INITIATIVE KOHLENSTOFFKETTEN IK2 FÜR EINE NACHHALTIGE ZUKUNFT DER BRAUNKOHLE

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INITIATIVE KOHLENSTOFFKETTEN IK2 FÜR EINE NACHHALTIGE ZUKUNFT DER BRAUNKOHLE
Initiative Kohlenstoffketten iK2 für Eine
  nachhaltige zukunft der Braunkohle

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© Shutterstock/Gencho Petkov
INITIATIVE KOHLENSTOFFKETTEN IK2 FÜR EINE NACHHALTIGE ZUKUNFT DER BRAUNKOHLE
Kohlenstoff                                                        Aktivkohlen für die Wasser- und Gasreinigung und andere. Der
Kohlenstoff ist ein essentielles Element der Volkswirtschaft und   Kohlenstoffbedarf wird heute in Deutschland hauptsächlich
unseres täglichen Lebens. Produkte der chemischen Industrie,       aus importiertem Erdöl und Erdgas für die chemische Industrie
der Werkstofftechnik und anderer Bereiche der verarbeitenden       und aus Importsteinkohle für die Metallurgie gedeckt.
Wirtschaft basieren auf Kohlenstoff und seinen Verbindungen.
Um die damit verbundene hohe Wertschöpfung im Land zu              CO2-reduzierte Kohlenstoffketten
erhalten und das von Industrie 4.0 geforderte Innovations-         Mit der Initiative Kohlenstoffketten IK2 wird das Element
potenzial kohlenstoffbasierter Produkte in der Chemie, im          Kohlenstoff erstmals durchgängig von der Kohlenstoffquelle
Leichtbau oder bei Funktionswerkstoffen durch entsprechende        bis zum chemischen Rohstoff für die CO2-reduzierte und im
Entwicklungen ausschöpfen zu können, müssen die erfor-             Zielsystem 2050 CO2-freie Basis- und Spezialchemie adressiert.
derlichen Kohlenstoffquellen auch zukünftig sicher, kosten-        Als Kohlenstoffquellen werden dazu alle primären und
günstig und in ausreichendem Umfang bereitgestellt werden.         sekundären heimischen Kohlenstoffquellen einbezogen. In
Gleichzeitig besteht das gesellschaftliche Ziel einer massiven     gemeinsamen Wertschöpfungsketten werden sie zur Deckung
Reduzierung der CO2-Emissionen. Dazu wird ein signifikanter        des Kohlenstoffbedarfs der chemischen bzw. der verarbeiten-
Beitrag geleistet, wenn die kohlenstoffhaltigen Produkte am        den Industrie zusammengeführt. Effiziente Konversionstechno-
Ende ihres Lebenszyklus nicht verbrannt, sondern in den volks-     logien der stofflichen Braunkohlennutzung können dabei neue
wirtschaftlichen Kohlenstoffkreislauf zurückgeführt werden.        Wege für die rohstoffliche Verwertung von kohlenstoffhaltigen
                                                                   Abfällen erschließen, die ohne Kohle als Basisstoff technisch
Heimische Kohlenstoffquellen                                       nicht möglich wären. Die Integration der Braunkohlen zur
Die wichtigste heimische, primäre Kohlenstoffquelle ist die        Erzeugung von Kohlenstoff-Produkten ermöglicht die Schlie-
Braunkohle, von der zurzeit jährlich ca. 46 Mio. t Kohlenstoff     ßung des technologischen Kohlenstoffkreislaufs für die bisher
genutzt werden. Für deren zukünftigen Einsatz ist ein Paradig-     verbrannten sekundären, heimischen Kohlenstoffquellen.
menwechsel von der emissionsbelasteten energetischen zur           Damit wird erreicht, dass die CO2-Emissionen der Erzeugung
emissionsarmen stofflichen Nutzung erforderlich. Zusätzliche       von neuen Kunststoffen kurzfristig auf ein niedrigeres Niveau
sekundäre Kohlenstoffquellen ergeben sich aus nicht stofflich      gesenkt werden als die der heutigen, überwiegend auf Erdöl
verwertbaren Restabfällen wie Mischkunststoffabfällen,             basierenden, Synthesechemie in Kombination mit der Abfall-
Siedlungsabfällen, Ersatzbrennstoffen, Shredderleicht-
fraktionen des Automobilrecyclings, Abfällen der
Biomassenutzung und Klärschlamm mit jährlich bis zu
13 Mio. t Kohlenstoff – Tendenz steigend.

