Verbundprojekt zeigt seit 2016, wie CO₂ aus Stahlwerken und anderen Industrieprozessen zu neuen Rohstoffen verarbeitet wird

Am 26. Juni 2016 fällt der offizielle Startschuss für Carbon2Chem^®: Im Beisein von Prof. Dr. Johanna Wanka (damals Bundesministerin für Bildung und Forschung) und Svenja Schulze (damals Ministerin für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes NRW) nimmt das Verbundprojekt seine Arbeit auf. Es wird vom Bundesministerium gefördert. Die Koordination teilen sich Fraunhofer UMSICHT, Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion und thyssenkrupp. Sie stehen stellvertretend für angewandte Forschung, Grundlagenforschung und Industrie. Die Mission der 14 Partner aus Industrie und Wissenschaft: Kohlenstoffmonoxid und Kohlendioxid aus industriellen Abgasen der Stahlproduktion – so genannte Hüttengase – zur Herstellung chemischer Grundstoffe nutzen.

Dabei verfolgt das Projekt einen systemischen Ansatz, der Gasreinigung, Elektrolyse, Wasserstoffbereitstellung, Synthesen sowie Systemintegration und Ökobilanzierung miteinander verbindet – und damit erstmals den gesamten Weg vom Abgas bis zum praxistauglichen Produkt abbildet. Bereits in den ersten beiden überwiegend forschungs‑ und pilotgetriebenen Projektphasen (2016 bis 2020, 2020 bis 2024) zeigen die Partner, dass die dafür notwendigen Technologiebausteine stabil, flexibel und kombinierbar betrieben werden können. »Ein zentraler Meilenstein sind die Entwicklung und der Betrieb von Gasreinigungs- und Konditionierungskonzepten, die stark schwankende Zusammensetzungen realer Hüttengase (z. B. mit Blick auf Verunreinigungen) zuverlässig beherrschen«, erklärt Prof. Robert Schlögl (Gesamtkoordination/​Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion). »Parallel dazu haben wir elektrochemische und katalytische Prozesse so ausgelegt, dass sie auch im dynamischen Betrieb – etwa bei fluktuierendem Angebot erneuerbarer Energie – stabil funktionieren.«

Vom Abgas zur Plattformchemikalie: Nachhaltiges Methanol im industriellen Maßstab

Besondere Bedeutung kommt der Methanolsynthese zu. Methanol dient im Carbon2Chem^®‑Ansatz als Plattformchemikalie, aus der sich eine Vielzahl weiterer Produkte wie Kunst- und Treibstoffe herstellen lassen. »Nach erfolgreichen Labor‑ und Pilotversuchen haben wir die Methanolproduktion schrittweise skaliert«, so Prof. Görge Deerberg (Gesamtkoordination/​Fraunhofer UMSICHT). »Seit 2023 wird nachhaltiges Methanol kontinuierlich in einer Demonstrationsanlage am Stahlwerksstandort Duisburg mit realen Prozessgasen produziert. Konkret haben wir bislang schon mehr als 9 t Methanol aus den Stahlwerksgasen hergestellt.«

Die Ergebnisse zeigen: Qualität und Reinheit des erzeugten Methanols entsprechen industriellen Spezifikationen. Die Entwicklungen im Bereich Gasreinigung und Katalysatoren laufen stabil, Unterschiede zwischen den Prozessen mit synthetischen Gasen und realen Stahlwerksgasen konnten nicht festgestellt werden. Die entwickelten und untersuchten Bausteine arbeiten wie geplant zusammen, damit ist ein entscheidender Schritt von der Forschung hin zur industriellen Anwendung gelungen.

Zehn Jahre nach Projektbeginn wird das Carbon2Chem^®‑Methanol erstmals über das Projekt hinaus genutzt. In weiteren Vorhaben dient es als Ausgangsstoff für chemische Produkte, darunter Vorprodukte für Kunststoffe. Damit schließt sich eine industrielle Wertschöpfungskette vom Abgas zum marktfähigen Produkt.

Übertragbarkeit auf weitere Industrien mit unvermeidbaren CO₂‑Emissionen

»Gleichzeitig konnten wir im Projekt nachweisen, dass sich die entwickelten Konzepte des Carbon Capture and Utilization (CCU) auf weitere Industrien übertragen lassen, in denen die CO₂‑Entstehung prozessbedingt unvermeidbar ist. Dies sind die Zement‑, Kalk‑ oder Abfallwirtschaft«, nennt Dr. Markus Oles (Gesamtkoordination/​thyssenkrupp Carbon2Chem^®) einen weiteren Erfolg. »Carbon2Chem^® versteht sich als modulare Technologieplattform für eine industrielle Kohlenstoff‑Kreislaufwirtschaft, bei der einzelne Bausteine je nach Industrie angepasst kombiniert werden können.«

Gemeinsame Infrastruktur und Ausblick auf die industrielle Umsetzung

Diese Erfolge führen die drei Koordinatoren u.a. auf die tägliche Zusammenarbeit von Industrie, Grundlagenforschung und angewandter Forschung zurück. Sowohl im Carbon2Chem^®-Labor in Oberhausen als auch im Technikum am Stahlwerksstandort Duisburg wurden im Rahmen des Vorhabens gemeinsame Forschungs‑ und Demonstrationsinfrastrukturen aufgebaut. Darüber hinaus sorgen ein gemeinsam genutzter Dataspace und Fach-Communities zu Themen wie Simulation, Process Design, Life Cycle Assessment und Cost Estimation für den projektinternen Austausch aller Ergebnisse.

Mit dem Jubiläum blicken Görge Deerberg, Markus Oles und Robert Schlögl zugleich nach vorn. In der laufenden dritten und abschließenden Projektphase stehen die weitere Skalierung, die wirtschaftliche Bewertung, neue Anwendungsfelder – etwa Sustainable Aviation Fuels – sowie der Wissenstransfer in die industrielle Umsetzung im Fokus. Ihre Botschaft: Carbon2Chem^® hat gezeigt, dass CCU technisch möglich ist. Die nächste Etappe liegt in der breiten industriellen Anwendung.

Carbon2Chem^® in Zahlen

• 3 Phasen umfasst das Projekt.
• 2028 endet Carbon2Chem^®.
• Mit 200 Millionen Euro haben das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt und seine Vorgänger das Verbundprojekt unterstützt.
• Über 30 Partner waren bislang an der Projektarbeit beteiligt.
• Das Carbon2Chem^®-Labor auf dem Campus von Fraunhofer UMSICHT in Oberhausen umfasst 500 m² Fläche.
• Das Carbon2Chem^®-Technikum hat eine Fläche von 3700 m².
• Über 4,6 Mio. Nm³ Stahlwerksgase (Realgas) wurden gereinigt.
• Mehr als 1000 t H₂ wurden mittels Wasserelektrolyse hergestellt.
• Bis zu 75 l Rohmethanol werden pro Tag in der Demonstrationsanlage produziert.
• Über 4000 Stunden ist die Demonstrationsanlage am Stahlwerk in Duisburg mit Realgas gelaufen.