Klimaneutrale Industrie –Teil 3: Kohlenstoffarme Moleküle

Das Potenzial von grünem Wasserstoff als vielseitiges Molekül für die Defossilisierung von »Hard-to-abate«-Sektoren, in denen eine direkte Elektrifizierung nach wie vor eine Herausforderung darstellt, ist unbestritten. Dennoch ist der Markthochlauf von Wasserstoff auf Basis erneuerbarer Energien und dessen Derivaten aufgrund hoher Investitionskosten (CAPEX), erhöhter Herstellungskosten (LCoX) und eines unzureichend entwickelten regulatorischen Rahmens ins Stocken geraten. Diese Hindernisse haben den kommerziellen Einsatz verlangsamt und festgeschriebene Klimaziele drohen verfehlt zu werden.

Gleichzeitig bieten reichlich vorhandene biogene CO₂-Quellen und Abfallströme – aus Biogas-, Bioethanol-Anlagen, Deponiegas, Abwasserbehandlungsgas und der Biomasseverarbeitung – ein großes kurzfristiges Potenzial, bleiben jedoch für die Herstellung kohlenstoffarmer Moleküle bislang weitgehend ungenutzt. Durch die thermische Verwertung dieser Quellen (mittels Aufbereitung oder Reformierung), können neben CO₂ auch nachhaltiges H₂ bereitgestellt werden. Beide Moleküle vereint ergeben das Grundrezept zur Synthese nachhaltiger Kohlenwasserstoffe. Die Erschließung dieses Potenzials kann dazu beitragen, die derzeitigen Kosten- und Einführungsbarrieren bei der Herstellung von Molekülen für die Luftfahrt, die Schifffahrt und die chemische Industrie zu überwinden. Durch die Verwertung methanreicher (CH₄) biogener Gase in Verbindung mit grünem Wasserstoff lassen sich erhebliche Einsparungen bei Treibhausgasen (THG), CAPEX und den LCoX erzielen, indem bestehende Infrastruktur und ausgereifte Technologien genutzt werden.

Innovation4E hat Dr. Ramy Essam, Forscher und Projektleiter am Fraunhofer ISE, zu seiner Arbeit an kohlenstoffarmen Molekülen und deren Potenzial befragt.

Dr. Essam, Sie beschäftigen sich mit Produktionsverfahren für kohlenstoffarme Moleküle aus biogenen CO₂-Quellen. Was ist Ihr Schwerpunkt?

Wir entwickeln und bewerten innovative Produktionsverfahren für kohlenstoffarme Moleküle aus biogenen Ressourcen und Abfallströmen. Der Begriff »kohlenstoffarme Moleküle« bezieht sich auf verschiedene synthetische Energieträger und Chemikalien, die fossile Energieträger und Chemikalien ersetzen können und bei deren Herstellung, Vertrieb und Nutzung geringere Netto-CO₂-Emissionen entstehen als im Vergleich zu fossil-basierten Energieträgern und Chemikalien; sie sind daher von großer Bedeutung für Sektoren und Branchen, die ihren CO₂-Fußabdruck reduzieren müssen.

Der Schwerpunkt meiner Arbeit liegt auf der Prozessentwicklung, der technisch-wirtschaftlichen Bewertung und der Ermittlung von Produktionsverfahren für Methanol, Dimethylether (DME) und nachhaltigen Flugkraftstoff (sustainable aviation fuel, SAF) auf skalierbare und wirtschaftlich tragfähige Weise.

Eines Ihrer jüngsten Forschungsprojekte trug den Namen »SHIFT«. Worum ging es dabei und welche Rolle spielt es bei der Weiterentwicklung kohlenstoffarmer Moleküle?

