Klimaneutrale Rohstoffe mit nachhaltiger Energie herstellen

Kraftstoff aus Wind und Wasser: Porsche und internationale Partner um die chilenische Betreibergesellschaft Highly Innovative Fuels (HIF) produzieren seit Dezember 2022 synthetischem Kraftstoff in der Power-to-X-Pilotanlage Haru Oni in Chile.
Bild: Porsche

Eine von der Dechema herausgegebene Publikation zu CO2-Quellen und deren Integration in Power-to-X-Wertschöpfungsketten befasst sich mit den Möglichkeiten zur Abscheidung und Nutzung von Kohlenstoffdioxid für nachhaltige Produktionswege. Die Technologie ist ein wichtiger Baustein zur Dekarbonisierung der Metallindustrien.

Die Stahlherstellung ist ein energieintensiver industrieller Prozess Prozess und folglich ein CO2- Emittent und potenzielle Kohlenstoffquelle für PtX.
Bild: worldsteel

Stahlindustrie – global Projekte
Bei dem Projekt Carbon2Chem in Deutschland sollen 75 l/d Rohmethanol Rohmethanol aus den Hüttengasen der Hüttengasen des Stahlwerks der thyssenkrupp Steel Europe AG Stahlwerkes in Duisburg hergestellt werden. Die Testphase läuft bis Mai 2024 laufen, danach soll die industrielle Produktion beginnen.
ADNOC hat die CCUS-Anlage in Al-Reyadah 2016 fertiggestellt, mit einer Kapazität zur Abscheidung von 800.000 t CO2 pro Jahr aus einer Produktionsanlage von Emirates Steel in den Vereinigten Arabischen Emiraten. Das Unternehmen plant, die Abscheidungskapazität bis 2030 auf ca. 5 Mio. t pro Jahr bis 2030 zu erweitern.
Ein weiteres Beispiel, ArcelorMittal Gent hat eine Demonstrationsanlage in Betrieb genommen, die täglich etwa 300 kg CO2 aus dem Hochofen abscheidet und in Ethanol umwandelt. Primetals (Mitsubishi Heavy Industries Engineering) hat die Abscheidungstechnologie geliefert und die technischen Studien unterstützt.

Aluminiumindustrie: Potenzial für CO2-Abscheidung
Ein wesentlicher CO2-Emittent und damit Kandidat für CO2-Abscheidung und -Nutzung ist auch die Aluminiumindustrie. Bei der Aluminiumproduktion lassen sich drei Arten von Emissionen identifizieren:
- Etwa 62% sind indirekte Emissionen und entstehen aus der Nutzung von Elektrizität. Diese Emissionen könnten durch die direkte Nutzung von erneuerbarem Strom vermieden Stroms vermieden werden.
- Etwa 15 % sind direkte Prozessemissionen aus den Verbrauch von Kohlenstoffanoden bei der Aluminiumschmelze. Die Verwendung von inerten Anoden ist ist eine Alternative zur Vermeidung dieser Emissionen, obwohl sich diese Technologie noch in der Entwicklung und nicht kommerziell verfügbar ist.
- Etwa 16 % sind direkte Energieemissionen aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen zur Erzeugung der erforderlichen hohen Temperaturen. Die Verwendung von grünem Wasserstoff oder anderer emissionsarmer Brennstoffe könnte zur Verringerung dieser Emissionen beitragen.
Beispiel Hydro Aluminium: Neben dem Recycling von Aluminiumschrott arbeitet der norwegische Aluminiumhersteller an der vollständigen Dekarbonisierung durch die Einführung neuer Technologien wie der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung sowie der Entwicklung einer emissionsfreien Primäraluminiumproduktion.

Rohstoff Kohlendioxid
Kohlendioxid kann als Kohlenstoffquelle für zahlreiche klimafreundliche Produkte dienen, die mit Power-to-X-Technologien (PtX) hergestellt werden. Der Dechema-Bericht „Carbon for Power-to-X – Suitable CO2 sources and integration in PtX value chains“ beschreibt Punktquellen und state-of-the-art Abscheidungsmethoden. Er entstand in Zusammenarbeit mit dem International PtX Hub, der die Entwicklung nachhaltiger Power-to-X- und Wasserstoffmärkte in Ländern wie Marokko, Südafrika und Argentinien unterstützt.

Kohlenstoffbasierte PtX-Routen beruhen auf drei grundlegenden Elementen: Identifizierung der CO₂-Quelle, CO₂-Anreicherung durch eine Abtrennungs- oder Abtrennungsverfahren und die Verwendung von CO₂ zur Erzeugung eines Mehrwertprodukts.
Bild: Dechema

Das PtX-Konzept vereint eine Vielzahl innovativer Technologien
Klimaneutrale Rohstoffe mit nachhaltiger Energie hergestellt – dies verspricht Power-to-X (PtX). Das PtX-Konzept vereint eine Vielzahl innovativer Technologien zum Aufbau von Wertschöpfungsketten, die durch erneuerbare Energien gespeist werden. Aus diesem Grund wird PtX als relevanter Beitrag zur industriellen Energiewende betrachtet. Für viele PtX-Routen wird jedoch Kohlenstoff benötigt, um Materialrohstoffe und Energieträger zu ersetzen, die konventionell auf fossilen Ressourcen basieren.
Kohlenstoffdioxid (CO2) ist eine geeignete Kohlenstoffquelle, da es als Ausgangspunkt für die Herstellung von Kraftstoffen, Polymeren und zahlreiche Basischemikalien dienen kann. In einem aktuellen Bericht, der im Rahmen des International PtX Hub veröffentlicht wurde, identifiziert die Dechema Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie Punktquellen und beschreibt verschiedene Technologien zur CO2-Abscheidung. „Die heutigen Wertschöpfungsketten der am häufigsten verwendeten Produkte sind in hohem Maße von der petrochemischen Industrie geprägt, die Grundchemikalien wie Methanol liefert“, sagt Co-Autorin Luisa López. „Diese auf fossilen Rohstoffen basierenden Moleküle werden derzeit im Megatonnen-Maßstab produziert. PtX ermöglicht es uns, alternative Produktionsrouten für diese wichtigen Verbindungen auf der Basis von CO2 zu schaffen.“

