in Duisburg schon eifrig an der ersten Technikumsanlage zur Nutzung sogenannter Hüttengase aus Stahlwerken geschraubt wird, trafen sich die Köpfe hinter der CO2-Chemie in Düsseldorf zur ersten Konferenz zur stofflichen Konversion der chemischen Industrie – und die hatte es in sich.

Hinter dem sperrigen Namen verbirgt sich ein Klassentreffen der besonderen Art: Vom Stahlwerk über das Who-is-Who der Chemie und führende Forschungsinstitute reicht die „Mitgliederliste“ des Carbon2Chem-Netzwerks. Geballtes Knowhow in Sachen Betrieb, Forschung und Verfahren also. Beste Voraussetzungen, sollte man meinen.

Doch machte das Carbon2Chem-Spitzentreffen auch deutlich, wie schwierig der Transformationsprozess wird. Und welche Rahmenbedingungen die stoffliche Nutzung von CO2 überhaupt erst zum erhofften Nachhaltigkeitsturbo machen. „Entscheidend für Projekte, die große Probleme adressieren, ist die Zusammenarbeit zwischen wissenschaftlicher Grundlagenforschung und industrieller Anwendung“, erklärte Prof. Ferdi Schlüth vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mühlheim, Ruhr.

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Für seinen Kollegen Prof. Georg Rosenfeld von der Fraunhofer-Gesellschaft München ist die Dekarbonisierung, oder besser die Entkopplung der Wortschöpfung von der Nutzung fossiler Kohlenstoffquellen, der zweite wesentliche Transformationsprozess der Gegenwart – auf einer Stufe mit der Digitalisierung. Doch während diese durch die technische Dynamik getrieben in aller Munde ist und immense Chancen in kurzer Zeit verspricht, sei die Dekarbonisierung ein gesellschaftlicher Prozess, der die materielle Basis der globalen Wirtschaft direkt betreffe und erhebliche Transferkosten verursache, erklärte Rosenfeld.

Vorreiter-Rolle bei der Entwicklung

Besonders die Rohstoff- und energieintensiven Branchen Chemie, Stahl und Zement müssten in diesen Prozessen eine Vorreiter-Rolle bei der Entwicklung einnehmen, erklärte der Forscher in Düsseldorf. Natürlich sei es besser, Emissionen, wo möglich, zu vermeiden. Aber die stoffliche Verwertung sei immer noch eine wesentliche Alternative zur Einlagerung in CCS-Verfahren, findet der Spezialist. Vom Produktkreislauf zum Kohlenstoffkreislauf sollte die industrielle Wertschöpfung der Zukunft auf ‚Closed Carbon Cycles‘ aufbauen. Der Forschung komme dabei die Rolle zu, neue Systemarchitekturen von der Quelle bis zu Produkt-Welten zu entwickeln.

Doch nicht nur die Chancen, auch die Herausforderungen sind gewaltig: Wie soll das extrem reaktionsträge CO2 ermuntert werden, vielfältige chemische Bindungen einzugehen? Wie kann mit der schwankenden Zusammensetzung der Hüttengase und dem extrem hohen Stickstoff-Anteil umgegangen werden? Welche Rolle spielt der Wasserstoff in den Plänen der Forscher? Und kann die Energiewende überhaupt genug „grünen“ Strom bereitstellen, um die Vision von der nachhaltigen Schlotchemie Realität werden zu lassen?

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Denn ausgerechnet der könnte zum Bottleneck der stofflichen Abgasverwertung werden, fürchten die Experten. Für die Synthese von Methanol, höheren Alkoholen oder synthetischen Kraftstoffzusätzen werden große Mengen des Gases benötigt. Zwar besteht z.B. unbehandeltes Kokereigas aus bis zu 61 % Wasserstoff, doch reicht dieser Anteil für die vollständige stoffliche Umsetzung nicht aus.

Soll Carbon2Chem nicht auf halber Strecke die Luft ausgehen, ist zusätzlicher Wasserstoff nötig. Zwar kann dieser leicht und in großen Mengen zum Beispiel im Dampfreformer hergestellt werden – doch soll das Verfahren zur Emissionsminderung beitragen, kommt nur nachhaltiger Wasserstoff in Betracht. Das heißt, solcher der mit Elektrolyseverfahren aus „grünem“ Strom hergestellt wird.

Herausforderung Energie

Bringt also das Plastik-aus-Abgas durch die Hintertür die Renaissance der Elektrochemie? Und woher soll eigentlich all die nachhaltige Energie kommen? Immerhin benötigt die Aktivierung von 17 Millionen Tonnen CO2 satte 440 TWh elektrische Energie – eine gigantische Menge, führt man sich vor Augen, dass die Bundesregierung für 2050 mit etwa 1000 TWh installierter Leistung kalkuliert. Kommen zusätzliche Verbraucher wie durch den Ausbau der Elektromobilität hinzu, wird klar, welche Herausforderung Forschung, Industrie und Gesellschaft erwartet.