Kohlenstoffbedarf
Dem gegenüber steht ein Bedarf von jährlich mehr
als 25 Mio. t Kohlenstoff vor allem für die chemische
und metallurgische Industrie, und zwar für Massen-
produkte wie Kunststoffe (Polyethylen, Polypropylen
u. a.), organische Chemikalien und Reduktionsmittel
sowie für Spezialprodukte wie Schmiermittel, Kleb-
stoffe, Kohlenstoff-Fasern bzw. Verbundwerkstoffe,
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verbrennung. Dies ist schon ab 2025+ durch Sektorkopplung          abgelöst werden können, wodurch eine Erweiterung der deut-
von Energiewirtschaft, chemischer Industrie und Abfallwirt-        schen Rohstoffbasis ermöglicht wird. Durch Nutzung dieser
schaft erreichbar.                                                 Kohlenstoffquellen wird außerdem das »carbon leakage«, das
                                                                   heißt die CO2-Emissionen der gesamten Produktionskette bis
Vorteilhafte Einkopplung erneuerbarer Energie                      zur Einfuhr nach Deutschland, vermieden.
Die weitere schrittweise Reduzierung der CO2-Emissionen
bis nahe Null durch Einkopplung von »grünem« Wasserstoff           IK² als Motor für den internationalen Technologietrans-
(e-H2), der aus erneuerbarem Strom in der Perspektive bis          fer und für die Lösung eines Weltproblems
2050 zur Verfügung stehen wird, ist immanenter Teil des            Die mit der Initiative IK² zu entwickelnden Prozesse und
Konzepts. Dadurch, dass der Kohlenstoff – ohne vorherige           Technologien haben das Potenzial für den Einsatz in anderen
Verbrennung zu CO2 – chemisch umgewandelt wird, liegt der          europäischen Partnerländern wie Polen, Tschechien oder
Bedarf an e-H2 bei nur ca. 30 % des Bedarfs für Produkte aus       Griechenland, deren Stromerzeugung in großem Maße auf
CO2-basierten Power-to-X-Prozessen, die Produktkosten dem-         heimischen Kohlen basiert. Ein MoU zur Zusammenarbeit auf
entsprechend bei nur ca. 1/2 bis 1/3. Die kohlenstoffbasierte      diesem Themengebiet wurde zwischen Deutschland und Polen
Produktsynthese bietet darüber hinaus ein nahezu unbegrenz-        anlässlich der Hannover Messe 2017 von den Ministern Gowin
tes Potenzial für die chemische Speicherung von erneuerbarer       und Wanka unterzeichnet. Die Etablierung der entsprechen-
Energie. Die Kohlenstoffketten werden so zu einem idealen          den Kohlenstoffketten in den deutschen Braunkohlerevieren
Partner der Energiewende.                                          unter Einbeziehung der sekundären Kohlenstoffquellen kann
                                                                   darüber hinaus als Blaupause für verschiedene Regionen der
IK² für den Strukturwandel in den Braunkohleregionen               Welt dienen. Ein riesiger Bedarf – und damit Technologie-
Die Initiative IK² schafft die Basis für einen nachhaltigen        exportmarkt – zeichnet sich in aufsteigenden Ländern mit
Strukturwandel in den Braunkohleregionen Lausitz, Mittel-          breiter Kohlenutzung wie China und Indien ab, die kaum über
deutschland und Rheinland, wobei Braunkohle als Träger             Abfallsammel- und Verwertungssysteme verfügen. Schließlich
und Grundlage geschlossener Kohlenstoffketten dient. Durch         werden Lösungen entwickelt und demonstriert, die geeignet
die neue Wertschöpfung der Kohlenstoffkreislaufwirtschaft          sind, der gigantischen Vermüllung von Land und Ozeanen
(Circular Economy) werden technologische Innovationen, aber        durch Kunststoffabfälle entgegenzusteuern.
auch eine betriebswirtschaftliche Stabilisierung des insgesamt
zurückgehenden Kohleabbaus erreicht. Volkswirtschaftlich
positive Effekte ergeben sich durch die aktive Gestaltung des
Strukturwandels, durch die Etablierung von stabilen neuen
Clusterstrukturen und den Aufbau zukunftsfähiger Arbeits-
plätze. Die Kohlereviere werden zu Pionierregionen auf dem
Weg zur Circular Economy.

