CO₂-Syn: CO₂-Emissionen der Zementindustrie stofflich nutzen

Ziel der Projektpartner ist die nachhaltige Nutzung CO₂-haltiger Abgase aus der Zementindustrie. Konkret soll eine neuartige Prozesskette entstehen, um die Synthese von Olefinen und höheren Alkoholen aus Kohlendioxid-Prozessgasen zu ermöglichen. Der eingeschlagene Lösungsweg 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 genannte Synthesegase – werden anschließend eingesetzt, um mittels weiterer katalytischer Konversionsverfahren die gewünschten chemischen Produkte herzustellen.

Da das von den Zementwerken freigesetzte CO₂ für die Weiterverarbeitung aufwendig gereinigt und konditioniert werden muss, liegt ein Schwerpunkt des Projektes auf der Entwicklung neuer Katalysatormaterialien. Konkret arbeiten die Forschenden mit sulfid-, nitrid- und phosphidbasierten 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.

In der Zementindustrie ist Kohlenstoffdioxid ein unvermeidbares Nebenprodukt: Es entsteht beim Brennen von Calciumcarbonat zu Calciumoxid und wird anschließend freigesetzt. Mit einer globalen Produktion von vier Milliarden Tonnen Zement ist die Branche momentan für ca. vier bis acht Prozent der globalen CO₂-Emissionen verantwortlich. Bei der Herstellung einer Tonne Zementklinker werden beispielsweise etwa 0,8 Tonnen CO₂ ausgestoßen.

Um diese Emissionen zu senken, werden zurzeit verschiedene Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz durchgeführt und fossile durch alternative Brennstoffe ersetzt. Angestrebt wird auch, den Anteil des Zementklinkers – und damit den des Calciumoxids – im Zement durch andere Stoffe zu reduzieren. Eine weitere Option, die bislang kaum betrachtet wurde, ist Carbon Capture and Utilization (CCU) – also das Auffangen und die Nutzung von CO₂ als Rohstoff zur Herstellung chemischer Wertprodukte wie Basischemikalien, Treibstoffe, Düngemittel oder Kunststoffe. Ein Lösungsweg für CCU ist das im Projekt CO₂-Syn angestrebte Power-to-Chemicals-Konzept. 

Im April 2023 zogen die Projektpartner eine positive Zwischenbilanz: So ist es ihnen u.a. gelungen, aussichtsreiche Katalysatoren für die Umsetzung des von Zementwerken freigesetzten Kohlenstoffdioxids zu identifizieren und ihre Testung unter Realbedingungen vorzubereiten.

Über 20 potenzielle Katalysatoren konnten die Forschenden des Leuchtstoffwerkes und der Ruhr-Universität Bochum synthetisieren und dem Fraunhofer UMSICHT zur Verfügung stellen. Dort wurden bereits erste Tests durchgeführt und aussichtsreiche Muster identifiziert. Jetzt beginnen die Katalysatortests für die Synthesegaskonversion zu Olefinen und höheren Alkoholen unter anwendungsnahen Prozessbedingungen.

Parallel fand beim Zementwerk Phoenix eine umfassende Analyse des Standorts statt. Sie bildet die Grundlage für die experimentelle und systemische Betrachtung der elektro- und thermokatalytischen Prozesse. Dazu gehören sowohl experimentelle Untersuchungen zum Einfluss der Gasmatrix in den katalytischen Prozessen als auch Überlegungen zur Integration der Prozesskette aus Elektrolyse und Thermokatalyse in den Anlagenverbund des Zementwerks.

• Ruhr-Universität Bochum
• Leuchtstoffwerk Breitungen GmbH
• Phoenix Zementwerke Krogbeumker GmbH & Co.KG

Das Projekt »CO₂-Syn – Stoffliche CO₂-Nutzung aus Zementwerkprozessgasen mit gekoppelten elektrochemischen und thermisch katalysierten Prozessen« wird im Rahmen der Fördermaßnahme »Anwendungsorientierte nichtnukleare FuE im 7. Energierahmenforschungsprogramm der Bundesregierung« im Förderbereich »Technologien der CO₂-Kreislaufwirtschaft« des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klima gefördert.