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Adaptiver und ressourcenschonender Prozess zum Recycling von wirtschaftsstrategischen Batteriemetallen

Recycling organischer Reststoffe und CO2 zu Kraftstoffen, Teilprojekt 2: Prozess- und Verfahrensanalysen am Testreaktor

reTURN wird ein Verfahren zur Herstellung CO2-neutraler synthetischer Kraftstoffe demonstrieren. Dieses beinhaltet nicht nur das Potenzial signifikanter CO2-Reduktionen, sondern auch das Erzielen einer wesentlichen Effizienzsteigerung in der Produktion synthetischer Kraftstoffe und damit eine drastische Kostenreduktion. Im Verfahren werden drei etablierte Prozessschritte erstmalig in einem skalierbaren Einzelreaktor integriert, um auf Basis von rezykliertem CO2 und Biomethan aus organischen landwirtschaftlichen/ städtischen Restabfällen Synthesegas herzustellen: (1) Plasma-Verfahren mittels Biomethanpyrolyse, (2) Boudouard-Reaktion, (3) heterogene Wassergas-Shift-Reaktion mit anschließendem Quenching. Diese Kombination ermöglicht eine flexible Zusammensetzung des entstehenden Synthesegases, sodass nachfolgend verschiedene Konversionstechnologien als vierter Schritt des reTURN Verfahrens eingesetzt und damit verschiedene klimafreundliche Kraftstoffe oder Grundchemikalien produziert werden können. Das Projekt verwendet die Fischer-Tropsch-Synthese, um die gesamte Prozesskette bis hin zu den Endprodukten in einer Testanlage zu erforschen und zu erproben sowie einen Nachweis der technischen Machbarkeit und Massenmarkttauglichkeit zu erbringen. Schwerpunkte von reTURN sind der Bau und Testbetrieb des neuartigen Reaktors, begleitet von verschiedenen Forschungen am Reaktor, wie bspw. Messkampagnen und einer ökologischen Nachhaltigkeitsbetrachtung mit dem Fokus auf CO2. reTURN bietet vielfältige Verwertungsmöglichkeiten, insb. neue Geschäftsmodelle für CAPHENIA und Betreiber von Biogas- bzw. Fermentationsanlagen. Mit dem Einsatz erneuerbarer Energie entsteht zudem ein wesentliches Potenzial für eine nachhaltige Sektorenkopplung des Verkehrs- und Stromsektors in Deutschland. Damit stellt reTURN nicht nur ein Vehikel zur Stärkung der nationalen Vorreiterrolle im Nachhaltigkeitskontext bereit, sondern leistet auch einen entscheidenden Beitrag zum weltweiten Klimaschutz.

Recycling organischer Reststoffe und CO2 zu Kraftstoffen

reTURN wird ein Verfahren zur Herstellung CO2-neutraler synthetischer Kraftstoffe demonstrieren. Dieses beinhaltet nicht nur das Potenzial signifikanter CO2-Reduktionen, sondern auch das Erzielen einer wesentlichen Effizienzsteigerung in der Produktion synthetischer Kraftstoffe und damit eine drastische Kostenreduktion. Im Verfahren werden drei etablierte Prozessschritte erstmalig in einem skalierbaren Einzelreaktor integriert, um auf Basis von rezykliertem CO2 und Biomethan aus organischen landwirtschaftlichen/ städtischen Restabfällen Synthesegas herzustellen: (1) Plasma-Verfahren mittels Biomethanpyrolyse, (2) Boudouard-Reaktion, (3) heterogene Wassergas-Shift-Reaktion mit anschließendem Quenching. Diese Kombination ermöglicht eine flexible Zusammensetzung des entstehenden Synthesegases, sodass nachfolgend verschiedene Konversionstechnologien als vierter Schritt des reTURN Verfahrens eingesetzt und damit verschiedene klimafreundliche Kraftstoffe oder Grundchemikalien produziert werden können. Das Projekt verwendet die Fischer-Tropsch-Synthese, um die gesamte Prozesskette bis hin zu den Endprodukten in einer Testanlage zu erforschen und zu erproben sowie einen Nachweis der technischen Machbarkeit und Massenmarkttauglichkeit zu erbringen. Schwerpunkte von reTURN sind der Bau und Testbetrieb des neuartigen Reaktors, begleitet von verschiedenen Forschungen am Reaktor, wie bspw. Messkampagnen und einer ökologischen Nachhaltigkeitsbetrachtung mit dem Fokus auf CO2 Äquivalenten. reTURN bietet vielfältige Verwertungsmöglichkeiten, insb. neue Geschäftsmodelle für CAPHENIA und Betreiber von Biogas- bzw. Fermentationsanlagen. Mit dem Einsatz erneuerbarer Energie entsteht zudem ein wesentliches Potenzial für eine nachhaltige Sektorenkopplung des Verkehrs- und Stromsektors. Damit stellt reTURN nicht nur ein Vehikel zur Stärkung der nationalen Vorreiterrolle im Nachhaltigkeitskontext bereit, sondern leistet auch einen entscheidenden Beitrag zum weltweiten Klimaschutz.

