Innovation in Carbon – Wandel der kohlenstoffreichen Stoff- und Energiewirtschaft zur "Low Carbon Economy"

Der Problemraum

Bis zum Jahr 2050 soll ein tiefgreifender Umbau der Energieversorgung in Europa hin zu einer CO₂-armen Energieversorgung auf der Basis erneuerbarer Energien erfolgen. In Deutschland wird bei dieser »Energiewende« ein besonders hohes Tempo vorgelegt. Aber nicht nur der Energiewirtschaft sind anspruchsvolle Ziele gesetzt. Alle Industrieprozesse sind einbezogen. Europaweit sollen die CO₂-Emissionen der Industrie bis 2050 gegenüber 1990 um mindestens 83 Prozent gesenkt werden (Low Carbon Economy).

Gleichzeitig erfolgt eine ebenso tiefgreifende Umgestaltung der Versorgung der Wirtschaft mit Rohstoffen. Im Fokus stehen die Nachhaltigkeit, die effiziente Nutzung aller Rohstoffe und die Importabhängigkeit. Vor dem Hintergrund der derzeit im Wesentlichen auf Erdöl basierenden Versorgung der chemischen Industrie in Deutschland mit Kohlenstoff ist die Verbreiterung der Rohstoffbasis eine wesentliche Grundlage für die Wettbewerbsfähigkeit des Chemiestandorts Deutschlands.

Intensive Forschungen im Bereich der Stoffumwandlung unter innovativer Nutzung erneuerbarer Energien insbesondere der Energie-Stoff-Transformation haben hohes Potenzial zur Verbesserung bestehender und zur Schaffung neuer Wertschöpfungsketten auf der Basis alternativer Kohlenstoffträger.

Wie bei der Energiewende hat sich Deutschland auch bei der Rohstoffversorgung besonders hohen Zielen verpflichtet. Energieversorgung, Rohstoffgewinnung und Verarbeitungsprozesse sind in existierenden Wertschöpfungszusammenhängen eng miteinander verflochten. Alternativen für einzelne Technologiesegmente reichen nicht aus. Alle wirtschaftlichen und technologischen Zusammenhänge müssen in ihrer Gesamtheit neu bedacht werden, kein Glied der Kette darf in zukunftsfähigen Wertschöpfungskonzepten fehlen.

Kohlenstoff und Metalle stehen in Deutschland und Europa für die bedeutendsten Industriezweige. Kohlenstoff- und Metallwertschöpfungsketten sind zentrale Schlüssel für Low Carbon Economy und Rohstoffeffizienz. Die branchenübergreifende Transformation der zugrundeliegenden Prozessketten ist eine der wichtigsten, wenn nicht die wichtigste industrielle Herausforderung des 21. Jahrhunderts.

INNOVATION IN CARBON stellt sich mit einer breiten Allianz aus Wirtschaft und Wissenschaft dieser Aufgabe.

Die Ziele

Die Energiewende – also die effiziente Nutzung erneuerbarer Energien – und die Rohstoffwende – d. h. die effiziente Nutzung erneuerbarer und sekundärer Rohstoffe – sind zwei bestimmende Facetten der Low Carbon Economy: Erst die stoffliche Nutzung sekundärer Rohstoffe unter Einsatz erneuerbarer Energien ermöglicht die Absenkung der CO₂-Emissionen auf das vorgegebene Maß. Der Begriff sekundäre Rohstoffe umfasst nicht nur biogene Rohstoffe und Kunststoffabfälle, sondern auch alle sekundären, oft metallhaltigen Masseströme, die mit Stofftransformationen und Energieerzeugung assoziiert sind, sowie das CO₂ selbst.

