Synthese bald in großem Maßstab 21.02.2022, 07:00 Uhr

Wie aus umweltschädlichen Abgasen grünes Methanol entsteht

Kohlenmonoxid-haltige Abgase sind eine wertvolle Ressource, um Methanol zu synthetisieren. Nach dem erfolgreichen Betrieb einer Demonstrationsanlage wagen Fraunhofer-Ingenieure den Sprung in den Realbetrieb.

Stahlwerk

Kohlenmonoxid aus Stahlwerken ist ein wertvoller Rohstoff für "grünes" Methanol.

Foto: Panthermedia.net/lnzyx

Laut Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz ist Deutschlands Stahlindustrie die Branche mit dem größten Anteil an Treibhausgasemissionen unter allen Firmen. Sie trägt zu rund 30% der industriellen Emissionen und rund 6% der Gesamtemissionen in Deutschland bei. Umso wichtiger sind nachhaltige Strategien, allen voran der Einsatz von Wasserstoff statt Kohlenstoff bei der Reduktion von Eisenerzen. Das kann noch dauern.

Deshalb setzen Ingenieurinnen und Ingenieure am Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) auf eine innovative Strategie. Sie nutzen Hüttengase als Rohstoff für grünes Methanol, einem wichtigen Rohstoff der chemischen Industrie. Was ihr Vorhaben besonders interessant macht: Normalerweise wird Methanol aus Kohle, Erdöl oder Erdgas hergestellt. Das gelingt perspektivisch ohne fossile Rohstoffe.

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Kohlenmonoxid nutzen – und nicht nur abfackeln

Zum Hintergrund: Bei der Stahlgewinnung wird der Hochofen mit Eisenerz, Koks und weiteren Zuschlägen beladen. Bei rund 1.500 Grad Celsius reduziert Kohlenstoff in Gegenwart von eingeblasener Luft das Eisenoxid zu metallischem Eisen. Beim normalen Prozess wird anschließend Luft oder Sauerstoff eingeblasen, um den Kohlenstoffgehalt im Roheisen zu verringern. Das entstehende Kohlendioxid wird zu Heizzwecken eingesetzt oder lediglich abgefackelt.

Hier setzt das Carbon2Chem-Verfahren an. Hüttengase werden genutzt, um grünes Methanol zu erzeugen. Die Bildung von Methanol aus Synthesegas, sprich Kohlenmonoxid und Wasserstoff, ist seit Jahrzehnten bekannt. Nach der Aufreinigung ist Methanol Edukt für die chemische Industrie. Die Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher arbeiten mit grünem Wasserstoff. Das Gas wird also durch die Elektrolyse von Wasser mit regenerativen Energien gewonnen.

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Erfolgreicher Betrieb der Demonstrationsanlage 

Nach ersten Erfolgen im Labormaßstab errichteten die Ingenieurinnen und Ingenieure eine Demonstrationsanlage. „Zunächst lief die Anlage 20 Tage lang auf Basis von Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff, da dies dem Auslegungspunkt der Anlage entspricht“, sagt Andreas Menne. Er ist Leiter der Abteilung Low Carbon Technologies am Fraunhofer UMSICHT. Menne: „Im Anschluss daran haben wir die Zusammensetzung des Feedgases variiert und die Anteile von Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasserstoff an die Zusammensetzung von Hüttengasen angepasst.“ Im Rahmen dieser Versuchsreihe gewannen die Forschenden 1.700 Liter Rohmethanol. Das entspricht nach der Aufreinigung etwa 1.000 Litern Ethanol für Synthesezwecke.

Verschiedene Parameter wie Druck, Temperatur und Katalysatoren haben die Forschenden angepasst. Außerdem wurden Modelle zur mathematischen Simulation des Verfahrens entwickelt. Die Demonstrationsanlage erreichte nach entsprechender Optimierung schließlich auf zwei Liter Methanol pro Stunde. Bereits an der Stelle hatte das Team einige Technologien verwendet, die für spätere Hochskalierungen essenziell sind. Dazu zählen die Kreislaufführung nicht umgesetzter Einsatzgase und die Reaktorkühlung über einen Siedewasserkreislauf.

Versuche unter realen Bedingungen

Fragen blieben dennoch offen. beispielsweise kamen in der Demonstrationsanlage nur gereinigte Flaschengase zum Einsatz. Jetzt geht es darum, die Synthese mit Hüttengasen durchzuführen. Davon erhoffen sich die Forscher weitere Erkenntnisse.

Bei der Hochskalierung sollen auch Daten der Prozesssimulation berücksichtigt werden, und zwar anhand eines „digitalen Zwillings“ der Anlage. Ziel ist an dieser Stelle, zu simulieren, wie Schwankungen verschiedener Parameter den Betrieb beeinflussen könnten. Dazu zählen unter anderem Gasmengenströme und Gaszusammensetzungen. Auch der Katalysator selbst, seine Lebensdauer oder Möglichkeiten der Regeneration sind noch zu evaluieren.

Nach dem Abschluss dieser Testphase im Februar 2022 wird die Anlage am jetzigen Standort in Oberhausen demontiert und in einem Duisburger Stahlwerk aufgebaut. Bis Ende der Projektlaufzeit im Mai 2024 sollen Daten zur Methanolsynthese unter realen Bedingungen gesammelt werden.

Methanol nicht nur aus Hüttengasen

Tim Schulzke vom Fraunhofer UMSICHT hat für Carbon2Chem noch andere Pläne. Als weiterer Projektpartner kommen die GMVA Gemeinschafts-Müll-Verbrennungsanlage Niederrhein GmbH als Teil der REMONDIS Assets & Services GmbH & Co. KG zum Zuge. Hier geht es darum, Rauchgase der Müllverbrennung aufzubereiten. Auch die Kalkbrenner Lhoist Germany Rheinkalk GmbH ist mit im Boot. Sie stellt aus Kalkstein, sprich Calciumcarbonat, gebrannten Kalk (Calciumoxid) her. Bei diesem Schritt werden große Mengen an Kohlendioxid freigesetzt. Zusammen mit grünem Wasserstoff aus der Elektrolyse entsteht daraus ebenfalls Methanol.

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Von Michael van den Heuvel

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