CO₂-Emissionen gelten seit Jahrzehnten als eines der größten Probleme für Klima, Umwelt und Industrie. Vor allem energieintensive Branchen wie Stahl, Gusseisen, Zement oder Müllverbrennung verursachen große Mengen Kohlendioxid, die bisher meist direkt in die Atmosphäre gelangen. Doch genau hier setzt eine neue Technologie des Karlsruher Instituts für Technologie, kurz KIT, an. Statt CO₂ lediglich zu vermeiden oder unterirdisch zu speichern, soll das Treibhausgas künftig als industrieller Rohstoff genutzt werden.
CO₂-Emissionen als industrieller Rohstoff: Wie das NECOC-Verfahren die Industrie verändert
Im Mittelpunkt steht das sogenannte NECOC-Verfahren. Hinter der Abkürzung steckt „No Emissions through converting CarbOn dioxide to Carbon“. Die Idee dahinter klingt fast revolutionär: CO₂-Emissionen werden aufgefangen, chemisch umgewandelt und am Ende als fester Kohlenstoff wieder in industriellen Prozessen eingesetzt. Damit wird aus einem klimaschädlichen Abgas ein wertvoller Rohstoff.
Besonders spannend ist, dass diese Technologie jetzt erstmals im industriellen Maßstab getestet werden soll. Gemeinsam mit Partnern aus der Wirtschaft entwickelt das KIT eine Anlage für ein Gusseisenwerk in Baden-Württemberg. Das Land unterstützt das Projekt mit rund 1,4 Millionen Euro.
- Das KIT entwickelt das NECOC-Verfahren weiter.
- CO₂-Emissionen sollen in festen Kohlenstoff umgewandelt werden.
- Die Technologie wird erstmals in einem Gusseisenwerk getestet.
- Baden-Württemberg fördert das Projekt mit rund 1,4 Millionen Euro.
Warum CO₂-Emissionen als industrieller Rohstoff so wichtig sind
Bisher gibt es grundsätzlich drei Wege, um mit CO₂-Emissionen umzugehen:
- Emissionen vermeiden
- CO₂ speichern, zum Beispiel unterirdisch
- CO₂ weiterverwenden
Der dritte Weg wird international als Carbon Capture and Utilization, kurz CCU, bezeichnet. Dabei wird Kohlendioxid aus Industrieabgasen oder direkt aus der Luft abgeschieden und anschließend für neue Produkte genutzt. Genau in diesen Bereich fällt das NECOC-Verfahren.
Die Bedeutung ist enorm. Viele industrielle Prozesse lassen sich heute nicht vollständig ohne CO₂ durchführen. In der Gusseisenproduktion entsteht Kohlendioxid beispielsweise durch den Einsatz von Koks. Dieser wird nicht nur als Brennstoff genutzt, sondern ist auch ein wichtiger Bestandteil der Metallverarbeitung. Selbst wenn die Anlagen effizienter werden, bleiben bestimmte Emissionen technisch kaum vermeidbar.
Deshalb gilt die Nutzung von CO₂-Emissionen als industrieller Rohstoff für viele Fachleute als entscheidender Baustein auf dem Weg zur klimaneutralen Industrie.
Welche Branchen besonders betroffen sind
Vor allem folgende Industriezweige verursachen hohe und oft unvermeidbare CO₂-Emissionen:
- Gusseisen- und Stahlindustrie
- Zement- und Baustoffindustrie
- Müllverbrennung
- Chemische Industrie
- Energieerzeugung mit fossilen Brennstoffen
Gerade diese Branchen suchen derzeit intensiv nach Lösungen, um ihre Emissionen zu senken und gleichzeitig wirtschaftlich konkurrenzfähig zu bleiben.
Viele Industrieprozesse können aktuell nicht vollständig ohne CO₂ betrieben werden. Wenn sich CO₂-Emissionen als industrieller Rohstoff nutzen lassen, sinken Emissionen, Rohstoffkosten und die Abhängigkeit von fossilen Materialien.
Wie funktioniert das NECOC-Verfahren?
Das NECOC-Verfahren besteht aus mehreren Schritten. Ziel ist es, aus Kohlendioxid festen Kohlenstoff herzustellen. Dieser Kohlenstoff kann anschließend in industriellen Prozessen erneut eingesetzt werden.
Schritt 1: CO₂ aus den Abgasen abtrennen
Zunächst werden die CO₂-Emissionen direkt aus den Abgasen einer Industrieanlage herausgefiltert. In einem Gusseisenwerk stammen diese Emissionen vor allem aus dem Hochofen.
Das Kohlendioxid wird gesammelt und konzentriert. Dadurch entsteht ein möglichst reines CO₂-Gas, das anschließend weiterverarbeitet werden kann.
