Carbon2Chem^® – Baustein für den Klimaschutz

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Carbon2Chem^® bildet einen zentralen Baustein für den Klimaschutz in der Industrie. Eine Verbesserung beim Klimaschutz erfordert neben der Reduzierung der CO₂-Emissionen auch eine Verringerung bzw. Vermeidung des Einsatzes fossiler Rohstoffe. Umfangreiche Anstrengungen der Industrie drosseln deren Energiebedarf und den Ausstoß klimaschädigender Gase stetig. Doch teilweise sind thermodynamische und wirtschaftliche Grenzen bei den Prozessen erreicht. Neue innovative Verfahren sind in der Regel für den großtechnischen Einsatz noch nicht verfügbar.

Cross-industrielle Netzwerke bieten an dieser Stelle für die energie- und emissionsintensiven Industriebranchen die Möglichkeit, einen nachhaltigen Beitrag zu leisten. Das Verbundprojekt Carbon2Chem^® will Prozessgase der Industrie, beispielsweise die Hüttengase der Stahlproduktion, als wertvolle Kohlenstoffquelle für die chemische Industrie erschließen. 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).

Ziel

In der chemischen Industrie soll das unvermeidbare und prozessbedingt entstehende Kohlendioxid aus anderen Industriezweigen, unter Verwendung erneuerbarer Energien, perspektivisch die fossilen Rohstoffe ersetzen. Hierfür wird ein cross-industrielles Produktionsnetzwerk aus Grundstoffindustrie, chemischer Industrie und Energiewirtschaft aufgebaut. Die Prozessgase aus Stahl-, Zement- und Kalkindustrie sowie der thermischen Abfallbehandlung dienen als Ausgangsstoff für die Produktion von synthetischen Kraftstoffen, Kunststoffen und weiteren Basischemikalien. Der modulare Bausteinansatz zur CO₂-Nutzung innerhalb cross-industrieller Netzwerke ermöglicht die Verbindung von Klimaschutz und Wettbewerbsfähigkeit für große Industriestandorte in Deutschland und anderen Teilen der Welt.

Während der ersten Projektlaufzeit von Carbon2Chem^® (Juni 2016 bis Mai 2020) lag der Schwerpunkt auf der Entwicklung und Erforschung von geeigneten Verfahren. Im Fokus der Betrachtung standen die technische Machbarkeit sowie der Nachweis der Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit. Die zweite Phase von Carbon2Chem^® dient der Validierung der entwickelten Verfahren für die großtechnische Umsetzung und soll die Grundlage für eine emissionsarme Grundstoffindustrie legen. Dafür hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bis 2024 weitere 75 Millionen Euro zur Verfügung gestellt. Die beteiligten Partner investieren zusätzlich mehr als 100 Millionen Euro bis 2025.

Dabei stellt sich das Verbundprojekt auch der Herausforderung einer Betrachtung der volkswirtschaftlichen Dimension einer solchen Transformation, wie zum Beispiel der Erhalt von Arbeitsplätzen gesichert und gleichzeitig ein Beitrag zur Klimaneutralität auch für andere CO₂-intensive Industrien wie Zement- und Kalkwerke sowie thermischen Abfallbehandlungsanlagen geleistet werden kann.

Meilensteine

Mit den erreichten Meilensteinen in den einzelnen Leitprojekten in der ersten Phase von Carbon2Chem^® (Juni 2016 bis Mai 2020) wurden Grundlagen und Voraussetzungen für die zweite Phase geschaffen, die von Juni 2020 bis Mai 2024 läuft. Es wurde u. a. auf dem Campus des Fraunhofer UMSICHT ein projekteigenes Laborgebäude mit 500 m² Laborfläche und 30 Büroarbeitsplätzen bereitgestellt. Hier findet die Entwicklung von Verfahren zur Gasreinigung unter Verwendung von definierten Gasen sowie zur Produktion von Methanol und höheren Alkoholen statt, welche dann im eigens dafür gebauten Technikum mit Realgasen weiteren Tests unterzogen werden. Das Technikum hat eine Fläche von 3 700 m² und liegt direkt neben dem Werksgelände der thyssenkrupp Steel Europe AG in Duisburg.

Während der zweiten Projektphase liegt der Fokus sowohl im Labor als auch im Technikum auf den Langzeitversuchen. Die technischen Verfahren sollen weiter validiert und für die Industrialisierung ab 2025 hochskaliert werden.

Auch in der zweiten Phase wird sich das Teilprojekt L-III »Synthesegas« intensiv mit der Zusammensetzung, Reinigung und Aufbereitung der Hüttengase am thyssenkrupp-Standort in Duisburg sowie weiteren Prozessgasen beschäftigen. Dies ist der Ausgangspunkt für die Teilprojekte L-II, L-III, L-IV und L-V, die sich mit den unterschiedlichen Produktpfaden, Methanol, Harnstoff, höhere Alkoholen und Polymeren beschäftigen. Neu hinzugekommen ist das Teilprojekt L-I »CO₂-Quellen und Infrastruktur«. Es befasst sich mit dem Transfer der Carbon2Chem^®-Technologie auf verschiedene industrielle CO₂-Punktquellen wie Kalkwerke, thermische Abfallbehandlungsanlagen und Zementwerke sowie den Veränderungen in der Stahlindustrie. Weiterhin steht im Fokus, wie eine geeignete Infrastruktur für Wasserstoff und Kohlendioxid bei großen Carbon Capture and Utilization (CCU) Lösungen aussehen kann.

Schließlich werden die Einzelbausteine in einem optimierten, kohärenten Anlagenverbund durch das übergreifende Teilprojektprojekt L-0 »Systemintegration« zusammengeführt. Für diese Systemintegration werden Simulationsrechnungen durchgeführt und Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit sowie Nachhaltigkeit durchgeführt.

Ebenfalls neu hinzugekommen ist das Teilprojekt L-KK »Koordination und Kommunikation«, das die Koordination des Gesamtprojekts sowie die Kommunikation innerhalb des Konsortiums sowie nach außen unterstützt. Die Gesamtkoordination des Verbundprojekts obliegt der thyssenkrupp AG, dem Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion sowie dem Fraunhofer UMSICHT. Zusätzlich sollen im Teilprojekt L-KK Vorschläge für den regulatorischen Rahmen für eine klimaneutrale Industrie bis 2045 erarbeitet werden.