Neue Wege der Strom-basierten Konversion von biogenen Rohstoffen und der elektrochemischen Herstellung von biobasierten Produkten

Lignin ist ein nachwachsender Rohstoff (Bestandteil von Holz, in etwa 30 % Gewichtsanteil der Trockenmasse), der als Biopolymer aus hoch funktionalisierten, phenolischen Makromolekülen aufgebaut ist. Dieser biogene Rohstoff fällt in der Holz- und Zellstoffverarbeitenden Industrie in großen Mengen als Neben- beziehungsweise Reststoff an und wird bis heute nur wenig stofflich genutzt. Ein Großteil wird verbrannt und energetisch genutzt. Im Sinne einer ressourceneffizienten Kreislaufwirtschaft und einer bestmöglichen Wertschöpfung soll in ElektrALig ein innovativer Weg aufgezeigt werden, wie die regenerative Kohlenstoffquelle Lignin großtechnisch als chemischer Grundstoff für die Herstellung von Polymerbausteinen genutzt werden kann. In einem zweistufigen Produktionsverfahren sollen dazu die im Lignin enthaltenen aromatischen Polymerbausteine chemisch aufgeschlossen, über eine konvergente elektrochemische Umsetzung zu definierten Zielstrukturen umgesetzt und so für Anwendungen in der Produktion von Polymerharzen zugänglich gemacht werden. Zusammenarbeit der Industriepartner Mercer Rosenthal, Borregaard, Covestro und Heraeus und der Ruhr-Universität Bochum mit dem Lehrstuhl CSC und der Arbeitsgruppe Apfel als ausführenden Stellen vereint eine einzigartige Expertise im Bereich der Ausgangsstoffe, der chemischen Verfahrenstechnik, der elektrochemischen Reaktionstechnik und der Polymeranwendungen. So kann eine effiziente Strategie zur stofflichen Nutzung von Lignin umgesetzt werden, die von einem grundlegenden chemischen Verständnis des Aufbaus von technisch verfügbaren Ligninen, über konkrete Teilschritte zu einem ausgefeilten verfahrenstechnischen Konzept der strom-basierten Konversion des biogenen Rohstoffes Lignin reicht.

Membranverfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus Industriegasen, Teilvorhaben: Membrantechnologie für die CO2-Abtrennung in der Zementindustrie

