Wie „Power-to-Chemicals“ die Zementindustrie grün machen kann

In der Zementindustrie ist Kohlenstoffdioxid ein unvermeidbares Nebenprodukt: Es entsteht beim Brennen von Calciumcarbonat zu Calciumoxid und wird anschließend freigesetzt. Dadurch trägt die Zementindustrie aktuell zu vier bis acht Prozent der globalen CO2-Emissionen bei.

Um dennoch klimaneutral zu werden, müsste es der Zementindustrie also gelingen, CO2 anderweitig zu nutzen. Gelingen könnte das mit dem Ansatz „Carbon Capture and Utilization“ (CCU). Bei diesem Ansatz wird CO2 aufgefangen und stofflich genutzt – zum Beispiel zur Herstellung von Basischemikalien wie Olefinen und höheren Alkoholen.

Inwieweit das möglich ist, wird derzeit im Verbundprojekt „CO2-Syn“ geprüft. An dem Projekt sind das Fraunhofer UMSICHT, das Leuchtstoffwerk Breitungen, die Phoenix Zementwerke Krogbeumker und die Ruhr-Universität Bochum beteiligt. Sie verfolgen das Konzept „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 – sogenannte Synthesegase – werden anschließend eingesetzt, um mittels weiterer katalytischer Konversionsverfahren die gewünschten chemischen Produkte herzustellen.

„Wir brauchen vergiftungsresistente Katalysatoren“

Die größte Hürde dabei: Das von den Zementwerken freigesetzte CO2 muss für die Weiterverarbeitung aufwendig gereinigt und konditioniert werden. „Zum Beispiel müssen Katalysatorgifte, Staub und andere Störstoffe entfernt werden“, erklärt Kai junge Puring vom Fraunhofer UMSICHT. „Das ist sowohl technisch als auch wirtschaftlich eine Herausforderung.“

Ziel der Projektpartner ist es daher, eine neue, auch von anderen Zementwerken adaptierbare Prozessroute zu schaffen. „Im Idealfall wollen wir die CO2-Abgasströme direkt nutzen, um die Synthesegase mithilfe erneuerbarer Energien und Abwärmequellen herzustellen – ganz ohne aufwendige vorgeschaltete Reinigung und Konditionierung“, sagt Anne Schmidt vom Leuchtstoffwerk Breitungen. „Dafür brauchen wir robuste und vergiftungsresistente Katalysatoren, die sowohl langzeitstabil als auch wirtschaftlich sind.“

In Frage kämen dafür sulfid-, nitrid- und phosphidbasierte 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. „Das wollen wir ändern und streben in den kommenden 36 Monaten den Aufbau eines Prozesses im Labormaßstab an“, erklärt Professor Ulf-Peter Apfel von der Ruhr-Universität Bochum.

Herstellung von Olefinen

Sollte der Prozessaufbau gelingen, müssten dann noch weitere Fragen beantwortet werden. Wie etwa lässt sich das fertige Power-to-Chemicals-Konzept in existierende Strukturen des Zementwerks einbinden? „Um das zu beantworten, müssen wir spezifische Standortbedingungen – also Infrastrukturaspekte, umliegende Wind- und Photovoltaik-Anlagen oder potenzielle Abnehmer der Zielprodukte – identifizieren, modellieren und bewerten“, sagt Sebastian Stießel vom Fraunhofer UMSICHT.

„Zusätzlich müssen wir neue Geschäftsmodelle für die Vermarktung von CO2-basierten Produkten, welche wir aus den Abgasen gewinnen, entwickeln und in Einklang mit den vorhandenen Wertschöpfungsketten bringen“, ergänzt Marcel Krogbeumker von Phoenix. Dazu werden im Rahmen des Projektes neue Methoden zur systemischen, multikriteriellen Bewertung erarbeitet. Neben den rein technischen und wirtschaftlichen Punkten gehören dazu auch ökologische, regulatorische, akzeptanzseitige und standortspezifische Aspekte.

„Gemeinsam erarbeiten wir einen wirtschaftlichen Weg zur Herstellung von Olefinen und höheren Alkoholen aus dem freigesetzten CO2“, umreißt Heiko Lohmann vom Fraunhofer UMSICHT die Zielsetzung von CO2-Syn. „Sie spielen als Basischemikalien bzw. alternative Treibstoffe eine wichtige Rolle für die Industrie.“ Das Olefin Ethylen ist beispielsweise ein wichtiger chemischer Baustein zur Herstellung von Kunststoffen wie Polyethylen oder Polystyrol. Die Herstellung von Ethylen erfolgt zurzeit auf Basis von fossilen Rohstoffen wie Erdgas. Auch die höheren Alkohole sind wichtige chemische Wertprodukte. Zum Einsatz kommen sie zum Beispiel als Lösungsmittel und Verdünner für Farben oder als Kraftstoffadditive.

320°/re