Vor diesem Hintergrund setzt sich INNOVATION IN CARBON folgende technische Ziele:

  • Bereitstellung innovativer Technologien zur Beschränkung des Kohlenstoffeinsatzes in Metallurgie und Basischemie auf unverzichtbare Anwendungen
  • Bereitstellung innovativer Technologien zur Minimierung der CO₂-Emissionen bei der zentralen oder dezentralen Energieversorgung und -speicherung
  • Schaffung eines Technologieportfolios zur optimalen Nutzung von Strom aus regenerativer Erzeugung in verschiedenen Stofftransformationsprozessen der Kohlenstoffwirtschaft und Metallurgie. Die Nutzung in einer dezentralen Infrastruktur soll möglich werden.
  • Entwicklung werthaltiger, innovativer Produkte mit minimalem CO₂-Footprint, bezogen auf den Produktlebenszyklus, in Metallurgie und Kohlenstoffwirtschaft
  • Bereitstellung CO₂-emissionsarmer Produktionsprozesse für Endprodukte, die selbst keinen Kohlenstoff enthalten
  • Schließung von Kohlenstoff- und assoziierten Metallkreisläufen

Neben den sechs technologieorientierten Zielen verfolgt INNOVATION IN CARBON sechs strukturelle und wirtschaftliche Ziele:

  • Verankerung von INNOVATION IN CARBON in den etablierten Strukturen und Entwicklungsplänen der interdisziplinären Innovation
  • Nutzung der Strukturen von INNOVATION IN CARBON zum Aufbau eines attraktiven Patentportfolios
  • Nutzung der Infrastruktur von INNOVATION IN CARBON zur Schließung regionaler Wertschöpfungsketten
  • Weiterentwicklung der Technologieangebote von INNOVATION IN CARBON zur Realisierung regionaler Wachstumspotenziale in Ostdeutschland durch spezifische Transferprojekte
  • Strukturelle Verankerung der wissenschaftlichen Nachwuchsförderung in die Strategie von INNOVATION IN CARBON
  • Hohe Sichtbarkeit des Konsortiums von INNOVATION IN CARBON auf nationalem und internationalem Parkett

Die thematischen Schwerpunkte

Ressourceneffizienz und Flexibilisierung
Trotz der enormen Anstrengungen bei der Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Energiequellen wird die Nutzung fossiler Energiequellen auf europäischer Ebene (knapp 40Prozent) bis über das Jahr 2030 hinaus erforderlich sein. Fossile und regenerative Energien stehen auf absehbare Zeit nebeneinander und müssen sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Für die verbleibende fossile Energieversorgung bedeutet dies, dass sie in vielfältiger Weise technologisch weiterentwickelt werden muss, um den steigenden Anforderungen genügen zu können. Diese Anforderung betrifft CO₂-Emissionsziele, Energieeffizienz, größere Flexibilität bei Lastwechseln und die nachhaltige Verwertung aller mit der Energieversorgung einhergehender, sekundärer Stoffströme. Der spezifische Verbrauch von Kohlenstoff soll durch intelligente Maßnahmen in der energetischen Verfahrenstechnik signifikant abgesenkt werden, ohne dass dabei Wirkungsgradverluste auftreten. Angewandte Forschung im Bereich der Kraftwerkstechnologie allein vermag dieses Ziel nicht zu erreichen. Es bedarf vielmehr erheblicher interdisziplinärer Innovationen, z.B. bei der Entwicklung wirtschaftlicher Speichertechnologien für Strom und Wärme, innovativer Funktionsmaterialien zur Anhebung des Wirkungsgrads und innovativer Konzepte zur Nutzung von Überschussstrom. Zur Wirkungsgradsteigerung ist ferner die Entwicklung einer geeigneten Methode zur Vorbehandlung fossiler Energierohstoffe entscheidend. Die dazu erforderlichen thermischen Prozesse lassen sich gleichzeitig nutzen, um metallurgische Reduktionsmittel mit höherer Effizienz zu entwickeln.