Zumal auch Branchen wie Chemie oder Stahlindustrie bereits einen Bedarf an 2000 TWh erneuerbarer Energie für 2050 angemeldet haben. „Es zeichnet sich ab, dass wir nicht genügend Strom ohne signifikanten CO2-Footprint zur Verfügung haben“, erklärte Andreas Frey, Entwicklungsingenieur beim Gasspezialisten Linde. Der R&D-Experte plädiert daher für einen Paradigmenwechsel beim Stromverbrauch, weg von der Stromerzeugung bei Bedarf hin zu einem an das fluktuierende Angebot angepassten flexiblen Verbrauch mit Laststeuerung – aber passt diese Vision wirklich zur Chemie mit ihren kontinuierlichen Produktionsprozessen im Mega-Maßstab?

Moderne Anlagen, ob Stahlwerke oder Chemieparks, sind hochkomplexe Verbundstrukturen, die sich häufig entlang sorgfältiger ausbalancierter Optimalbedingungen bewegen, gab Karen Perrey von Covestro zu bedenken. Die Materialspezialisten der ehemaligen BMS sind schon einen Schritt weiter und haben eine 2016 erste Produktionsanlage in Betrieb genommen, die CO2 zur Herstellung von PUR-Schäumen nutzt. Zwar besteht nur etwa 20 % des fertigen Kunststoffs aus dem Klimakiller-Gas und mit 5000 Jahrestonnen ist auch die Kapazität der vollmundig „Dream Production“ getauften Anlage überschaubar – aber dennoch zeigen die Werkstoff-Experten eindrücklich, dass die Chemie aus dem Schornstein kein Traum bleiben muss, sondern schon jetzt echte, kommerzielle Produktion möglich ist.

„Die Politik kann nur den Maßstab vorgeben, aber nicht gestalten oder Akzeptanz schaffen“, erklärte Ministerialdirektor Dr. Karl-Eugen Huthmacher vom Bundesministerium für Wirtschaft und Forschung. Zwar sei es erklärte Ziel der Förderung, Übergänge einzuleiten, und regulatorisch zu begleiten, doch jetzt seien Forschung und industrielle Entwicklung gefragt. Nach Klärung der grundsätzlichen Machbarkeit ginge es nun darum, Geschäftsmodelle für die technische Umsetzung zu entwickeln, war auch Prof. Schlüth sicher. Und das schnell.

Große Hoffnungen setzen die am Projekt beteiligten Firmen und Institute daher in das neue Technikum, dass Thyssenkrupp-Spezialisten derzeit am Stahlwerk Duisburg aufbauen. Die Multi-Millionen-Euro-Anlage im Pilotmaßstab soll im Frühjahr 2018 mit den Versuchen beginnen.

Was zu tun ist...

Dabei gehe es zunächst darum, im Labor entwickelte Reaktionen in Prozesse für die industrielle Nutzung anzupassen, erklärte Dr. Markus Oles, TKs Head of Innovation Strategy & Projects. Dafür veranschlage er etwa zwei Jahre. Zwei weitere wären nötig, um diese mit „echten“ Stahlwerksabgasen auf Herz- und Nieren zu erproben. Eine Produktionsanlage im Industrie-Maßstab aus dem Boden zu stampfen, würde etwa eine Milliarde Euro verschlingen, nimmt Oles an. Schwer vorstellbar, dass sich ein möglicher Investor für dieses Risiko erwärmt, solange die zugrundeliegende Verfahren sich nicht im Langzeit-Test bewährt haben.

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Es wird also noch Jahre dauern, bevor die erste Chemie-Anlage im Stahlwerk an den Schornstein angeschlossen wird, fürchten Experten. Bis dahin gibt es entsprechend viel zu tun für die insgesamt sieben Teilprojekt-Arbeitsgruppen. Egal ob bei Fragen der Systemintegration, der Wasserstoff-Elektrolyse, der nachhaltigen Produktion von Methanol, bei der Gasreinigung, höheren Alkoholen, der Polymersynthese oder der Synthese von OME als Kraftstoff-Additiv – es gibt viel zu tun. Und große Hürden zu nehmen, wie in Düsseldorf deutlich wurde.