Das »SHIFT«-Projekt ist eine unserer vielen spannenden Initiativen. Wir arbeiten mit internationalen Forschungseinrichtungen zusammen, darunter das Fraunhofer CSET in Chile. Im Rahmen des Projekts untersuchten wir bestehende biogene CO₂-Quellen in Chile im Hinblick auf die Herstellung kohlenstoffarmer Moleküle. Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen sektorgekoppelte Systeme für Wärme, Industrie, Kraftstoffe und Verkehr. Dabei wurde das Potenzial für die groß angelegte Integration erneuerbarer Energien in die nachhaltige chemische Produktion bewertet, mit dem Ziel, die Kosten zu senken und die Effizienz entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu verbessern.

SHIFT hat durch eine systematische Prozessbewertung Pionierkonzepte identifiziert. Wir haben Verfahren untersucht, die es ermöglichen, aus biogenen Quellen wichtige Energieträger wie Methanol, DME und SAF herzustellen. Dies erfolgte auf der Grundlage realer Fallstudien, bei denen kostengünstiges biogenes CO₂ mit vorteilhaften CO₂/CH₄-Verhältnissen zum Einsatz kam.

Es wurden Prozesssimulationen, die Auslegung und die Optimierung der Synthesegaserzeugung durchgeführt sowie die nachgelagerte Synthese bewertet, um skalierbare und kosteneffiziente Lösungen zu ermitteln. Im Rahmen einer technisch-wirtschaftlichen Bewertung wurden die Produktionskosten quantifiziert; ergänzt wurde dies durch eine Standortkartierung, um Standorte mit optimalem Zugang zu biogenen Rohstoffen, Infrastruktur und mit einer Nähe zu Abnehmern zu identifizieren. Diese Methodik haben wir mittlerweile in einer Vielzahl von Ländern und Regionen angewendet, um für unsere Auftraggeber die vielversprechendsten Standorte für sogenannte Power- and Biomass-to-X-Konzepte zu identifizieren.

Welche Technologie halten Sie kurzfristig für am vielversprechendsten?

Methanol ist eine attraktive Option, da es sich effektiv als chemischer Zwischenrohstoff, flüssiger Kraftstoff und Energieträger eignet und gleichzeitig die bestehende Infrastruktur genutzt werden kann. Unter den möglichen Verfahren sticht der Weg von Biogas zu Biomethanol als kurzfristig realisierbare Lösung hervor: Dieser ermöglicht einen unmittelbaren Einsatz unter Nutzung bestehender biogener CO₂-Quellen und trägt so dazu bei, die Lücke zu schließen, während Technologien für grünen Wasserstoff ausgebaut werden. Unsere vorläufigen techno-ökonomischen Analysen deuten auf eine Senkung der Investitionskosten (CAPEX) um etwa 30 % im Vergleich zu herkömmlichen Power-to-X-Verfahren (PtX) hin, d. h. typischen Produktionsverfahren für synthetische Energieträger und Chemikalien auf Basis von grünem Wasserstoff. Dies macht den Biogas-basierten Pfad bereits heute attraktiv und praktikabel.

Umwandlung biogener Gasquellen in Chile in biobasiertes Methanol. Zwei Anlagen mit unterschiedlichen CH₄/CO₂-Verhältnissen: Fälle 1–3 Deponiegas (La Hormiga), Fall 4 Biogas (Plant Agrícola). Zu den Prozessvarianten gehören die Synthesegaserzeugung durch Reformierung, die zusätzliche H₂-Gewinnung durch Elektrolyse, die CO₂-Entfernung aus dem Stoffstrom sowie die H₂-Anreicherung durch die Wasser-Gas-Shift-Reaktion (WGS) in Kombination mit der CO₂-Entfernung.

Warum haben Sie sich für die Energieforschung als beruflichen Werdegang entschieden?

Ich habe mich für die Energieforschung entschieden, weil ich zu praktischen, anwendungsorientierten Forschungs- und Entwicklungslösungen beitragen wollte, die schon heute einen echten Unterschied machen. Es macht mir großen Spaß, an der Schnittstelle zwischen Forschung, Industrie und praktischer Umsetzung zu arbeiten und Konzepte in wirtschaftliche Lösungen umzusetzen, die von der Industrie angewendet werden können.

