Emissionen als Business Case: Neues KIT-Verfahren macht CO₂ zum Rohstoff
Eine Gießerei in Singen testet, wie sich ihr eigenes CO₂ in festen Kohlenstoff verwandeln lässt. Dafür setzt sie auf ein neuartiges Verfahren des KIT.
Die NECOC-Versuchsanlage am Karlsruher Institut für Technologie: In der Mitte ist der Ofen mit dem Flüssigmetall-Blasensäulenreaktor zu erkennen, in dem Methan durch über 1000 °C heißes Zinn in Kohlenstoff und Wasserstoff gespalten wird.
Foto: Markus Breig/KIT
CO₂-Abscheidung ist inzwischen ein alter Hut. Spannend wird es danach: Soll man das aufgefangene Klimagas unterirdisch verpressen, wie es CCS-Verfahren vorsehen? Dafür braucht es neue Pipelines und Speicherstätten. Oder soll man es in E-Fuels und SAF umwandeln (CCU), wie es Unternehmen wie Thyssenkrupp seit langem versuchen? Dann konkurriert der Treibstoff mit fossilen Kraftstoffen – und die sind auf absehbare Zeit deutlich billiger.
Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beschreiten seit 2020 einen dritten Weg: Sie verwandeln das CO₂ in festen Kohlenstoff, der in der Industrie eingesetzt werden kann. Das Verfahren heißt NECOC – No Emissions through converting Carbon Dioxide to Carbon. Jetzt starten die ersten Praxistests in einer Gießerei im baden-württembergischen Singen, die Achs- und Bremskomponenten für Autos fertigt.
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So funktioniert der NECOC-Prozess
„Wir scheiden das CO₂ ab, aber es ist keine Abscheidetechnologie“, erklärt Benjamin Dietrich vom Institut für Thermische Verfahrenstechnik des KIT gegenüber Ingenieur.de. „Das Interessante ist das, was nach der Abscheidung passiert: die Überführung von CO₂ in festen Kohlenstoff und dessen Nutzung als Wertstoff.“
Das Verfahren kombiniert drei bekannte Prozesse zu einer neuen Prozesskette.
- Im ersten Schritt wird CO₂ aus dem Abgas einer Industrieanlage abgeschieden und konzentriert.
- Anschließend reagiert es in einer Methanisierung mit Wasserstoff zu Methan (CH₄) und Wasser (die sogenannte Sabatier-Reaktion).
- Das Methan wird dann in einen Blasensäulenreaktor eingespeist, der mit flüssigem Zinn gefüllt ist. In dieser über 1000 °C heißen Metallschmelze wird das Methan thermisch in Wasserstoff und pulverförmigen Kohlenstoff gespalten. Im Fachjargon heißt dieser Vorgang Methanpyrolyse.
Wasserstoff als Zwischenprodukt
Unternehmen wie das französische Start-up Sakowin oder die Berliner Graforce GmbH forschen schon lange an der Methanpyrolyse. Diese tun dies aber in erster Linie mit speziellen Reaktoren, und ihr vorrangiges Ziel ist die Wasserstoffproduktion.
NECOC dreht die Logik der H2-Produktion um: der Kohlenstoff ist hier kein Neben-, sondern das Zielprodukt. Der Wasserstoff wird hingegen recycelt, indem er zurück in die Methanisierung fließt.
Der größte Unterschied der vom KIT konzipierten Prozesskette ist jedoch der Ausgangsstoff: Es ist nicht reines Methan, sondern eben CO₂ aus einem Abgasstrom. Entsprechend breit ist das Anwendungsspektrum.
Ein Aquarium aus flüssigem Zinn
Wie genau wird das Methan in seine Bestandteile zerlegt? Das Verfahren wurde vom Karlsruher Flüssigmetalllabor KALLA am Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) entwickelt. Thomas Wetzel, Professor am Institut für Thermische Verfahrenstechnik und Leiter des KALLA, beschreibt den Vorgang so:
Wir düsen Methan in einen Blasensäulenreaktor, in dem flüssiges Zinn enthalten ist. Darin steigt das Methan in Form kleiner Blasen auf – ähnlich wie in einem Aquarium. Der Kohlenstoff lagert sich an der Innenwand der Bläschen ab, die oben zerplatzen. Weil Zinn deutlich schwerer ist als Kohlenstoff, schwimmt der feste Kohlenstoff automatisch auf und wird so vom Metall getrennt.
Warum Zinn?
Nicht jedes Flüssigmetall eignet sich für diesen Blasensäulenreaktor. Die Karlsruher Forscher haben verschiedene Kandidaten getestet, von denen alle außer Zinn ausscheiden. Blei etwa bildet mit dem Kohlenstoff Carbide, die das Metallbad nach und nach zersetzen. Zinn hingegen ist chemisch inert gegenüber Kohlenstoff und Wasserstoff. Zudem schmilzt es schon bei 232 ° C und lässt sich vergleichsweise einfach handhaben.
Ein umgedrehtes Kohlekraftwerk
Wie viel Energie das NECOC-Verfahren pro Tonne Kohlenstoff benötigt, können die Forscher noch nicht abschätzen. Aktuell untersuchen sie die Wirkungsgrade der drei Prozessschritte. Konkrete Zahlen ließen sich erst nennen, wenn die Simulationen abgeschlossen sind.
