Carbon2Chem ist ein von thyssenkrupp zusammen mit Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft und der Max-Planck-Gesellschaft koordiniertes Großprojekt mit 15 weiteren Partnern aus Forschung und Industrie. Die Technologie kann, wenn sie großtechnisch umgesetzt wird, rund 20 Millionen Tonnen der jährlichen CO2 Emissionen der deutschen Stahlbranche wirtschaftlich verwertbar machen. Zum Vergleich: Das Umweltbundesamt hat für Deutschland im Jahr 2017 einen Gesamtausstoß von CO2 in Höhe von circa 800 Millionen Tonnen berechnet. Die neue Technologie ist auch in anderen CO2-intensiven Industrien einsetzbar.
Hüttengase als Rohstoff für Chemikalien
Hüttengas enthält unter anderem Wasserstoff und Stickstoff. Kohlenstoff kommt darin ebenfalls in großen Mengen vor: 44 Prozent Stickstoff, 23 Prozent Kohlenstoffmonoxid, 21 Prozent Kohlendioxid, 10 Prozent Wasserstoff und zwei Prozent Methan. Diese Gase bilden die Basis für zahlreiche chemische Produkte.
Aus Stickstoff und Wasserstoff lässt sich Ammoniak herstellen. Aus Ammoniak wiederum wird Mineraldünger, die Voraussetzung für die Ernährung eines Großteils der Weltbevölkerung. Das so genannte Haber-Bosch Verfahren hierfür gibt es schon seit 1910.
Kohlenstoff, also Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, sowie Wasserstoff sind die Grundlage für Methanol. Mit Methanol können Autos fahren, Flugzeuge fliegen oder weitere Chemikalien erzeugt werden. Auch hier ist das Herstellungsverfahren schon seit dem frühen 20. Jahrhundert bekannt.
Methanol wiederum ist eine der meisthergestellten organischen Chemikalien. Heute wird der Großteil in einem Prozess hergestellt, der mit 50 bis 100 bar Druck und 200 bis 300 Grad Celsius arbeitet. Auch hier verwendet man metallische Katalysatoren, um die chemische Reaktion zu beschleunigen. Der für die Methanolherstellung nötige Kohlenstoff muss derzeit überwiegend aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas gewonnen werden.
Kohlenstoff ist ein Grundstoff für die Chemie. Das gilt auch für Kohlendioxid. Die Chemieproduktion kann einen großen Teil des CO2 nutzen. Das klimaschädliche Gas wird so nicht mehr in die Luft abgegeben.
Kohlendioxid ist ein unvermeidliches Nebenprodukt der Roheisenerzeugung. Chemisch gesehen ist das Stahl-Ausgangsmaterial Eisenerz ein Eisenoxid, also eine Verbindung aus Eisen und Sauerstoff. Um daraus Eisen zu gewinnen, müssen die beiden Bestandteile voneinander getrennt werden. Dafür braucht man Kohlenstoff: Er verbindet sich mit dem Sauerstoff zu Kohlenmonoxid und schließlich zu Kohlendioxid. Das Eisen wird frei.
Moderne Hochöfen arbeiten an der so genannten thermodynamischen Grenze. Das bedeutet, dass eine weitere Verringerung des Kohlenstoffeinsatzes bei der Roheisenerzeugung ohne tief greifende technologische Veränderungen nicht möglich ist.
Das Konzept von Carbon2Chem basiert darauf, dass Hüttengase wertvolle chemische Elemente enthalten, darunter Kohlenstoff in Gestalt von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid (CO2), Stickstoff und Wasserstoff. Damit eignen sie sich für die Produktion von kohlen- und wasserstoffhaltigem so genanntem Synthesegas, einem Vorprodukt, aus dem unterschiedliche Chemikalien hergestellt werden können. Beispiele sind neben Ammoniak und Methanol Kunststoffe oder höhere Alkohole. Synthesegase werden in der Chemie bisher aus fossilen Energieträgern wie Erdgas oder Kohle gewonnen. Carbon2Chem wandelt nicht nur das in den Stahlwerksemissionen enthaltene CO2 um, sondern
spart auch das CO2 ein, das bisher beim Erzeugen von Synthesegas aus fossilen Kohlenstoffträgern entsteht.
spart auch das CO2 ein, das bisher beim Erzeugen von Synthesegas aus fossilen Kohlenstoffträgern entsteht.
Vom Konzept in die Praxis
Auf Basis dieser Zielsetzung fand die erste Ammoniakproduktion im Carbon2Chem Technikum in Duisburg statt. In der Pilotanlage werden die Laborergebnisse unter industriellen Praxisbedingungen mit Hüttengasen aus dem Regelbetrieb des Stahlwerks erprobt. Diese Arbeiten bilden die Grundlage für eine Überführung in den großtechnischen Maßstab. thyssenkrupp hat 33,8 Millionen Euro in das Technikum investiert und erhält 8,5 Millionen Euro Förderung vom BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) für Ausstattung und Nutzung.
„Unser Carbon2Chem-Konzept hat damit gezeigt, dass es möglich ist, Hüttengase für die Produktion verschiedener Chemikalien zu nutzen und so den Kohlenstoff im Kreislauf zu fahren“, erläuterte Reinhold Achatz, Technologiechef von thyssenkrupp. „Unser Ziel ist der großindustrielle Einsatz der Technologie.“
An Carbon2Chem besteht hohes Interesse, auch außerhalb von Europa. Weltweit gibt es über 50 Stahlwerke, auf die die in Duisburg entwickelte Lösung 1:1 sofort übertragen werden könnte. Außerdem führt thyssenkrupp bereits Gespräche mit Interessenten aus verschiedenen Regionen, wie die Technologie auch auf andere CO2-intensive Branchen übertragen werden kann.