Schritt 2: CO₂ und Wasserstoff werden zu Methan
Im nächsten Schritt wird das Kohlendioxid mit Wasserstoff verbunden. Dabei entsteht Methan. Dieser Vorgang ist chemisch bekannt als Sabatier-Reaktion.
Die Reaktion hat einen wichtigen Vorteil: Methan lässt sich leichter weiterverarbeiten als reines Kohlendioxid.
Schritt 3: Methan wird in flüssigem Zinn gespalten
Nun kommt die eigentliche Besonderheit des NECOC-Verfahrens. Das erzeugte Methan wird durch flüssiges Zinn geleitet. Dabei herrschen sehr hohe Temperaturen.
In dieser Umgebung zerfällt das Methan in zwei Bestandteile:
- Wasserstoff
- Fester Kohlenstoff
Der Wasserstoff wird im Verfahren erneut genutzt. Der feste Kohlenstoff bleibt als feines, hochreines Pulver zurück.
Genau dieser Kohlenstoff ist der eigentliche industrielle Rohstoff. Er kann fossile Materialien wie Koks ersetzen oder in anderen Produkten eingesetzt werden.
Warum flüssiges Zinn verwendet wird
Flüssiges Zinn eignet sich besonders gut für die sogenannte Methanpyrolyse. Unter Pyrolyse versteht man die thermische Spaltung eines Stoffes ohne Sauerstoff. Das flüssige Metall sorgt dafür, dass die Reaktion gleichmäßig und effizient abläuft.
Ein weiterer Vorteil: Der entstehende Kohlenstoff lagert sich nicht direkt an den Wänden der Anlage ab, sondern kann leichter entnommen werden.
Aus CO₂ entsteht zunächst Methan. Anschließend wird das Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff zerlegt. Der Kohlenstoff wird wieder als Rohstoff eingesetzt. Dadurch schließt sich der Kohlenstoffkreislauf.
Praxisbeispiel: Einsatz in einem Gusseisenwerk
Besonders konkret wird das Projekt in der Gusseisenindustrie. Gemeinsam mit der FONDIUM Singen GmbH plant das KIT die erste großtechnische Anwendung des Verfahrens.
In Gießereien wird Koks benötigt, um hohe Temperaturen zu erreichen und bestimmte metallurgische Prozesse zu ermöglichen. Der Nachteil: Beim Einsatz von Koks entstehen große Mengen CO₂.
Genau hier setzt NECOC an. Die Abgase aus dem Ofen werden aufgefangen. Das enthaltene CO₂ wird in der Anlage verarbeitet und am Ende entsteht neuer Kohlenstoff. Dieser Kohlenstoff kann wiederum einen Teil des bisher verwendeten Kokses ersetzen.
Damit entsteht ein nahezu geschlossener Kreislauf:
- Koks wird im Ofen genutzt
- Dabei entsteht CO₂
- Das CO₂ wird aufgefangen
- Aus dem CO₂ entsteht neuer Kohlenstoff
- Der Kohlenstoff ersetzt erneut fossilen Koks
Für die Industrie bedeutet das nicht nur weniger Emissionen, sondern langfristig auch eine geringere Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen.
Warum Singen als Standort ausgewählt wurde
Der Standort Singen in Baden-Württemberg ist für das Projekt besonders geeignet. Dort werden Achs- und Bremskomponenten für die Automobilindustrie hergestellt. Die Prozesse verursachen hohe und technisch schwer vermeidbare CO₂-Emissionen.
Wenn die Technologie hier erfolgreich funktioniert, könnte sie später auch in vielen anderen Werken eingesetzt werden.
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Welche Vorteile bietet das NECOC-Verfahren?
Die Idee, CO₂-Emissionen als industrieller Rohstoff zu nutzen, bringt mehrere Vorteile mit sich.
1. Weniger Treibhausgase
Der offensichtlichste Vorteil ist die Reduzierung von Emissionen. Kohlendioxid gelangt nicht mehr ungenutzt in die Atmosphäre, sondern wird direkt wiederverwertet.
2. Rohstoffe werden eingespart
Der gewonnene Kohlenstoff kann fossile Rohstoffe ersetzen. Das betrifft vor allem Koks, der bisher aus Kohle hergestellt wird.
3. Geschlossene Kohlenstoffkreisläufe
Ein zentrales Ziel moderner Industrie ist die Kreislaufwirtschaft. Dabei sollen Rohstoffe möglichst lange im System bleiben. Das NECOC-Verfahren bringt dieses Prinzip erstmals in energieintensive Industrien.
