Für eine nachhaltige Industrie ist die umfassende Etablierung einer Kreislaufwirtschaft von essentieller Bedeutung. Das DLR-Institut für Future Fuels betrachtet in diesem Zusammenhang insbesondere Kreisläufe von Kohlenstoff und Schwefel sowie das Recycling von Metallen und entwickelt Prozesse, um geeignete industrielle Verfahren effizient, ressourcenschonend und ökonomisch sinnvoll zu realisieren.
Viele Menschen haben längst erkannt, dass es ökologisch und ökonomisch sinnvoll ist, Materialien und Produkte wiederzuverwerten und wiederzuverwenden, anstatt sie nur einmal zu benutzen und dann wegzuwerfen. Dieses Verhalten ist notwendiger Bestandteil einer nachhaltigen Lebensweise und wird im Zuge eines steigenden weltweiten Rohrstoffbedarfs bei begrenzten Ressourcen in Zukunft unumgänglich sein. Das Thema Kreislaufwirtschaft hat daher in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen.
Die Kreislaufwirtschaft beschreibt zunächst ein regeneratives System, in dem Ressourceneinsatz, Abfall, Emissionen und Energieverluste minimiert werden. Dies erreicht man durch durch das Verlangsamen, Schließen und Abkürzen von Material- und Energiekreisläufen. Erreicht werden kann dies unter anderem durch die Wiederverwendung und Wiederaufbereitung, Aufarbeitung und Recycling von Grundstoffen und Produkten.
Die Europäische Kommission hat 2020 im Rahmen des EU Green Deal einen Aktionsplan veröffentlicht, der die Ausweitung der Kreislaufwirtschaft als entscheidenden Beitrag bezeichnet, Klimaneutralität zu erreichen, das Wirtschaftswachstum von der Ressourcennutzung zu entkoppeln und die langfristige Wettbewerbsfähigkeit der EU zu sichern. Für das Institut für Future Fuels ist die Kreislaufwirtschaft ein zentrales Forschungsthema. Dabei werden insbesondere die Kreisläufe von Kohlenstoff, Schwefel und Metallen untersucht und nachhaltige Technologien entwickelt.
Kohlenstoffkreisläufe
Der natürliche Kohlenstoffkreislauf ist von essenzieller Bedeutung für das Leben auf der Erde. Die Aufnahme von CO2 aus der Atmosphäre durch Photosynthese, die Bildung von Biomasse und Entstehung von Erdgas, Erdöl und Kohle im Boden sind jedoch vergleichsweise langsame Prozesse. Folglich steigt die CO2-Konzentration in der Atmosphäre seit Beginn der Industrialisierung durch die Verbrennung fossiler Energieträger kontinuierlich an und führt zum anthropogenen Treibhauseffekt.
Um die Erderwärmung auf 1,5 bis maximal 2 Grad Celsius zu begrenzen, müssen laut Weltklimarat die Treibhausgasemissionen bereits bis 2030 in allen Sektoren drastisch reduziert werden. Zu den dafür erforderlichen Maßnahmen gehören die Senkung des Energieverbrauchs durch Verhaltensänderungen sowie durch effizientere Geräte und Prozesse, die Ausweitung der Elektrifizierung, die bessere Kopplung der Sektoren, der Ersatz fossiler durch synthetische Kraftstoffe und der Ausbau von Energiespeichern. Studien zeigen jedoch, dass es zusätzlich erforderlich sein wird, CO2 aus Industrieprozessen und bereits in die Atmosphäre gelangtes CO2 einzufangen und langfristig zu speichern (Beispiel: Mengis et al. 2022 “Net-Zero CO2 Germany – A Retrospect From the Year 2050”). Neben konventionellen Maßnahmen wie der Aufforstung von Wäldern oder der Renaturierung von Mooren, werden dafür technische Lösungen benötigt.
In diesem Zusammenhang betrachtet das Institut für Future Fuels unter anderem Verfahren zum sogenannten Direct Air Capture (DAC). Das dabei gewonnene CO2 kann entweder als chemischer Grundstoff beispielsweise für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe genutzt werden – das sogenannte CCU (Carbon Capture and Utilisation) – oder es kann dauerhaft eingelagert werden. Bei dieser Kohlenstoffspeicherung wird das abgetrennte reine CO2 komprimiert, transportiert und in ein geologisches Endlager gepumpt. Dieses Verfahren wird als CCS (Carbon Capture and Storage) bezeichnet.
Neue Kohlenstoffkreisläufe
Illustration der historischen linearen Kohlenstoffwirtschaft, die fossilen Kohlenstoff verbrennt (gelbe Pfeile), und neuer Ansätze, die eine kreislauforientierte Kohlenstoffwirtschaft ermöglichen, (hellblaue Pfeile) sowie Maßnahmen zur Beseitigung von Kohlendioxid (dunkelblaue Pfeile).