IK² für die Reduzierung der Importabhängigkeit
Die Initiative IK² wird einen wesentlichen Beitrag dazu leisten,
dass importierte fossile Rohstoffe, insbesondere Erdöl, in         Der Kohlenstoff bisher verbrannter Restabfälle wird bei IK2 genutzt
nennenswerter Weise durch heimische Kohlenstoffquellen             und in den volkswirtschaftlichen Kohlenstoffkreislauf zurückgeführt.
INITIATIVE KOHLENSTOFFKETTEN IK2 FÜR EINE NACHHALTIGE ZUKUNFT DER BRAUNKOHLE
I K ² I nitiative K ohlenstoffketten
                                                                 entwickelt. Die Zielprodukte umfassen ein breites Spektrum
f ü r den S trukturwandel
                                                                 von Basischemikalien für die chemische Industrie bis hin zu
B raunkohle
                                                                 preiswerten C-Precursor-Materialien für Carbonfasern und
Die Initiative IK², die unter der Führung der Fraunhofer-        darauf basierenden Verbundwerkstoffen.
Gesellschaft koordiniert wird, soll Wissenschaft, Wirtschaft     Die Braunkohleländer Brandenburg, Nordrhein-Westfalen,
und Politik zunächst im Zeithorizont der nächsten zehn Jahre     Sachsen und Sachsen-Anhalt verfügen über die nötigen
für die wissenschaftliche, technologische, betriebs- und         Kompetenzen und Netzwerke für die erfolgreiche Etablierung
volkswirtschaftliche Vorbereitung der Markteinführung neuer,     der Kohlenstoffkreislaufwirtschaft. Als Kerninstitute sind die
CO2-emissionsarmer Kohlenstoffketten für eine nachhaltige        Fraunhofer-Institute IMWS – unter Mitwirkung des Freiberger
und energieeffiziente Kohlenstoffkreislaufwirtschaft zu-         Universitätsinstitutes IEC – sowie UMSICHT, IAP, IKTS und IWU
sammenführen. Das Ziel besteht darin, durch angewandte           beteiligt. Wissenschaftliches Zentrum und Mitinitiator für die
Forschung bis zum Demonstrationsmaßstab die dafür erforder-      nachhaltige, stoffliche Nutzung der Braunkohle ist das Institut
lichen Prozessketten zu entwickeln und im Industriemaßstab       IEC der TU Bergakademie Freiberg. Aus diesem Konsortium
nachzuweisen. Die Innovationen betreffen sowohl die Prozesse     heraus kann der dringend erforderliche Markttransfer neuer
und Produkte als auch die Prozessketten. Eine wichtige           Technologien unter dem Dach von IK² vorangebracht werden.
Rolle spielen die entsprechenden Weichenstellungen durch         Der Austausch von Wissenschaft und Wirtschaft erfolgt in
unterstützende, regulatorische Rahmenbedingungen sowie           nationalen und internationalen Netzwerken. Hierzu zählen das
die Erreichung einer breiten Akzeptanz in der Öffentlichkeit.    Energierohstoff-Netzwerk ERN, das mit BMBF-Unterstützung
IK² erlaubt damit die aktive Gestaltung des Strukturwandels in   2008 gründete Netzwerk ibi (Innovative Braunkohleninte-
den Braunkohleregionen im Sinne ökologisch und ökonomisch        gration in Mitteldeutschland, heute ibi2.0) sowie das im
nachhaltiger, zukunftsfähiger Strukturen. Unter dem IK²-Dach     Aufbau begriffene europäische Netzwerk, beginnend mit den
werden Wissen, Erfahrungen und Netzwerkstrukturen in vier        Nachbarländern Polen und Tschechien. Schließlich stehen
tragenden Säulen gebündelt:                                      die langjährigen Kontakte in den Netzwerkstrukturen der
                                                                 International Freiberg Conference on IGCC & XtL Technologies
IK² Fraunhofer-Initiative »Reviernetzwerk«                       zur Verfügung. Ein zweites wissenschaftliches Zentrum in
Diese Säule fasst Forschungsthemen zur qualitativen und          Deutschland zur Erschließung, Konversion und Nutzung von
quantitativen Erfassung einheimischer Kohlenstoffquellen und     Kohlenstoff existiert in Nordrhein-Westfalen. Hierzu zählen das
zur Gewinnung kohlenstoffhaltiger Produkte zusammen. Hier-       interdisziplinäre Research Department »Closed Carbon Cycle
zu wird ab 2017 ein Fraunhofer-Reviernetzwerk Kohlenstoff-       Economy« an der Ruhr-Universität Bochum, die neue RWE-
ketten für den Strukturwandel in den Braunkohlenrevieren         Stiftungsprofessur »Carbon Sources and Conversion« an der
Rheinland, Lausitz und Mitteldeutschland gebildet, das in ein    Ruhr-Universität Bochum, das RWE-Innovationszentrum Kohle
breit angelegtes Fraunhofer-Forschungscluster münden soll. Im    am Standort Niederaußem und das Fraunhofer UMSICHT in
Forschungscluster sollen die Kooperationsstrukturen innerhalb    Oberhausen. Die Landesregierung von Nordrhein-Westfalen
und außerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft entwickelt und         unterstützt dieses Netzwerk.
Realisierungsstrategien ausgearbeitet werden. Auf der Basis
von Braunkohle, biogenen und anderen Reststoffen werden          IK² CarbonTrans
Technologierouten unter Einbeziehung von Nieder- und             CarbonTrans beinhaltet die Technologieentwicklung zur Trans-
Hochtemperaturprozessen und Einbindung von e-H2                  formation von Braunkohle und Restabfällen zu Synthesegas