Gastrennmembranen stellen eine Querschnittstechnologie für die Energiewende dar. Sie erlauben es, eine modular skalierbare und dynamisch betreibbare Gastrenntechnologie an verschiedenste Anlagentypen und -größen anzupassen und dabei durch die unterschiedlichen zur Verfügung stehenden Membranmaterialien zahlreiche Trennaufgaben zu adressieren. Aus diesem Grunde sind sie bestmöglich geeignet, unterschiedliche Industrie- und Energieerzeugungssegmente im Sinne der Sektorkopplung zu verbinden. Dieser Querschnittsgedanke wird im geplanten Vorhaben MemKoWI durch die Untersuchung von Membranverfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus verschiedenen, in der Industrie und der regenerativen Energieerzeugung auftretenden Abgas- und Prozessgasströmen verfolgt. Beide Gaskomponenten, CO2 und H2, stellen im Kontext der Energie- und Rohstoffwende Einsatzstoffe für die Erzeugung von Energieträgern und industriellen Grundstoffen mittels Power-to-X Verfahren dar. Im geplanten Vorhaben sollen dazu exemplarisch relevante Abgas- und Prozessgasströme folgender ausgewählter Industrieprozesse betrachtet werden: - Regenerative Energieerzeugung: Frischholzkraftwerk CO2-Abtrennung aus dem Abgas. - Zementindustrie: CO2-Abtrennung aus dem Abgas. - Eisen- und Stahlindustrie o Gichtgaskraftwerk: CO2-Abtrennung aus dem Abgas o Hochofengas: CO2-Abtrennung und Aufbereitung für anschl. Synthesegasherstellung o Hochofengas: H2-Abtrennung und prozessinterne Rückführung als Reduktionsmittel o Koksofengas: H2-Abtrennung zur Aktivierung von CO2 für die Erzeugung von Grundchemikalien und Kraftstoffen sowie zur Nutzung als Reduktionsgas im Hochofen und Direktreduktion. Der Fokus des Vorhabens liegt auf der experimentellen Untersuchung des Gastrennverfahrens im Miniplant- und Testanlagenmaßstab. Dabei sollen ein- und zweistufige Verfahrensführungen getestet werden. Begleitet werden sollen die experimentellen Aktivitäten durch theoretische Arbeiten zur Modellierung und Simulation der Trennverfahren.

Energie- und Kohlenstoff-Roadmap für die europäische Chemieindustrie

Ecofys unterstützte den CEFI, bei der Entwicklung und Ausarbeitung der Energie- und Kohlenstoff-Roadmap 2050 . Die Roadmap untersucht, welche Rolle die Chemieindustrie langfristig betrachtet in einem energieeffizienten und emissionsarmen Europa der Zukunft spielen kann. In vier versch. Szenarien werden die zukünftige Nachfrage nach und damit die Produktion von Produkten der chemischen Industrie bis 2050 sowie die Entwicklung und der Einsatz von Energieeffizienz- und kohlenstoffarmen Technologien bewertet. Die Szenarien unterscheiden sich dabei hinsichtlich ihrer Annahmen zum energie- und klimapol. Umfeld in Europa und dem Rest der Welt, zur Entwicklung von Energie- und Rohstoffpreisen sowie der Geschwindigkeit, mit welcher relevante Innovationen voranschreiten. Die Studie untersucht ebenfalls, welche Rolle der europäischen Chemieindustrie in der Bereitstellung von Energieeffizienz- und kohlenstoffarmen Lösungen für andere Wirtschaftsbranchen zukommen kann. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Produkte der chemischen Industrie in allen Wirtschaftsbereichen Verbesserungen in der Energieeffizienz und der Minderung von Treibhausgasemissionen ermöglichen, wobei sich diese Rolle der Chemieindustrie künftig noch verstärken dürfte. Weiterhin wird in der Studie deutlich, dass die Preisdifferenzen, welche für Energie und Rohstoffe im Vergleich zu den wichtigsten Wettbewerbsregionen bestehen, die globale Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Chemieindustrie gefährden. Eine auf Europa beschränkte und nicht global abgestimmte Energie- und Klimapolitik, welche zu höheren Kosten der europäischen Produktion führt, würde die Wettbewerbsfähigkeit weiter schwächen und zu einer geringeren Produktion in Europa und damit zu vermehrten Importen von chemischen Produkten nach Europa führen. Die Verbesserung der Energieeffizienz wird den größten Beitrag leisten, die zukünftigen Treibhausgasemissionen der europäischen Chemieindustrie zu reduzieren. Des Weiteren können alternative Brennstoffe zur Erzeugung von Prozesswärme sowie die Vermeidung von Lachgasemissionen sich positiv auf die Emissionsminderung auswirken. Darüber hinaus bergen die Dekarbonisierung des Stromsektors und nach 2030 auch die CCS-Technologie zusätzliche Emissionsminderungspotentiale. Wachstum und Innovation wird dabei in den kommenden Jahren bei der Erzielung realer Emissionsminderungen eine entscheidende Rolle zukommen. Angesichts dieser Ergebnisse appelliert die Studie an die politischen Entscheidungsträger, die energie- und klimapolitische Rahmenbedingungen derart zu gestalten, dass Anreize für ein nachhaltiges und effizientes Wachstum der chemischen Industrie geschaffen werden, um die Attraktivität für Investitionen zu steigern und weitere Innovationen zu fördern. Die Studie liefert wertvollen Input für die Diskussion zur europäischen Energieversorgung sowie der post 2020 Klima und Industriepolitik. Ecofys kam die Rolle der Projektkoordination zu und lieferte zudem unabhängige analyt. Beiträge.