Credit:
Helmholtz-Klimainitiative / Tanja Hildebrandt
Schwefelkreisläufe
Elementarer Schwefel (S) ist ein Ausgangsstoff von Schwefelsäure (H2SO4), eine der weltweit wichtigsten und meistproduzierten Grundchemikalien. Die chemische Industrie baut Schwefel entweder aus geologischen Lagerstätten ab, gewinnt ihn aus schwefelhaltigen Verbindungen der fossilen Energieträger Erdöl, Erdgas und Kohle oder aus sulfidischen Erzen. Aufgrund der begrenzten geologischen Vorkommen und wegen der sinkendenden Fördermengen von fossilen Brennstoffen wird es zukünftig immer bedeutsamer, den Schwefel nachhaltig in Kreislaufprozessen zu führen. Das Institut für Future Fuels entwickelt solche Prozesse, in denen der Schwefel nicht verbraucht, sondern nach der Nutzung wieder zurückgewonnen wird.
Eine solarthermische Anlage konzentriert mithilfe von Spiegeln Sonnenlicht und wandelt es in Wärmenergie hoher Temperatur um. Diese Hochtemperaturwärme kann für das Spalten von Schwefelsäure genutzt werden. Die entstehenden Spaltprodukte Schwefeldioxid (SO2) und Wasser (H2O) sind die Ausgangsprodukte, um frischen Schwefel zu gewinnen. Dieser kann entweder gelagert oder in einer Gasturbine zur Stromerzeugung verbrannt werden. Als Brenngas entsteht hierbei wiederum Schwefeldioxid (SO2), welches konventionellen Schwefelsäureanlagen zugeführt wird. Dort entsteht frische Schwefelsäure und eine große Menge Abwärme. Die Abwärme treibt eine Dampfturbine an, die zusätzlichen Strom erzeugt. Die frische Schwefelsäure steht dann erneut der Schwefelsäurespaltung zur Verfügung.
In einem anderen Verfahren kann das bei der Schwefelsäurespaltung entstehende SO2 in der sogenannten SO2-depolarisierten Elektrolyse (SDE) zur Herstellung von Wasserstoff genutzt werden. Als zusätzliches Produkt entsteht dabei frische Schwefelsäure. Der vom Institut für Future Fuels in diesem Zusammenhang entwickelte Kreisprozess ist der sogenannte Schwefelsäure-Hybrid-Prozess (HyS).
Vereinfachte Darstellung des Schwefelspeicherkreislaufs
Solarthermische Anlagen mit Schwefelproduktion lassen sich insbesondere in sonnenreichen Gebieten effektiv betreiben. Der dabei gewonnene Schwefel kann im Anschluss problemlos in sonnenärmere Regionen transportiert werden.
Metalle wie Stahl, Aluminium, Kupfer oder Lithium sind Kernmaterialien unserer industriellen Welt und häufig unsichtbare, zentrale Bausteine alltäglicher Dinge, mit denen wir uns umgeben. Die Nutzung von Metallen ist bereits seit Jahrtausenden Teil des menschlichen Alltags, die Palette und Bandbreite der genutzten Metalle ist allerdings in den letzten Jahrzehnten stark gestiegen und um eine Vielzahl von Stoffen erweitert worden, wie zum Beispiel um die seltenen Erden, zu denen Cer oder Yttrium gehören oder die Übergangsmetalle wie Palladium und Platin. Elektronische Geräte beinhalten teilweise mehr als fünfzig Metalle.
Die Herstellung und Aufarbeitung von Metallen zählen zu den energieintensivsten Prozessen in der Industrie. Die Verfahren sind häufig komplex, bestehen aus mehreren Schritten und erfordern nicht selten Temperaturen von über 1.000 Grad Celius zum Aufschmelzen und Verarbeiten des Metalls. Da sie bisher meist durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe durchgeführt werden, haben diese Verfahren einen sehr hohen CO2-Ausstoß. So zählt die Produktion von Stahl zu den größten CO2-Emittenten in der Industrie. Rohstoffknappheit als auch nicht nachhaltige Abbaumethoden sind ein Grund, weshalb die Wiedergewinnung und das Recycling von Metallen in Zukunft unerlässlich ist. Auch ist das Recyclen von Metallen oft weniger energieaufwendig als die Herstellung aus Primärrohstoffen.
Aufschmelzen von Aluminiumschrott
Mithilfe des Sonnenofens in Köln-Porz können Hochtemperatur-Versuche mit Metall-Schmelzen durchgeführt werden.
Die Umstellung der Erzeugung, der Bearbeitung und das Recyceln von Metallen auf eine nachhaltige Basis zählen zu den weiteren Prozessen der Kreislaufwirtschaft, die am Institut für Future Fuels entwickelt werden. Hierbei erforschet das Institut Wege der Integration von erneuerbaren Energieträgern. Prozesswärme kann zum Beispiel durch konzentrierende Solarsysteme bereitgestellt werden. Durch diese Technik können Temperaturen über 1.000 Grad Celsius generiert werden, weshalb sie auch für das Aufschmelzen von Metallen oder Metallabfällen interessant ist. Zudem ist die Nutzung von grünem Wasserstoff ein Thema. Er kann zum Beispiel als Reduktionsmittel bei der Herstellung und Bearbeitung von Stahl eingesetzt werden und so CO2-Emissionen reduzieren.