Stoffliche Nutzung gasförmiger Kohlenstoffträger
Die Energie-, Stoff- und Landwirtschaft ist aktuell durch einen erheblichen Zwangsanfall an CO₂ gekennzeichnet. Für die stoffliche Nutzung muss CO₂ aus Abgasströmen oder aus der Luft abgetrennt, gereinigt und gespeichert werden können. Prozesse, bei denen die erforderliche Reaktionswärme für endotherme Reaktionen durch die Verbrennung fossiler Kohlenstoffträger unter CO₂-Produktion erzeugt wird, sollen zunehmend durch allotherme Prozesse substituiert werden, bei denen die Reaktionswärme durch Einkopplung erneuerbarer Energien bereitgestellt wird. Zudem sollen innovative Technologien mit hoher Wertschöpfung entwickelt werden, um CO₂ und H2O durch erneuerbare Energien in höherwertige, energiereiche Kohlenwasserstoffe umzuwandeln. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit geschlossener Kohlenstoffkreisläufe signifikant erhöht. Gleichzeitig werden Alternativen zu Produkten der Erdölchemie geschaffen. Die Verbesserung von CO₂-Bilanz und Wirtschaftlichkeit senkt Markteintrittsbarrieren und schafft neue Wertschöpfungsmöglichkeiten.

CO₂-emissionsarme Stofftransformation
Zur Schaffung neuer Wertschöpfungsketten auf der Basis verschiedenster Kohlenstoffträger sind neue Stoff- und Verfahrenskombinationen mit hohen stofflichen und energetischen Wirkungsgraden zu entwickeln, welche gleichzeitig die Schließung von Kohlenstoff- und assoziierten Metallkreisläufen erlauben. Es werden die Grundlagen für neue Technologien zur Direktnutzung fossiler und biogener Naturstoffe, Nieder- und Hochtemperaturkonversion und Synthese entwickelt. Neue Verfahren der In-situ-Analytik ermöglichen es, die Konversionsprozesse hochselektiv zu steuern. Alle Transformationsprozesse dieses Schwerpunktthemas sollen generell als kompakte Prozessmodule für den dezentralen Einsatz realisierbar sein. Damit werden neue Wertschöpfungsoptionen bei der lokalen Nutzung von Überschussstrom aus regenerativer Erzeugung als auch in den Bereichen Recycling, industrienahe Dienstleistungen und Maschinenbau eröffnet.

Rückverstrombare metallurgische und chemische Energiespeicher
Für das Gelingen der Energiewende ist die Entwicklung innovativer Speichertechnologien mit hohen Kapazitäten erforderlich. Die Vision besteht darin, industriell etablierte Elektrolyse- und Reduktionsprozesse, die weltweit zu den größten Stromverbrauchern zählen, wie z. B. die Aluminium- und die Chlor-Alkali-Elektrolyse, reversibel auszulegen und dadurch metallurgische und chemische Hochleistungsspeicher für erneuerbare Energien zu entwickeln. An 18 Standorten in Deutschland werden derzeit Chlor-Alkali-Elektrolysen betrieben, die einen Stromverbrauch von insgesamt 13 TWh/a aufweisen (das 330-fache der gesamtdeutschen Pumpspeicherkapazität). Der Stromverbrauch der Aluminium-Elektrolysen in Deutschland liegt aktuell bei 7,4 TWh/a. Mit der Umkehr dieser Prozesse könnte grüner Strom im industriellen Maßstab rückverstrombar gespeichert werden. Hierfür sollen durch Entwicklung geeigneter Speicher- und Rückverstromungs-technologien sowie Decarbonisierung der Prozesse die technologischen Grundlagen gelegt werden.

Die Partner

Zum Zeitpunkt der Abgabe des Initialkonzepts besteht das Konsortium INNOVATION IN CARBON aus 53 Wirtschaftsunternehmen und 14 Forschungseinrichtungen.

Siehe auch: http://closed-carbon-cycle.de/initialkonsortium_ursprung.html

Kontakt

TU Bergakademie Freiberg
Institut für Energieverfahrenstechnik
und Chemieingenieurwesen
Fuchsmühlenweg 9, Reiche Zeche
09599 Freiberg Sprecher

Prof. Dr.-Ing. Bernd Meyer
Tel. 03731 39-4510
Fax 03731 39-4555 Stellv. Sprecher

Dr.-Ing. habil. Heiner Gutte
Tel. 03731 39-4498
Fax 03731 39-4555
E-Mail info[at]closed-carbon-cycle.de