Kohlenstoffkreislauf

Verbundprojekt

Verbundprojekt Carbon2Chem®

Verbundprojekt Carbon2Chem®

Wir führen den Kohlenstoff im Kreislauf – ein kurzer Satz, der aber das Projekt Carbon2Chem® klar umschreibt. Eine Verbesserung beim Klimaschutz erfordert neben der Reduzierung der CO2-Emissionen auch eine Verringerung beim Einsatz 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 Hüttengase, die bei der Stahlproduktion anfallen, als wertvolle Rohstoffquelle für die chemische Industrie erschließen. Das Vorhaben wird gemeinsam von 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

Unter Verwendung erneuerbarer Energie sollen unvermeidbare Kohlendioxid-Emissionen aus der Stahlindustrie perspektivisch fossile Rohstoffe in der chemischen Industrie ersetzen. Hierfür wird ein cross-industrielles Produktionsnetzwerk aus Stahlindustrie, chemischer Industrie und Energiewirtschaft aufgebaut. Bisher energetisch genutzte Prozessgase der Hütte dienen als Ausgangsstoff für die Produktion von synthetischen Kraftstoffen, Kunststoffen und weiteren Basischemikalien. Der modulare Ansatz zur CO2-Nutzung innerhalb cross-industrieller Netzwerke ermöglicht die Verbindung von Klimaschutz und Wettbewerbsfähigkeit für große Industriestandorte in Deutschland und anderen Teilen der Welt.

Meilensteine

Im Teilprojekt »Systemintegration« wird an der Konzeption und Gestaltung des cross-industriellen Produktionsnetzwerkes sowie der Identifikation geeigneter Technologiemodule gearbeitet. Die Integration der erforderlichen Technologiemodule in ein cross-industrielles Netzwerk mit der Hütte ist hierbei eine Kernaufgabe. Eine wesentliche Herausforderung ist die Bereitstellung eines Synthesegases mit gleichbleibender Qualität für die chemische Produktion.

Ein zentrales Element ist die Simulation des geplanten Gesamtsystems, um wesentliche Aspekte der Produktauswahl, der Prozesslogistik und der Prozesssteuerung planen zu können. Basierend auf den Simulationsergebnissen werden sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch die Nachhaltigkeit des Gesamtsystems bewertet. Gleichzeitig ermöglicht die Simulation Rückschlüsse für die Arbeiten in den weiteren Teilprojekten.

Die Aufgabe der Teilprojekte zu möglichen Chemieprodukten ist die Anpassung bzw. Entwicklung der erforderlichen Technologiemodule für das Produktionsnetzwerk. Den Partner stehen für das gemeinsame Arbeiten das projekteigene Labor am Standort in Oberhausen sowie das projekteigene Technikum in Duisburg zur Verfügung. Während die Arbeiten im Labor mit definierten Gasgemischen erfolgen, können die Arbeiten in Technikum mit Realgasen aus dem Stahlwerk durchgeführt werden. Ein wichtiger Schritt für die spätere Umsetzung.

Ein weiterer wichtiger Baustein ist die Bereitstellung des erforderlichen Wasserstoffs für die chemischen Prozesse, dies wird ebenfalls in einem eigenen Carbon2Chem®-Teilprojekt untersucht. Im Fokus steht hierbei die Herstellung von Wasserstoff durch Wasserelektrolyse mittels volatiler erneuerbarer Energien. Hierzu werden eine größere Anlage im Technikum sowie mehrere kleine Teststände betrieben.

Fraunhofer UMSICHT entwickelt im Rahmen von Carbon2Chem® Technologien und Systemlösungen zur Gasreinigung, aber auch zur katalytischen Herstellung von Methanol und höheren Alkoholen sowie für die Kraftstoffherstellung – jeweils angepasst an die Verwendung aufbereiteter Hüttengase. Außerdem hat das Institut eine zentrale Rolle bei dem Aufbau der Simulationsplattform und der Entwicklung geeigneter Prozesskonzepte im Rahmen des Teilprojekts »Systemintegration«.

Teilprojekte

 

Teilprojekt

Systemintegration

Die Prozess-und Anlagensimulation ermöglicht die Beschreibung des Zusammenwirkens von verschiedenen industriellen Anlagen in einem Anlagenverbund als »cross-industrielles Netzwerk« sowie die Analyse ihres dynamischen Systemverhaltens.

 

Teilprojekt

Wasserelektrolyse im nicht-stationären Betrieb

Die Erforschung einer dynamischen Wasserelektrolyse unter Berücksichtigung des variierenden Angebots an Hüttengasen sowie fluktuierendem, erneuerbarem Strom stellt den Kern dieses Teilprojekts dar.

 

Teilprojekt

Nachhaltige Methanolproduktion

Um Methanol wirtschaftlich aus Hüttengas herstellen zu können, muss der konventionelle Katalysator auf den Prüfstand. Auch das gängige Verfahren bedarf einer Anpassung.

 

Teilprojekt

Gasreinigung

Unterschiedliche Gasnutzungsoptionen erfordern eine angepasste Reinigungsprozesskette für die Rohgase. Die Verfahrensschritte werden im Pilotmaßstab mit Realgaseinsatz adaptiert, erprobt und optimiert. Innovative Verfahrensansätze werden im Labormaßstab untersucht.

 

Teilprojekt

Höhere Alkohole

Entwicklung eines Prozesses zur Nutzung von Kuppelgasen aus einem Stahlwerk für die Herstellung von C2+-Alkoholen, die als Treibstoffe und chemische Zwischenprodukte eingesetzt werden.

 

Teilprojekt

Carbon2Polymers

Kunststoffe werden meist auf Basis fossiler Rohstoffe wie Erdöl hergestellt. Sie liefern das hierfür essenzielle Element Kohlenstoff. Doch es gibt Alternativen: Ein Konsortium zeigt sie auf.

 

Teilprojekt

Oxymethylenether

Oxymethylenether sind eine neue Klasse sauerstoffhaltiger Verbindungen, die in Diesel-und Otto-Kraftstoffen eingesetzt werden könnten, um die derzeit noch verwendeten fossilen Kohlenwasserstoffe in diesen Kraftstoffen abzulösen.