Verfahrensentwicklung zur klimaneutralen Produktion von Grundchemikalien mittels innovativer Membranverfahren am Beispiel von Alkalicarbonaten, Teilprojekt 1: Koordination, Membranentwicklung und -fertigung

Von Kohlenhydraten aus sekundären Rohstoffquellen zu Chemierohstoffen, CARBO-DIOL2.0 - Von Kohlenhydraten aus sekundären Rohstoffquellen zu Chemierohstoffen

Innovative/nachhaltige Techniken: Festlegung von besten verfügbaren Techniken in Europa: TV 1 Überarbeitung des BVT-Merkblattes Herstellung von anorganischen Grundchemikalien

Das Vorhaben unterstützt die Überarbeitung des BVT-Merkblattes 'Large Volume Inorganic Chemicals (LVIC BREF)', welche unter der Industrieemissions-Richtlinie (IED) erfolgt. Gemäß Art. 13 der IED findet ein EU-weiter Informationsaustausch (Sevilla-Prozess) über die 'Besten verfügbaren Techniken' (BVT) statt. Die daraus resultierenden BVT-Schlussfolgerungen enthalten verbindliche Anforderungen für die Genehmigung von Industrieanlagen. Eine große Relevanz für eine intensive Mitarbeit am Sevilla Prozess besteht darin, dass Deutschland die größte Chemie-Nation in Europa darstellt. Der Beginn der Überarbeitung des BVT-Merkblattes 'Large Volume Inorganic Chemicals' (LVIC) ist für das Jahr 2021 vorgesehen. Für die Revision des BVT-Merkblattes 'LVIC' sollen begleitend technische Papiere und Beispiele für ressourcenschonende und emissionsarme Herstellungsverfahren erstellt werden. Diese Zuarbeiten gilt es effektiv in den Sevilla-Prozess einzubringen. Zudem dient das vorliegende Vorhaben neben fachlichen Unterstützung des Umweltbundesamtes im Sevilla Prozess, sowohl auf nationaler als auch internationaler Ebene.

Reduktion von CO mit Übergangsmetall-Katalysatoren

Durch zunehmend steigende Preise für Rohöl und gleichzeitig abnehmenden Quellen werden alternative Methoden zur Darstellung von chemischen Grundstoffen zunehmend interessanter. Eine Möglichkeit bildet die Umsetzung von Synthesegas, einem Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, zu Alkoholen wie Methanol und zu Kohlenwasserstoffen. Die meisten Verfahren verwenden für die Umsetzung von Synthesegas heterogene Katalysatoren bei hohen Temperaturen und Drücken mit meist geringen Selektivitäten. Ein kontrolliertes Verfahren mit hoher Selektivität zur Darstellung von Methanol aus Synthesegas ist unter Verwendung von homogenen Katalysatoren denkbar. Als Katalysatoren sollen später Übergangsmetallhydridkomplexe mit vierzähnigen Liganden verwendet werden. Diese zeichnen sich durch eine hohe Reaktivität gegenüber CO aus. Gestützt durch mechanistische Studien und quantenchemische Berechnungen sollen neue Katalysatorsysteme für die homogene Hydrierung von CO entwickelt werden.

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