Doch die Logik ist klar. „Es ist im Grunde ein umgedrehtes Kohlekraftwerk: Die Energie, die bei der Verbrennung frei wird, müssen wir wieder aufwenden. Aber es ist kein Verfahren zur Energie-, sondern zur Stoffgewinnung“, erklärt Projektkoordinator Benjamin Dietrich.
Grundsätzlich lasse sich das Verfahren flexibel betreiben; also mit Strom aus PV- oder Windkraft, Wasserstoff jeder Couleur und Abgasen aus fast jeder erdenklichen Quelle. Statt Industrieabgasen wäre auch der Einsatz von Biogas denkbar, betont Wetzel: Dies mache den Prozess sogar klimapositiv, erzeuge also negative Emissionen. Denn wenn das biogene CO₂ einmal als Pulver vorliegt und verarbeitet wird, verschwindet es dauerhaft aus der Atmosphäre.
Wie sich der Kohlenstoff nutzen lässt
Das Kohlenstoffpulver ist theoretisch vielseitig einsetzbar:
- In der süddeutschen Gießerei soll es fossil hergestellten Koks im Kupolofen ersetzen. Ähnliche Use Cases wären auch in anderen metallurgischen Betrieben denkbar.
- In der Batterieforschung zeigen erste Tests laut den Forschern vielversprechende Ergebnisse als Elektrodenmaterial.
- In langlebigen Baustoffen könnte das Pulver als Zusatzstoff die Materialeigenschaften verbessern.
Doch die Anforderungen unterscheiden sich je nach Anwendung erheblich.
- Für Batterien wäre hochreiner Kohlenstoff mit definierter Kristallstruktur nötig.
- Baustoffe sind anspruchsloser, aber niederpreisiger und erfordern eine spezielle Zertifizierung.
- Für den Einsatz als Koksersatz stellt sich eine praktische Frage. Das NECOC-Verfahren liefert feines Pulver, im Kupolofen werden aber große Brocken benötigt. Ob sich das Pulver so aufbereiten lässt, dass es in puncto Reaktivität und Festigkeit mit herkömmlichem Koks mithalten kann, ist noch offen.
„Kohlenstoff aus CO₂ ist ein neuer Grundstoff, der in immer größerem Ausmaß zur Verfügung stehen wird“, so Wetzel. „Nichts ist besser, als neue Anwendungsideen zu entdecken, an die wir heute noch gar nicht denken.“ Welche am besten funktionieren, wollen die Karlsruher in den kommenden drei Jahren untersuchen.
Mehr als CO₂-Vermeidung
Warum sollten Betriebe das NECOC-Verfahren nutzen? Die naheliegendste Antwort liegt in der Vermeidung von CO₂-Emissionen. Denn die werden immer teurer: Kostenlose Zertifikate für energieintensive Branchen laufen bis 2034 schrittweise aus. Gleichzeitig zeigen Studien, dass selbst bei Umsetzung aller Dekarbonisierungsmaßnahmen im Jahr 2045 noch 48 bis 76 Mio. t CO₂ als unvermeidbare Restemissionen in Deutschland anfallen werden. Klassische Beispiele sind die Zementproduktion oder eben die Gusseisenherstellung, wo Koks nicht nur als Brennstoff, sondern auch für die metallurgischen Prozesse unverzichtbar ist.
Auf diese Restemissionen zielen die Experten des KIT. Es gehe darum, aus der CO₂-Vermeidung einen Business Case zu machen, betont Wetzel: „Das Ziel ist, dass der Kohlenstoff als Ersatzstoff für teure Materialien einen Beitrag zur Kostendeckung erbringt und nicht nur Kosten verursacht.“ Zudem könnten emissionsintensive Unternehmen ihren Kunden so zeigen, „dass sie etwas in der Pipeline haben, womit sie tatsächlich klimaneutral werden können.“
Und was kommt als nächstes?
„Wir sind auf einem guten Weg“, resümiert Dietrich mit Blick auf den Zeitplan. „Ende 2028 sollen die Konzepte für eine Pilotanlage vorliegen. Dann braucht es weitere zwei bis drei Jahre, um einen Piloten hinzustellen, der zeigt, dass man auch deutlich größere Teile des Abgasstroms verarbeiten kann.“ Im ersten Schritt peilt das Team bis zu 20 % an.
Der Autozulieferer in Singen habe dabei Modellcharakter, erklärt Dietrich: „Wir bauen die Prozesskette am Beispiel der Gießerei auf, aber so, dass sie auch auf weitere Industriezweige übertragbar ist.“ Beispielsweise sei auch der Einsatz in einer Müllverbrennungsanlage (MVA) denkbar. Zwar habe die einen ganz anderen Abgasstrom, doch das müsse kein Problem sein: „Entscheidend ist zu erkennen, welche Nebenprodukte in einer Prozesskette entstehen und wie wir darauf reagieren.“ Zudem erzeugen viele MVAs ihren eigenen Strom, was sie für Verfahren wie NECOC besonders interessant mache.
Das Land Baden-Württemberg fördert das Projekt nun für weitere drei Jahre mit rund 1,4 Mio. €. Den Förderbescheid übergab Wirtschaftsministerin Nicole Hoffmeister-Kraut (CDU) Ende März in Stuttgart. Dabei sagte sie, NECOC zeige, wie CCUS-Technologie zum „Aushängeschild“ des Industrielands Baden-Württemberg werden könne. Eine interessante Perspektive für das Ländle, das eigentlich für seine emissionsintensive Industrie berühmt ist: Technologien, die Emissionen aus der Luft filtern, um daraus Neues zu bauen.
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