Meine Herkunft hat meinen Blick geschärft. Ich sehe großes Potenzial darin, die reichhaltigen Ressourcen an erneuerbaren Energien in Ägypten (meiner früheren Heimat) mit dem technologischen Know-how und den Umsetzungskapazitäten Deutschlands (meiner jetzigen Heimat) zu verbinden, interkontinentale Energiepartnerschaften aufzubauen und zu einer nachhaltigeren Zukunft für alle beizutragen.

Wo sehen Sie die größten Chancen für die zukünftige Entwicklung?

Die größten Chancen liegen in der systematischen Nutzung biogener CO₂-Quellen und Abfallströme zur Herstellung kohlenstoffarmer Moleküle sowie in der Integration erneuerbarer Energien in die bestehende industrielle Infrastruktur. Diese Kombination kann Emissionen senken, Kosten reduzieren und den Einsatz in Sektoren beschleunigen, in denen eine Emissionsminderung besonders schwierig ist (z. B. im Schifffahrtssektor). Die beschriebenen Konzepte leisten zudem einen wichtigen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft, indem sie die Rückführung von CO₂ in den Stoffkreislauf ermöglichen und dazu beitragen, den Kohlenstoffkreislauf möglichst weit zu schließen.

Die Lösungen müssen regionsspezifisch sein: Solarenergie mit Speicherkapazitäten in sonnenreichen Regionen wie beispielsweise dem Nahen Osten und Nordafrika (MENA) sowie Südamerika, Windenergie in Nordeuropa oder Südamerika, Geothermie und Wasserkraft, wo dies möglich ist, grüner Wasserstoff, kohlenstoffarme Moleküle und E-Kraftstoffe für Sektoren, in denen Emissionsminderungen nur schwer zu erreichen sind. Eine schnelle Umsetzung des richtigen Mixes im Rahmen einer Zusammenarbeit ist der Schlüssel zur Erreichung der Netto-Null. Unser Projekt »Power-to-X Colombia 2.0« liefert hierfür ein praktisches Beispiel. Die Modellierungsergebnisse bilden die Grundlage für gezielte Pilot- und Vorzeigeprojekte zur Herstellung von kohlenstoffarmem Methanol. Ein identifiziertes Vorzeigekonzept basiert auf der Nutzung von Deponiegas aus der Region Cartagena als Rohstoffquelle und wird durch lokale Partnerschaften, die Integration von Rohstoffen sowie den Zugang zu industriellen Abnehmern unterstützt. Dies verdeutlicht, wie unsere Arbeit über die Modellierung und die technisch-wirtschaftliche Bewertung hinausgeht, indem sie die Entwicklung von Pilot- und Demonstrationsprojekten unterstützt.

Am Fraunhofer ISE entwickeln wir innovative Lösungen, um den Übergang zur klimaneutralen Industrie zu unterstützen. Unsere Forschung konzentriert sich auf die Integration erneuerbarer Energien, die Verbesserung der Energieeffizienz und die Nutzung von Abwärme in industriellen Prozessen. Durch die Kombination von Technologieentwicklung, Prozessoptimierung und umfassender Beratung helfen wir Unternehmen, ihre Emissionen zu reduzieren und ihre Produktion zukunftssicher zu gestalten.

 Weiterführende Infos:

• Prozesssimulation für innovative verfahrenstechnische Industrieprozesse
• Sektorgekoppelte Systeme für Wärme, Industrie, Kraftstoffe und Verkehr in Chile »SHIFT«
• Power-to-X Colombia – Produktion von grünem Wasserstoff und Derivaten
• LNG2Hydrogen – TransHyDE-Projekt zur Umstellung von LNG-Terminals auf wasserstoffbasierte Energieträger

Titelbild: © iStock.com / CHUNYIP WONG, Grafik Fraunhofer ISE

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Klimaneutrale Industrie – Teil 2: Transformationskonzepte