für die Synthesechemie. Zielprodukte sind Methanol bzw.             Rahmenbedingen und die Akzeptanz erfassende, sektor-
Olefine, Alkohole und andere Kohlenwasserstoffe, die z. B.          übergreifende Bewertung von Kohlenstoffketten volks- und
zu Kunststoffen weiterverarbeitet werden können. Der erste          betriebswirtschaftlich sowie standortbezogen erfolgen.
Baustein dieser Säule ist die innovative Konversionstechnologie     Beteiligt sind Vertreter der Branchen Braunkohlenindustrie,
COORVED einschließlich Eintragssystem für Kohle und Abfälle.        Abfallwirtschaft, chemische Industrie und Anlagenbau (RWE,
Federführend vom Freiberger Universitätsinstitut IEC soll diese     MIBRAG, LEAG, INEOS, Pyral, Kronospan, DSD, REMONDIS,
Technologie im Demonstrationsmaßstab beginnend ab Anfang            Linde, InfraLeuna). Aus der Wissenschaft sind neben
2018 vorbereitet und erprobt werden, sodass eine direkte Inte-      Fraunhofer-Instituten die TU Bergakademie Freiberg und die
gration in eine technische Prozesskette ab 2021 möglich wird.       Hochschule Merseburg eingebunden.
Die Industriebeteiligung erfolgt durch RWE. Angestrebt wird
eine Projektförderung durch das BMBF. Der zweite Baustein           IK² CarbonConvert
ist die Errichtung bzw. Integration der Technologieplattform        Die oben beschriebenen Aktivitäten werden durch die For-
für die Kohlenstoffkette einschließlich der Fraunhofer-             schungs- und Entwicklungsarbeiten zur Kohlenstoffnutzung
Elektrolyseplattform im technisch relevanten Maßstab.               nach zirkulären Prinzipien in einem neu zu errichtenden
Vorgesehen ist ein Chemiestandort in Sachsen-Anhalt (Leuna)         Technologiedemonstrationszentrum NRW »IK2 CarbonCon-
oder ein RWE-Kraftwerksstandort in Nordrhein-Westfalen,             vert« komplettiert. Hier werden sowohl zentrale als auch
sodass die bereits vorhandene Infrastruktur genutzt werden          dezentrale Ansätze verfolgt. Mit dezentralen Kohlenstoff-
kann. Möglicher Planungsbeginn ist 2018.                            Nutzungstechnologien wird das Angebotsportfolio für den
Das Fraunhofer IMWS wird die Einbindung der Industrieunter-         internationalen Markt ergänzt und flexibilisiert. So können
nehmen MIBRAG, Romonta, InfraLeuna und RWE sowie des                unterschiedlich weit integrierte Industriestandorte von
Freiberger Universitätsinstituts IEC koordinieren. Die Initiative   Produkten aus Kohlenstoff profitieren, die den Prinzipien
IK am Standort Leuna wird vom Land Sachsen-Anhalt
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                                                                    einer Circular Economy folgen. Im Einzelnen werden folgende
unterstützt.                                                        Entwicklungsschwerpunkte bearbeitet:
                                                                    •      Entwicklung und Demonstration dezentraler Lösungen
IK² CarbonDemonstration                                             für neue Konversionsverfahren für kohlenstoffhaltige Aus-
Für die Schließung von Kohlenstoffkreisläufen sind technolo-        gangsprodukte sowie -mischungen
gische und logistische Lösungen bereitzustellen, die an deut-       •      Entwicklung von Grundlagen und Technologien für
sche, aber auch internationale Standorte angepasst werden           Logistik, Aktivierung und Umsetzung von Kohlenstoffdioxid
können. Der Fokus der dritten Säule liegt auf der Demonstrati-      (CO2) in z. B. Treibstoffe
on einer innovativen Synthesegaserzeugung und -nutzung im           •      Entwicklung und Herstellung nachhaltiger kohlenstoff-
Zusammenspiel der Einzelprozesse ab 2021 einschließlich des         basierter Produkte aus kohlenstoffhaltigen Prozessgasen
späteren Nachweises der vollständigen Emissionsfreiheit. Eine       •      Entwicklung von neuen Methoden zur Systemanalyse,
öffentliche Förderung wird im Rahmen des WIR-Programms              zum LifeCycleAssessment sowie zu Partizipations- und Dialog-
des BMBF angestrebt. Federführend ist das Fraunhofer                formaten, um Transformationspfade besser steuern zu können
IMWS. Es wird unterstützt durch das Netzwerk ibi2.0. Zudem
erfolgt die Evaluierung neuer Wertschöpfungsketten der              Beteiligt sind Vertreter der Branchen Braunkohle, Energie,
Kohlenstoffkreislaufwirtschaft für die Implementierung von          Chemie, Anlagenbau sowie Wissenschaftler von mehr als zehn
Geschäftsmodellen in den Braunkohleregionen. Dabei soll             Fakultäten aus dem Research Department Closed Carbon
eine gesamtwirtschaftliche, ökologische, die regulatorischen        Cycle Economy der Ruhr-Universität Bochum.
Ein starkes länderübergreifendes Netzwerk
Die wichtigsten deutschen Akteure aus Wirtschaft und Wissenschaft werden in die Initiative Kohlenstoffketten eingebunden
und mit leistungsfähigen nationalen und internationalen Partnern vernetzt. Unter dem gemeinsamen Dach wird die Schlag-
kraft von IK2 deutlich erhöht. Ein solches breites Fundament ist notwendig, um die anstehenden großen gesellschaftlichen
Herausforderungen für eine erfolgreiche Zukunft der Braunkohlereviere zu meistern.