4. Nutzung verschiedener Energiequellen
Die Technologie ist vergleichsweise flexibel. Sie kann mit unterschiedlichen Energiequellen betrieben werden. Dazu zählen:
- Elektrischer Strom
- Wärme
- Wasserstoff
- Biogas
- Erdgas
Gerade die geplante Nutzung von Biogas oder klimaneutralem Erdgas macht das Verfahren für viele Standorte interessant.
5. Neue wirtschaftliche Chancen
Der produzierte Kohlenstoff kann nicht nur in der Gießerei eingesetzt werden. Er könnte künftig auch in anderen Branchen verkauft werden. Dadurch entstehen neue Märkte und zusätzliche Einnahmequellen.
- Für Industrieunternehmen mit hohen CO₂-Emissionen
- Für Politik und Klimaschutz
- Für Regionen mit vielen Arbeitsplätzen in der Industrie
- Für Unternehmen, die Kohlenstoff als Rohstoff benötigen
Wo könnte der gewonnene Kohlenstoff künftig eingesetzt werden?
Die Forschenden am KIT sehen deutlich mehr Möglichkeiten als nur den Einsatz in Gusseisenwerken.
Kohlenstoff für Batterien
Erste Untersuchungen zeigen, dass sich der erzeugte Kohlenstoff möglicherweise als Elektrodenmaterial für Batterien eignet. Gerade bei modernen Energiespeichern steigt die Nachfrage nach geeigneten Kohlenstoffmaterialien.
Wenn sich diese Anwendung durchsetzt, könnte aus CO₂ langfristig sogar ein wichtiger Bestandteil von Batterien für Elektroautos oder stationäre Energiespeicher werden.
Kohlenstoff in Baustoffen
Auch die Bauindustrie sucht nach klimafreundlichen Lösungen. Der feste Kohlenstoff könnte in Beton, Zement oder anderen Baustoffen eingesetzt werden. Dadurch würden Materialien robuster und gleichzeitig klimafreundlicher.
Nutzung in der chemischen Industrie
Viele chemische Produkte basieren auf Kohlenstoff. Kunststoffe, Farben oder Spezialchemikalien benötigen große Mengen an Kohlenstoffverbindungen. Statt fossiler Rohstoffe könnte künftig CO₂-basierter Kohlenstoff verwendet werden.
Welche Herausforderungen gibt es noch?
So vielversprechend das Verfahren klingt, ganz ohne Probleme funktioniert es noch nicht. Es gibt mehrere technische, wirtschaftliche und politische Herausforderungen.
Hoher Energiebedarf
Wie alle CCU-Verfahren benötigt auch NECOC viel Energie. Vor allem die hohen Temperaturen für die Methanpyrolyse verbrauchen große Mengen Strom oder Wärme.
Damit das Verfahren wirklich klimafreundlich ist, muss diese Energie möglichst aus erneuerbaren Quellen stammen. Wenn stattdessen fossiler Strom eingesetzt wird, sinkt der Klimaeffekt deutlich.
Kosten der Wasserstoffproduktion
Für die Umwandlung von CO₂ in Methan wird Wasserstoff benötigt. Grüner Wasserstoff ist derzeit jedoch noch teuer und nicht überall ausreichend verfügbar.
Erst wenn Wasserstoff günstiger und in größerer Menge vorhanden ist, kann das Verfahren wirtschaftlich attraktiver werden.
Aufwendige Industrieanlagen
Das Verfahren benötigt komplexe Technik. Wasserstofftechnik, Gasaufbereitung, Hochtemperaturreaktoren und Stoffkreisläufe müssen perfekt zusammenspielen. Das macht Planung, Bau und Betrieb teuer.
Markt für den Kohlenstoff
Der erzeugte Kohlenstoff muss wirtschaftlich genutzt werden können. Dafür braucht es Abnehmer und geeignete Anwendungen. Nur wenn der Kohlenstoff tatsächlich verkauft oder im Betrieb genutzt werden kann, rechnet sich die Technologie.
Rechtliche Einordnung: Welche Regeln gelten?
Die Nutzung von CO₂-Emissionen als industrieller Rohstoff wird politisch und rechtlich immer wichtiger. Auf europäischer Ebene gibt es bereits mehrere Vorgaben und Förderprogramme.
CCU und Klimapolitik der EU
Die Europäische Union verfolgt das Ziel, bis 2050 klimaneutral zu werden. Technologien wie NECOC spielen dabei eine wichtige Rolle. CCU-Verfahren gelten als möglicher Baustein für schwer vermeidbare Emissionen.
Allerdings gibt es klare Vorgaben: CO₂ darf nur dann als klimafreundlich genutzt werden, wenn tatsächlich weniger Emissionen entstehen als bei herkömmlichen Verfahren.
