Carbon2Chem® Phase 2

Die deutschen Stahlwerke sind für ca. 6% der deutschen CO₂-Emissionen verantwortlich. Unter dem Sammelbegriff „Hüttengase“ gefasst, entstehen in verschiedenen Teilschritten der Stahlherstellung große Mengen an Prozessgasen, welche reich an Wasserstoff und Kohlenoxiden sind (CO₂ und CO). Aktuell werden Hüttengase vor allem thermisch, also zur Strom- und Wärmegewinnung genutzt. Im BMBF‑geförderten Projekt Carbon2Chem® untersuchen Partner aus Industrie und Forschung verschiedene Szenarien, um diese Hüttengase stofflich zu nutzen und den Kohlenstoffkreislauf zu schließen.

Im Teilprojekt L-II untersucht das Fraunhofer ISE die Methanolsynthese aus Hüttengasen. Damit werden zwei wesentliche Bausteine der Energiesystemwende demonstriert: Senkung der Emissionen und Sektorenkopplung. 

Das Fraunhofer ISE arbeitet im Rahmen des Teilprojekts L-II an folgenden Aspekten:

• Demonstration der Methanolsynthese aus gereinigten Hüttengasen im Technikumsmaßstab
• Optimierung der Katalysatorlebensdauer
• Modellierung, Hochskalierung und Kostenschätzung der Umsetzung im Industriemaßstab
• Lebenszyklusanalyse (Life Cycle Assessment, LCA)

Zur Demonstration im Technikumsmaßstab hat das ISE eine Miniplant ausgelegt, gebaut und in Betrieb genommen. Zunächst wurde im eigenen Labor in Freiburg der zuverlässige Rund-um-die-Uhr-Betrieb nachgewiesen. Anschließend erfolgte der Umzug ins Technikum in direkter Nachbarschaft zum Stahlwerk der thyssenkrupp Steel in Duisburg. Dort wurde die Anlage mit gereinigten Hüttengasen versorgt. Zum weltweit ersten Mal konnte ein Dauerbetrieb der Methanolsynthese aus gereinigtem Hochofengas in einer Miniplant demonstriert werden. In den insgesamt 6.300 Betriebsstunden wurden ca. 1.500 Liter Rohmethanol produziert.

Auf der Basis dieser Versuche laufen Auswertungen, um die maximale Lebensdauer des Katalysators unter diesen veränderten Voraussetzungen hervorsagen zu können. Der verwendete Katalysator aus den Dauerversuchen liefert wertvolle Erkenntnisse über die Funktionsweise des Verfahrens und der Gasreinigung.

Parallel zum Anlagenbetrieb wurde ein digitaler Zwilling der Miniplant erstellt. Damit ließen sich Computersimulationen der Tests durchführen. Nach erfolgreicher Modellvalidierung konnte der digitale Zwilling optimierte Parameter für seinen materiellen Zwilling liefern, womit sich die Suche nach den Betriebspunkten mit der höchstmöglichen Produktausbeute sehr beschleunigte.

Dieses Modell kann nun auch dazu verwendet werden, das Verfahren in den industriell relevanten Bereich hochzuskalieren. In Zusammenarbeit mit den anderen Projektpartnern werden dann Anlagenfließbilder erstellt und Verfahrensvarianten gegeneinander abgewogen. Eine Anlagenkostenschätzung ermöglicht anschließend erste Hochrechnungen der Produktkosten und liefert die Basis für eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung.

Eine Lebenszyklusanalyse betrachtet alle eingehenden und ausgehenden Ströme und erlaubt eine Aussage darüber, welchen CO₂-Fußabdruck das Produkt Methanol aus Hüttengasen mit sich bringt. Das ISE übernimmt an dieser Stelle die Berechnung des Referenzfalls, also der Berechnung des Fußabdrucks eines fossil hergestellten Methanols.