Die Hauptursache für den Anstieg des klimaschädlichen CO₂ sind Verbrennungsprozesse. Kohlenwasserstoffe reagieren mit Sauerstoff und erzeugen CO₂ und Wasser.
Bild: Dechema

Kohlendioxid- heute hauptsächlich Abfallprodukt
Derzeit ist CO2 in vielen Sektoren hauptsächlich ein Abfallprodukt. Weltweit werden etwa 37 Gigatonnen CO2 pro Jahr in die Atmosphäre ausgestoßen. Obwohl Anstrengungen zur Minimierung dieser Emissionen unternommen werden, können die verbleibenden CO2-Ströme als Rohstoff für die PtX-Produktion genutzt werden. Der Bericht zeigt, dass CO2 aus dem Energie- und Industriesektor, aus biogenen Prozessen, Abfällen und Abwässern sowie aus der Atmosphäre gewonnen werden kann. Quellen, die auf fossile Ressourcen zurückzuführen sind, haben zusätzliche Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit, und mögliche Lock-in-Effekte müssen berücksichtigt werden. Daher sind CO2-Quellen mit einem geschlossenen Kohlenstoffkreislauf besser geeignet, um Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. „Biogene Quellen und Direct-Air-Capture (DAC) könnten als nachhaltige CO2-Quellen dienen und stoßen durch einen geschlossenen Kohlenstoffkreislauf auf eine höhere Akzeptanz“, sagt Co-Autor Dr. Chokri Boumrifak. „Biomasse wird jedoch auch in anderen Sektoren stark nachgefragt und ihre Kapazitäten sind begrenzt. DAC, als theoretisch unbegrenzt verfügbare Quelle, erfordert dagegen im Vergleich zu anderen Quellen hohe Energiemengen und die großtechnische Anwendung ist noch sehr kostenintensiv. Daher sollten unvermeidbaren CO2-Emissionen aus dem Industriesektor als zusätzliche Punktquelle berücksichtigt werden.“

Überblick über CO2-Abscheidungsansätze.
Quelle: Dechema

Weit entwickelte Technologien zur Abtrennung und Reinigung von CO2

Weit entwickelte Technologien zur Abtrennung und Reinigung von CO2
Die Publikation 'Carbon for Power-to-X' gibt einen Überblick über Technologien zur Abtrennung und Reinigung von CO2. Diese Technologien sind bereits gut entwickelt, und ihre Anwendung hängt von Faktoren wie der Qualität der Gaszusammensetzung, der Energie- und der Kosteneffizienz ab. Die Amingasbehandlung ist unter allen CO2-Abtrennungsmethoden die ausgereifteste Technologie und wird bereits in großem Umfang kommerziell genutzt. Mehrere andere Trennverfahren, nämlich die kryogene Trennung, die Pressure-Swing-Adsorption, die Vacuum-Pressure-Swing-Adsorption, die Membrantrennung und die Verbrennung mit dem Chemical-Looping-Verfahren, werden bei der Kohlenstoffdioxidabscheidung eingesetzt.
Für Verbrennungsprozesse wird gezeigt, wie die Kohlenstoffabscheidung mit verschiedenen Ansätzen angewendet werden kann. Die einfachste Methode besteht in der direkten Extraktion von CO2 aus dem Abgas. Weitaus fortschrittlicher sind Ansätze, bei denen der Brennstoff entweder durch Vergasung vorbehandelt wird oder mit reinem Sauerstoff verbrannt wird, um CO2 in höherer Reinheit zu gewinnen. Außerdem kann CO₂ direkt aus der Atmosphäre abgeschieden werden.
Das abgeschiedene CO2 kann entweder über bereits bestehende Produktionsrouten oder über neu eingerichtete Prozesse zur Herstellung von Chemikalien genutzt werden. Zu den primären Produktionsrouten mit CO2 als Ausgangsstoff gehören die Methanolsynthese (als Vorprodukt für Kraftstoffe, Polymere, Säuren usw.), Fischer-Tropsch (zur Herstellung von Kraftstoffen, Wachsen, Naphtha und Methan) und Carbonylierungsprozesse (zur Herstellung von Ibuprofen, Acrylglas usw.). Die Anpassung dieser Produktionsrouten an ein PtX-Konzept erfordert neue Technologien zur Umwandlung von CO2 in den jeweiligen Ausgangsstoff. Einer der am weitesten fortgeschrittenen Anwendungsfälle für PtX sind Power-to-Liquid (PtL)-Prozesse zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen wie Kraftstoffen.
Wie CO2 in Zukunft integriert wird, hängt laut Dechema von regulatorischen Aspekten ab, die klären, welche Kohlenstoffquelle als nachhaltig bezeichnet werden kann, sowie von Infrastrukturmaßnahmen, um Kohlenstoff dort bereitzustellen, wo er benötigt wird. Abgesehen von diesen Unwägbarkeiten werde CO2 nach wie vor eine Schlüsselkomponente sein, um PtX-Produkte als Alternative zu Materialien und Kraftstoffen auf fossiler Basis voranzutreiben.
Quelle: Dechema

Literatur
https://dechema.de/-p-20480537-EGOTEC-9e92b4556d8c80b48b939d58642f5b5d/_/CO2-R_03-04-24_f.pdf