Die Herstellung von Kalk gehört zu den größten CO2-Quellen der Baustoffindustrie, weil das Treibhausgas direkt aus dem Gestein entweicht. Forscher des Fraunhofer IKTS in Hermsdorf haben nun eine Anlage entwickelt, die genau dieses Prozess-CO2 auffängt und in nutzbare Rohstoffe verwandelt. Ein neuartiger Membranreaktor spielt dabei die Schlüsselrolle, denn er verbindet das Kalkbrennen mit einer chemischen Kreislaufkette. Was in der Pilotanlage bereits funktioniert und warum dabei sogar Wasserstoff und fester Kohlenstoff entstehen, zeigt die aktuelle Mitteilung aus Thüringen.
Kalk zählt zu den unauffälligsten und zugleich wichtigsten Werkstoffen der modernen Welt. Er steckt als Innen- und Außenputz in Gebäuden, bildet einen Hauptbestandteil von Zement und wird in der Stahl-, Chemie- und Lebensmittelindustrie sowie in der Trinkwasseraufbereitung in großen Mengen benötigt. Diese Allgegenwart hat allerdings einen hohen Preis für das Klima, denn die Baustoffindustrie verursacht etwa ein Viertel der globalen Treibhausgasemissionen. Besonders drastisch fällt die Bilanz bei den Brennprozessen aus: Abgase aus Zementwerken enthalten bis zu 33 Prozent CO2, die aus Kalkwerken oft mehr als 40 Prozent. Start-ups und Forschungseinrichtungen weltweit suchen deshalb seit Jahren nach Wegen zu einem klimaneutralen Zement und verwandten Baustoffen, bislang jedoch ohne flächendeckenden Durchbruch. Nun meldet ein Forschungsinstitut aus Thüringen einen Ansatz, der das Problem an seiner Wurzel packen soll.
Die Ursache des Problems liegt in der Chemie des Materials selbst. Um Kalk als Baustoff nutzbar zu machen, wird Kalkstein bei hohen Temperaturen gebrannt, wobei sich das Calciumcarbonat in Branntkalk und CO2 zersetzt. Pro Tonne gebranntem Kalk entstehen dabei rund 750 Kilogramm CO2, bei einer deutschen Jahresproduktion von etwa 6,4 Millionen Tonnen ist das ein erheblicher Posten in der nationalen Klimabilanz. Der Großteil dieser CO2-Emissionen stammt nicht aus dem Brennstoff, sondern aus dem Gestein, weshalb weder Ökostrom noch klimafreundliche Brenngase oder elektrische Öfen allein eine klimaneutrale Produktion ermöglichen. Die Branche gilt deshalb als Paradebeispiel für systembedingt unvermeidbare Prozessemissionen. Während Bauforscher den Materialverbrauch etwa mit dem ersten Haus aus Carbonbeton senken wollen, setzen andere Teams direkt am Brennprozess an und versuchen, das freigesetzte CO2 gar nicht erst in die Atmosphäre gelangen zu lassen.
Genau dieses Ziel verfolgt das Projekt Grüner Kalk am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS im thüringischen Hermsdorf. Wie die Fraunhofer-Gesellschaft in einer aktuellen Mitteilung berichtet, hat das Team um den Chemiker und Projektleiter Benjamin Jäger gemeinsam mit Partnern eine Anlage entwickelt, die eine klimaneutrale Kalkproduktion ermöglichen und zugleich neue Rohstoffe erzeugen soll. Kern der Idee ist ein Perspektivwechsel: Das beim Brennen freigesetzte CO2 wird nicht länger als Abfall in die Atmosphäre entlassen, sondern als Ausgangsstoff für weitere chemische Prozesse genutzt. Dafür kombiniert das Team einen abgedichteten elektrischen Ofen, in dem der Kalk gebrannt und das entstehende CO2 vollständig aufgefangen wird, mit einem eigens entwickelten Membranreaktor. Der Aufbau folgt dem Prinzip des Carbon Capture and Utilization, bei dem abgeschiedenes CO2 aus Industrieabgasen oder der Luft als Rohstoff wiederverwertet wird.
Im Membranreaktor reagiert das aufgefangene CO2 mit grünem Wasserstoff, der über eine druckgesteuerte Dosierung gezielt in die Reaktionszone gelangt, zu Methan. Der Produktstrom wird anschließend getrocknet und in einem Pyrolyseschritt wieder zerlegt, wobei Wasserstoff und elementarer Kohlenstoff entstehen, der als Carbon Black bekannt ist. Der zurückgewonnene Wasserstoff fließt erneut in die Methanisierung und senkt damit den Bedarf an teurem Elektrolyse-Wasserstoff erheblich, während sich der feste Kohlenstoff etwa in der chemischen Industrie oder als Zusatz für Düngemittel in der Landwirtschaft verwenden lässt. Das Reaktorprinzip wurde nach Angaben der Beteiligten bereits erfolgreich beim HySON-Institut für Angewandte Wasserstoffforschung in Sonneberg erprobt, das als Projektpartner die Verfahrenskette mit aufgebaut hat. Aus einem klimaschädlichen Abgas entsteht so ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf, der gleich zwei marktfähige Produkte liefert.
Den abgedichteten Elektroofen der Anlage entwickelte ein mittelständischer Industriepartner neu, gefördert wurde das Vorhaben vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt. Im nächsten Schritt wollen die Forscher die Technologie gemeinsam mit Partnern in den Industriemaßstab überführen, wobei Jäger auch für die Zementindustrie und die Abfallwirtschaft interessante Perspektiven sieht. Der Membranreaktor basiert laut Jäger auf den Kernkompetenzen des Fraunhofer IKTS in der Werkstoffentwicklung, Anlagenkonzeption und Systemintegration. Der Ansatz reiht sich in eine wachsende Zahl deutscher Projekte ein, die unvermeidbare Industrieemissionen in Wertstoffe verwandeln wollen, darunter ein Kreislaufsystem für CO2-Emissionen der Industrie, das seit dem Frühjahr in Deutschland erprobt wird. Zugleich verbindet Jäger die Entwicklung mit einer politischen Forderung: Bislang wird auf politischer Ebene ausschließlich die dauerhafte Speicherung von CO2 als Dekarbonisierung anerkannt. Für Branchen mit systembedingt unvermeidbaren CO2-Emissionen seien jedoch gerade Kreislauftechnologien entscheidend, damit die Baustoffindustrie langfristig klimafreundlicher werden kann.