Genehmigungen für Industrieanlagen
Neue Anlagen wie die geplante NECOC-Technik benötigen umfangreiche Genehmigungen. Dazu zählen:
- Genehmigung nach Immissionsschutzrecht
- Sicherheitsvorschriften für Wasserstoff
- Umweltverträglichkeitsprüfungen
- Nachweise zur Energieeffizienz
Gerade der Umgang mit Wasserstoff und hohen Temperaturen erfordert strenge Sicherheitsstandards.
Förderung durch Bund und Länder
Da die Technologie noch nicht marktreif ist, wird sie derzeit staatlich gefördert. Das Land Baden-Württemberg unterstützt das Projekt mit rund 1,4 Millionen Euro über drei Jahre.
Solche Förderprogramme sind wichtig, weil Unternehmen die hohen Anfangskosten oft nicht alleine tragen können.
Die Nutzung von CO₂ als Rohstoff ist grundsätzlich erlaubt und politisch gewünscht. Voraussetzung ist jedoch, dass die Verfahren nachweisbar Emissionen senken und alle Umwelt- und Sicherheitsvorschriften erfüllen.
Wo liegen die Grenzen der Technologie?
Auch wenn das NECOC-Verfahren viele Chancen bietet, ist es keine Wunderlösung für alle Klimaprobleme.
Die wichtigste Grenze: Nicht jedes CO₂ kann sinnvoll umgewandelt werden. Das Verfahren eignet sich vor allem dort, wo konzentrierte CO₂-Emissionen in großen Mengen entstehen. Kleine oder stark verteilte Emissionsquellen lassen sich deutlich schwieriger nutzen.
Außerdem bleibt die Frage nach der Energie. Ohne ausreichend erneuerbaren Strom und günstigen Wasserstoff wird die Technologie langfristig nicht in großem Maßstab funktionieren.
Hinzu kommt, dass CO₂-Nutzung allein nicht genügt. Unternehmen müssen weiterhin versuchen, Emissionen zu vermeiden, Prozesse effizienter zu machen und auf erneuerbare Energien umzusteigen.
Keine Alternative zur Emissionsvermeidung
Das Verfahren darf nicht dazu führen, dass fossile Prozesse einfach unverändert weiterlaufen. Es ist vor allem für Bereiche gedacht, in denen Emissionen technisch kaum vermeidbar sind.
Das betrifft zum Beispiel:
- Gießereien
- Zementwerke
- Müllverbrennungsanlagen
- Bestimmte chemische Prozesse
In anderen Bereichen bleibt die direkte Vermeidung von CO₂ weiterhin der bessere Weg.
Welche Bedeutung hat das Projekt für Deutschland?
Deutschland ist ein Industrieland mit vielen energieintensiven Unternehmen. Gerade Baden-Württemberg lebt stark von Maschinenbau, Automobilindustrie und Metallverarbeitung.
Wenn CO₂-Emissionen als industrieller Rohstoff genutzt werden können, hätte das gleich mehrere positive Folgen:
- Industriearbeitsplätze könnten erhalten werden.
- Unternehmen würden unabhängiger von fossilen Rohstoffen.
- Deutschland könnte bei Klimaschutztechnologien eine führende Rolle übernehmen.
- Neue Produkte und Exportmöglichkeiten könnten entstehen.
Das KIT spricht deshalb von einem möglichen Zukunftsmarkt. Ingenieurskunst aus Baden-Württemberg könnte nicht nur die heimische Industrie verändern, sondern weltweit gefragt sein.
Zusammenfassung: CO₂-Emissionen als industrieller Rohstoff sind mehr als eine Vision
Das NECOC-Verfahren des KIT zeigt, dass CO₂-Emissionen nicht zwangsläufig ein Abfallprodukt bleiben müssen. Stattdessen können sie als industrieller Rohstoff genutzt werden. Aus Kohlendioxid entsteht fester Kohlenstoff, der erneut in der Industrie eingesetzt werden kann.
Besonders in Branchen mit unvermeidbaren Emissionen, etwa in Gießereien oder der Müllverbrennung, bietet die Technologie große Chancen. Sie kann Emissionen reduzieren, fossile Rohstoffe ersetzen und Kohlenstoffkreisläufe schließen.
Gleichzeitig gibt es noch Herausforderungen. Hoher Energiebedarf, teurer Wasserstoff und komplexe Technik bremsen bislang den großflächigen Einsatz. Trotzdem könnte das Projekt aus Baden-Württemberg ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer klimafreundlichen Industrie sein.
Wenn die geplante Anlage in Singen erfolgreich arbeitet, dürfte das Thema CO₂-Emissionen als industrieller Rohstoff in den kommenden Jahren deutlich an Bedeutung gewinnen.
Quelle / Infos / Pressemitteilung: https://idw-online.de/de/news868524 und https://www.tvt.kit.edu/21_3547.php
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Autor und Bild: Chad Gregor Paul Thiele
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