INITIATIVE KOHLENSTOFFKETTEN IK2 FÜR EINE NACHHALTIGE ZUKUNFT DER BRAUNKOHLE
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Initiative Kohlenstoffketten iK2 für Eine nachhaltige zukunft der Braunkohle 3 © Shutterstock/Gencho Petkov
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,
© iStock/Bernsmann 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.
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 2 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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