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Plattformchemikalien sollen zum Sprungbrett werden

Eine entscheidende Rolle bei der stofflichen Nutzung industrieller Abgase sollen – neben synthetischen Kraftstoffzusätzen wie OME (Poly-Oxymethylenether) – die sogenannten Plattformchemikalien spielen – also Basis-Rohstoffe wie Methanol, an dessen Produktion eine Arbeitsgruppe unter Leitung von Akzo Nobel arbeitet. Immerhin ließen sich dabei einige bekannte Syntheseprozesse auf Syngas-Basis aufgrund der großen Ähnlichkeit der Hüttengase adaptieren, hoffen die Forscher, auch wenn Ihnen der hohe Stickstoff-Anteil im Abgas Kopfzerbrechen bereitet.

Ganz auf CO2 verlassen will sich der Spezialchemie-Konzern aus Amsterdam aber nicht: Parallel zu Carbon2Chem arbeiten die Holländer an der Syngas-Erzeugung aus Abfällen. Das Projekt Waste-to-Chemicals unter Federführung von Akzo Nobel hat 14 Partner zusammengebracht, um in den Niederlanden eine Anlage zur stofflichen Nutzung von Hausmüll zu erproben.

Auch in diesem Fall erfolgt zunächst die Konversion in eine Art Synthesegas mittels eines Verfahrens, dass die kanadische Firma Enerkem entwickelt hat. Bis 2022, hofft man, könnte eine Demonstrationsanlage in Betrieb gehen. Eine erste Produktion würde, wenn alles gut geht, bis etwa 2025 folgen, geben sich die Holländer optimistisch.

Bei höherwertigen Alkoholen – einer möglichen Syntheseroute aus CO2 an denen eine Arbeitsgruppe unter Leitung des Spezialchemiekonzerns Evonik forscht – könnte eine direkte Vermarktung sogar zu Marktverwerfungen führen, befürchten die Forscher. Entsprechend müssten diese Verbindungen direkt weiter verarbeite werden, um die relativ kleinen Märkte nicht zu überfluten. Bis dahin sei aber noch viel Arbeit in Sachen Katalysatorentwicklung zu leisten. Man konzentriere sich deshalb auf höherwertige Produkte mit einem niedrigen Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis, erklärte Dr. Dorit Wolf.

Bleibt ein Wunderstoff, der auch in der Autoindustrie für Aufsehen sorgt: Poly-Oxymethylenether. Diese Oligomere können, eine bestimmte Kettenlänge vorausgesetzt, Dieselkraftstoff zugemischt werden (bis zu einer Konzentration von 15 %). Das kann nicht nur helfen, die CO2-Bilanz zu verbessern, sondern sorgt auch noch für sauberere Abgase: Da im Kraftstoffmolekül keine direkten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, wohl aber ein hoher Sauerstoff-Anteil, vorkommen, verbrennen OME nahezu rußfrei auch in herkömmlichen Motoren – ein Umrüstung des Motors oder Fahrzeugs ist nicht nötig. Das hilft Motorenentwicklern, sich auf die Reduktion unerwünschter Stickoxide zu konzentrieren.

Superdiesel aus dem Auspuff

Hergestellt wird dieser Superdiesel meist in einer mehrschrittigen Umwandlung aus Methanol über eine Reaktion zu Formaldehyd, wobei als Nebenprodukt Dimethylether entsteht. Auch kann nicht jedes OME verwendet werden: Lediglich Moleküle mit drei bis fünf CH2O-Gruppen kommen als Dieseladditiv in Frage. Der Rest wird wieder dem Reaktor zugeführt und umgewandelt. Jetzt suchen die Forscher nach einem direkten Reaktionsweg von Methanol und Formaldehyd zu OME. Dabei macht bei Carbon2Chem vor allem im Abgas enthaltenes Wasser Probleme, da es mit dem Formaldehyd reagiert. Aber ist eine Wasserfreie Reaktion möglich? Denkbar wäre auch eine Synthese aus Dimethylether. Außerdem bleibt das Problem der enormen Prozessabwärme…

Außerdem darf die Abgas-Chemie natürlich nicht die Fertigungsprozesse beeinträchtigen, wie in Düsseldorf schnell klar wurde. Weder wollen Stahlwerksbetreiber wie Thyssenkrupp zu Chemikalienherstellern werden, noch dürfe man die Probleme die sich aus den entstehenden Abhängigkeiten ergeben, vernachlässigen. „Wer zahlt die Zeche?“ wie ein Teilnehmer der Konferenz provokant fragte.

So dürfte die Sektorkopplung neben der Katalysatorentwicklung und der Systemintegration zur entscheidenden Herausforderung für Carbon2Chem werden. Dazu kommen externe Rahmenbedingung wie die Verfügbarkeit ausreichender Menge emissionsarmer Energie oder die Berücksichtigung der stofflichen Verwertung von CO2 im Emissionshandel. Viel Arbeit also, bevor die Chemie auch im Schornstein endlich stimmt.

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