Fraunhofer-Institut für                                            Fraunhofer-Institut für
Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS                    Angewandte Polymerforschung IAP
Prof. Dr. Ralf B. Wehrspohn                                        Prof. Dr. Alexander Böker
ralf.b.wehrspohn@imws.fraunhofer.de                                alexander.boeker@iap.fraunhofer.de

Prof. Dr.-Ing. Bernd Meyer                                         Fraunhofer-Institut für
bernd.meyer@iec.tu-freiberg.de                                     Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
                                                                   Prof. Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel
Fraunhofer Center für                                              welf-guntram.drossel@iwu.fraunhofer.de
Ökonomik der Werkstoffe CEM
PD Dr. Christian Growitsch                                         Fraunhofer-Forschungszentrum für
christian.growitsch@imws.fraunhofer.de                             textile Strukturen IWU-STEX
                                                                   Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Prof. Lothar Kroll
Fraunhofer-Institut für                                            lothar.kroll@iwu.fraunhofer.de
Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT
Prof. Dr.-Ing. Eckhard Weidner                                     Fraunhofer Institut für
eckhard.weidner@umsicht.fraunhofer.de                              Keramische Technologien und Systeme IKTS
                                                                   Prof. Dr. rer. nat Alexander Michaelis
Prof. Dr.-Ing. Görge Deerberg                                      alexander.michaelis@ikts.fraunhofer.de
goerge.deerberg@umsicht.fraunhofer.de

www.Materials-Economics.De

Koordinierung und Steuerung
Die Koordinierung und Steuerung der IK²-Initiative erfolgt federführend durch die Fraunhofer-Gesellschaft. Unter dem
IK²-Dach werden optimale Bedingungen für eine intensive Vernetzung und zahlreiche fachliche Verknüpfungen geschaffen.
Durch die sektorübergreifende Kompetenzbündelung aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik wird eine tragfähige
Plattform geschaffen, um den Strukturwandel in den drei deutschen Braunkohleregionen aktiv zu gestalten. Die Aktivitäten
Reviernetzwerk, CarbonTrans und CarbonDemonstration werden federführend durch das Fraunhofer IMWS und das
Universitätsinstitut IEC koordiniert. CarbonConvert wird vom Fraunhofer UMSICHT koordiniert.

Finanzielle Förderung
Die Realisierung der IK²-Initiative zur Bereitstellung nachhaltiger Kohlenstoffketten für die Kohlenstoffkreislaufwirtschaft
stellt eine nationale Zukunftsaufgabe für den Strukturwandel dar und benötigt eine der Größe der Aufgabe angemessene
finanzielle Unterstützung des Bundes und der partizipierenden Länder.
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