Carbon Capture and Utilisation Aus der Luft gegriffen: Necoc will aus Klimagas Ruß machen

Die schwarze Kunst: Ruß aus atmosphärischem CO₂ – Ein Abgas wird zum Rohstoff – Projekte zur stofflichen Nutzung von CO₂ gibt es viele, doch setzten diese meist am Schornstein an. Jetzt will das KIT zusammen mit Power-to-Gas-Experten und Verfahrens­entwicklern Kohlendioxid aus der Um­gebungsluft in Ruß überführen. Mit dabei: Junge Wilde und alte Bekannte….

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Ruß ist begehrt. Nicht im Kamin oder beim Grillen, aber als Rohstoff für die Indus­trie. Carbon Black heißt der vielseitige Grundstoff, der besonders für die Reifenherstellung, aber auch für Pigmente, als Füllstoff oder in der Elektroindustrie verwendet wird. Dahinter verbirgt sich ein alter Bekannter: Kohlenstoff.

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Ruß, auch Industrieruß, besteht je nach Qualität bis zu 99,5 % aus Kohlenstoff, wobei besonders eine kleine Partikelgröße (zwischen 10 und 300 Nanometer) und ein hohes Verhältnis der Oberfläche zum Volumen entscheidend sind. Entsprechend stammt Carbon Black aus genau den fossilen Rohstoffen, die nicht erst seit 2019 für Klimawandel und Umweltverschmutzung stehen gewonnen: Öl, Gas und Steinkohleteer. Irgendwo muss der Kohlenstoff herkommen.

So steht Ruß für das Dilemma der modernen Welt und ihrer Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen. Dabei hatte sich die Welt doch 2015 verpflichtet, die globale Erderwärmung bis zum Ende des Jahrhunderts auf unter zwei Grad Celsius zu begrenzen. Dazu sind erhebliche Anstrengungen und eine weitestgehende Dekarbonisierung – vielleicht sollte man besser Defossilierung sagen – der Wirtschaft notwendig.

Doch einmal „produziertes“ CO₂ bleibt sehr lange in der Atmosphäre. Entsprechend gibt es nicht wenig Stimmen, die sich dafür einsetzen, atmosphärisches CO₂ aufzufangen, zu speichern oder zu nutzen.

Carbon Capture and Storage (CCS) heißt das Konzept, Kohlendioxid abzuscheiden und etwa in Salzstöcke oder Basaltformationen unter Tage einzupressen. Noch weiter geht das Konzept CCU, also Carbon Capture and Utilisation: CO₂ soll zum Rohstoff werden.

Chemie aus dem Schlot: Die stoffliche Nutzung von CO₂

An der Schornsteinchemie arbeiten weltweit Institute, Unternehmen und Entwickler und bringen erstaunliches zu Tage: Ob kommerziell verkäufliche PUR-Schäume CO2 in die Polymerketten einbauen, genutzt werden sollen oder aus Abgas wieder Benzin wird (PROCESS berichtete), die Reagenzgläser glühen in den Laboren und Technika.

Die allermeisten dieser Projekte, so unterschiedlich sie auch sind, haben eines gemeinsam: Sie setzen am Schornstein an. Gerade große „Punktquellen“ wie Stahlwerke oder die Zementindustrie stehen im Fokus der Aufmerksamkeit. Das ist kein Wunder, ist doch die Kohlendioxid-Konzentration im Abgasstrom sehr hoch. Auch sind einige wenige Branchen für einen nicht unerheblichen Anteil der Emissionen verantwortlich (so entstehen rund 8 % des globalen CO₂-Ausstoßes in der Zementproduktion). Das Einsparpotenzial ist entsprechend riesig.

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Am Kohlendioxid-Gehalt der Luft ändern diese Emissions- Vermeidungen freilich wenig. Wer also nicht nur einen Standort klimaneutral machen will, sondern sogar CO₂-positiv, muss sich etwas einfallen lassen. Einfach einen Baum pflanzen oder ein Zertifikat kaufen, reicht nicht aus, erklärt auch der Weltklimarat IPCC. Doch wie bekommt man das Gas wieder aus der Luft, sieht man einmal von der Möglichkeit ab, große Wälder aufzuforsten und Feuchtgebiete anzulegen?

Direct Air Capture: CO₂ aus der Atmosphäre

Die Vision, Gase aus der Atmosphäre zu gewinnen, nennt sich Direct Air Capture. Mit großen Ventilatoren die Luft durch Abscheidevorrichtungen pressen und das möglichst reine CO₂ zurückhalten, das dann sicher deponiert werden kann – oder aber weiter verwendet. „Aus einem schädlichen Treibhausgas wird so ein Rohstoff für Hightech-Anwendungen“, erklärt Professor Thomas Wetzel vom Institut für Thermische Verfahrenstechnik (TVT) und Leiter des Karlsruher Flüssigmetalllabors am Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) des KIT.

In Karlsruhe laufen die Fäden eines Forschungsprojekts zusammen, das Direct Air Capture, CO₂-Chemie und die Me­thanpyrolyse inklusive Wasserstoffsynthese zusammenbringt. „Der in unserem Projekt verfolgte Ansatz ist es, CO₂ aus der Atmosphäre abzutrennen und in Carbon Black umzuwandeln, einen pulverförmigen, hochreinen Kohlenstoff“, erklärt Wetzel.

Vom Wasserstoff zum Kohlendioxid

Dabei ging es in Karlsruhe zunächst gar nicht um Ruß – und, noch erstaunlicher, auch nicht um CO₂. Die Entwickler hatten ein anderes Molekül im Visier, das als „Wunderstoff“ derzeit in aller Munde ist: Wasserstoff. Um das zu verstehen, ist es notwendig, einen Blick ins Herzstück des Projektes zu wagen – der Methanpyrolyse.

Dabei wird unter hohen Temperaturen Methan, also CH₄ in seine Bestandteile, sprich Kohlenstoff und Wasserstoff zerlegt. Die Idee, auf diese Weise Wasserstoff zu gewinnen, ist nicht neu – doch bisher setzte der Kohlenstoff, der als Feststoff ausfällt, der Anwendbarkeit enge Grenzen. Das Material verklebte den Reaktor und setzte sich an den Wandungen und Böden ab.

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Ein neuartiger Pyrolyse-Reaktor muss her

Zusammen mit dem Institut für Advanced Sustainability Studies in Potsdam hatte das Karlsruhe Liquid Metals Laboratory (kurz Kalla) daran gearbeitet, diesem Problem durch Flüssigmetallreaktoren beizukommen. Das Ergebnis: Eine mit flüssigem Zinn gefüllte Blasensäule, bei der das heiße Metall gleich noch für die Temperierung sorgt. In den erhitzten Gasblasen zersetzt sich das Methan in gasförmigen Wasserstoff und festen, elementaren Kohlenstoff.

Dank des Dichteunterschiedes wird der Kohlenstoff aus dem Reaktor ausgetragen, was einen echten Kontibetrieb ermöglicht. Und nicht nur das: Auf diese Weise stehen große Mengen Kohlenstoff in einer leicht transportablen und verwertbaren Form zur Verfügung – der Startschuss für das Rußprojekt.

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Was, dachten die Entwickler, wenn wir gar nicht mit Wasserstoff aus dem Dampfreformer konkurrieren müssten? Warum nicht gleich den Kohlenstoff ins Visier nehmen? Etwa, als Rohstoff für Farben, Reifen oder die Elektronikindustrie in Form von Carbon Black?

Nun ist Industrieruß an sich nicht ungewöhnlich – „grüner“ Ruß, der ohne Kohle, Gas, Teer oder Erdöl auskommt, aber regelrecht unerhört. Dafür braucht es jedoch mehr als „nur“ die Pyrolyse: Auch das verwendete Methan muss nachhaltig und klimaneutral gewonnen werden.

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Also begann am KIT die Suche nach Partnern. Fündig wurde man ganz in der Nähe: Das Karlsruher Start-up Ineratec, eine Ausgründung von KIT-Absolventen, hat sich auf modulare Anlagen zur stofflichen Nutzung von Wasserstoff und Kohlendioxid spezialisiert. Die mikrostrukturierten Reaktoren der Technologiepioniere ermöglichen Verfahren, die typischerweise große Verbundstandorte erfordern, auf kleinster Fläche – ideal für die häufig dezentralen Power-to-X-Projekte.

Baukasten für die nachhaltige Chemie

Immer im Mittelpunkt steht dabei die Umwandlung von CO₂ mittels Reverse-Wasser-Gas-Shift- und Fischer-Tropsch-Reaktion oder per Methanisierung als synthetisches Erdgas. In jedem Fall kommen mikrostrukturierte Reaktormodule mit einer innovativen Verdampfungskühlung zum Einsatz, die eine optimale Balance zwischen Temperaturführung und Kühlflächenbelastung ermöglichen.

Das ermöglicht nicht nur eine effiziente Reaktionsführung mit hohen Konversionsraten, sondern auch den Einsatz von (ungiftigem und nicht brennbaren) Wasser als Temperiermedium. Die kompakten Reaktormodule sind in etwa so groß wie ein Elektroherd und damit weit weg von den riesigen Kolonnen der Chemieindustrie – aber dank langer Katalysatorstandzeiten und hoher Selektivität nicht weniger effizient.

Wird doch einmal eine größere Produktionskapazität benötigt, bauen die Entwickler mehrere Module in einen gemeinsamen Rahmen – Numbering-up statt Scale-up heißt die Devise.

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Aus Abgas mach synthetisches Erdgas: Dass die Methanisierung funktioniert, hatten die Gründer bereits im Rahmen des Projektes Cosin demonstriert, bei dem Wind- und Solarstrom zur Methanisierung genutzt wird. Derartige Verfahren waren bisher aufgrund der nötigen Produktionsanlagen nicht wirtschaftlich, da Abgas und erneuerbare Energien meist geographisch verteilt anfallen.

Das ist jetzt, dank der kompakten Reaktoren und dem Anlagendesign im Containerformat, anders. Trotzdem werden keine exotischen Materialien benötigt: Der Katalysator ist ein üblicher Industriestandard und entsprechend problemlos zu kaufen.

Die Anzahl der mikrostrukturierten Reaktormodule in der Anlage bestimmt den Umsatz an Feedgas zu Methan. So kann die Kapazität der Methanisierungsanlage den entsprechenden Anforderungen angepasst werden. Bisher dachten die Ineratec-Ingenieure an Methan zur Einspeisung ins Erdgasnetz – jetzt kommt die stoffliche Nutzung dazu.

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Der Mini-Verbund am KIT

„Grün“ wird das Gas durch seine Rohstoffquellen: Indem es CO₂ nutzt, das per Direct Air Capture aus der Atmosphäre entnommen wird. Dafür brauchte es einen Projektpartner, der sich mit der Luftabscheidung auskennt. Dabei fiel der Blick Richtung Schweiz: Die Firma Climeworks aus Zürich gehört zu den Vorreitern in Sachen DAC.

Zu den Meilensteinen des jungen Unternehmens gehört eine ersten kommerziellen Anlage zur Abscheidung von 900 Tonnen CO₂ pro Jahr genauso wie ein Projekt in Island, bei dem das CO₂ im Basaltgestein mineralisiert wird.

Von außen erinnern die Climeworks-Module an einen Ventilator oder Kühlturm einer Klimaanlage – tatsächlich findet im Inneren der Filtereinheiten ein zyklischer Adsorptions- /Desorptionsprozess statt, bei dem das Gas chemisch an ein strukturiertes Adsorbermaterial gebunden wird. Ist dieser gesättigt, wird das CO₂ durch Erhitzung auf etwa 100 °C gelöst und als aufkonzentriertes Gas hoher Reinheit aufgefangen.

Dieser Prozess ist verglichen etwa mit Aminwäscheverfahren verhältnismäßig wenig energieintensiv und dank der Modulbauweise kompakt und gut skalierbar, wie die Projekte in der Schweiz und Island zeigen.

Nutzen statt Speichern: Die Bausteine kommen zusammen

Jetzt also Carbon Black statt Carbon Storage: Für die CO₂-Senke im Reifen spricht nach Ansicht der Projektverantwortlichen vor allem, dass Industrieruß nicht nur einfacher und unkritischer zu handhaben ist als Kohlendioxid, sondern auch die Möglichkeit der stofflichen Nutzung.

Zusammengebracht werden die unterschiedlichen Verfahrensbausteine in Karlsruhe: Das Forschungsprojekt Necoc (steht für: NEgative CarbOn dioxide to Carbon) soll am KIT eine Demonstrationsanlage zur „Produktion“ von Carbon Black aus atmosphärischem CO₂ aufbauen und die Verfahren als Mini-Verbund in der Praxis erforschen: „Wir kennen die einzelnen Bausteine gut“, sagt Necoc-Projektkoordinator Dr. Benjamin Dietrich.

„Allerdings wurden sie noch nie im Verbund in einer integrierten Anlage realisiert. Die geschickte Integration der Prozessbausteine und die richtige Prozessführung werden entscheidend für die Energieeffizienz und die Qualität des Produkts sein.“

David gegen Goliath? Der Baukasten macht es möglich

Zwergenaufstand gegen die Mega-Plants der Chemiekonzerne und Ruß-Riesen also? Nicht ganz: Zwar setzt sich auch die Karlsruher-­Anlage aus dem aus dem Modulbaukasten der Projektpartner zusammen, doch gehe es prinzipiell darum, eine Machbarkeit zu demonstrieren. „Das Verfahren ist in mehrfacher Hinsicht ein technologischer Ansatz für eine nachhaltige Zukunft: Es kombiniert den direkten Beitrag zur Lösung des Klimaproblems mit einem Baustein einer postfossilen Rohstoffversorgung“, erklärt Dietrich.

Also Ruß gewonnen, Welt gerettet? So einfach ist es nicht, gibt man am KIT zu bedenken. CO₂ aus der Atmosphäre abzutrennen und zu nutzen, sei lediglich ein Baustein im Werkzeugkasten der Zukunftstechnologien. Die Klimarettung bleibt ein modulares Puzzle – ganz wie die Mini-Reaktoren der Anlagenbau-Start-ups.

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