Internationales Forschungsprojekt Citadel Lassen sich Kupfer und Stahl mit grünem Strom herstellen?

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Erneuerbare Energien kommen in vielen Bereichen zum Einsatz, selbst in vielen Bereichen der Industrie. Doch wie kann grüner Strom in Hochtemperaturprozessen eingesetzt werden? Ein internationales Team forscht unter der Leitung des HZDR und will fünf Demonstrationsanlagen errichten.

Das Bewusstsein für den Vorteil des Einsatzes erneuerbarer Energien ist in den vergangenen Jahren enorm gewachsen. Dieses Bewusstsein bezieht sich oft auf die Elektromobilität und auf Privathaushalte, aber auch im herstellenden und verarbeitenden Gewerbe sowie in der Industrie geben sich mehr und mehr Unternehmen die Mühe, erneuerbare Energien und dahin gehend bestehende Potenziale zu nutzen. In einigen Industriezweigen werden etwa erneuerbare Energien für die Bereitstellung von Prozesswärme und elektrischer Energie eingesetzt, was dazu beiträgt, den CO₂-Ausstoß zu reduzieren.

Etwa ein Fünftel der Treibhausgasemissionen Deutschlands ist der Industrie zuzurechnen. Die gute Nachricht: CO₂-Ausstoß im Jahr 2023 in Deutschland spürbar zurückgegangen. Bundeswirtschaftsminister Robert Habeck dazu Anfang Januar 2024: „Die Emissionen in Deutschland sind im letzten Jahr massiv gesunken. Gerade bei der Stromerzeugung sind wir auf einem sehr guten Weg: Die Kohleverstromung erreicht einen historischen Tiefstand, der Ausbau der Erneuerbaren hat dank der harten Arbeit der letzten zwei Jahre klar angezogen. Das ist sehr gut für den Klimaschutz und eine saubere und sichere Energieversorgung.“

Gleichzeitig merkte er an, dass der zurückgegangene Ausstoß der Industrie leider auch geopolitischen Faktoren zuzurechnen ist. „Mein Ziel als Wirtschaftsminister ist, dass Deutschland ein starker Industriestandort bleibt und klimaneutral wird. Deswegen haben wir unter großer Anstrengung die Industrieprogramme aus dem Klima- und Transformationsfonds nach dem Urteil des Bundesverfassungsgerichts gerettet und setzen sie konsequent um“, hält er fest.

Doch in einigen Bereichen der Industrie benötigt es ein wenig mehr, als nur grünen Strom aus der Steckdose anzuknipsen. Das zeigt uns ein internationales Forschungsteam unter dem Projektnamen Citadel, das sich mit der Herausforderung beschäftigt, energieintensive Industrien grün zu machen.

Citadel will umstellen

Das Citadel-Team vereint 14 Forschungseinrichtungen aus sieben europäischen Ländern unter der Führung des Instituts für Fluiddynamik am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Im Fokus stehen dabei energieintensive Prozesse mit der Produktion von feuerfesten Materialien, Glas, Stahl und Kupfer sowie dem Recycling von Beton. Insbesondere für Hochtemperaturprozesse wie die Herstellung von Glas und Stahl werden üblicherweise mit fossilen Energieträgern befeuert.

„Um die Klimaziele zu erreichen und der Erderwärmung zu begegnen, müssen wir einen enormen technischen Transformationsprozess in diesem Industriesektor anstoßen“, so Dr. Sven Eckert, Leiter der Abteilung Magnetohydrodynamik am Institut für Fluiddynamik des HZDR und Koordinator des Projekts. „Am Ende dieses Prozesses muss eine Industrie stehen, die im Wesentlichen auf treibhausgasneutralen Energieträgern basiert.“ Es wird nach einer Möglichkeit geforscht, Heizprozesse, die aktuell mit Erdöl, Gas oder Kohle umgesetzt werden, auf Mikrowellen-, Plasma-, Induktions- oder Widerstandsheizungen mit CO₂-arm erzeugten Strom umzustellen.

Citadel will Innovation in bewährte Prozesse bringen

Eckerts Worten zufolge lassen sich nicht einfach die Heizungen austauschen und dann ist alles gut. Jede Änderung an Prozessen, die jahrzehntelang optimiert wurden, kann einen Einfluss auf die Qualität, Stabilität und Kosten des Produkts haben. Die Untersuchung altbewährter Prozesse ist allerdings nötig, um die Erzeugung von Treibhausgasen zu verringern. Und weil sich alte Prozesse bewährt haben, bleiben viele Industrieunternehmen dabei.

Nun aber wächst die Bereitschaft, bisherige Technologien zu hinterfragen, denn mehr und mehr Unternehmen wollen ihren Beitrag zu den beschlossenen Klimazielen leisten.  „Meine Arbeitsgruppe Magnetohydrodynamik hat viel Erfahrung mit unterschiedlichen Formen elektrischen Heizens, aber auch mit Messtechniken in heißen Flüssigkeiten“, sagt Eckert. „So haben wir eine weltweit einzigartige Magnetfeldtomografie entwickelt. Mit deren Hilfe können aus Messungen des Magnetfeldes in unmittelbarer Umgebung eines elektrisch betriebenen Apparats in Echt-Zeit Informationen zur Stromverteilung im Inneren und dementsprechend zum Prozessverlauf und dem Zustand des Produkts gewonnen werden.“

Elektrische Heiztechnologien weisen also bereits zahlreiche Vorteile auf. Sie können schnell und flexibel gesteuert werden, wobei Temperaturverteilungen und Energieeintrag sehr effektiv kontrolliert werden. Weiterhin ist eine Integration mit innovativen Methoden zur Prozessüberwachung vorgesehen.

Fünf Demonstrationsanlagen geplant

Die meisten Treibhausemissionen könnten laut Eckert bei Hochtemperaturprozessen eingespart werden, die Temperaturen zwischen 600 und 1.600 Grad Celsius ablaufen. Aus den fünf Anwendungsfällen, Stahl-, Glas- und Kupferdrahterzeugung sowie die Herstellung von feuerfestem Material und Beton-Recycling, konnten für Citadel Kooperationspartner aus europäischen Unternehmen gewonnen werden. Bei diesen entstehen im Laufe des auf vier Jahre angelegten Projekts fünf Demonstrationsanlagen, anhand derer die Machbarkeit und das Leistungsvermögen von elektrischen Heiztechnologien im realen Umfeld nachgewiesen werden sollen.

„Daneben vervollständigen drei weitere Industriepartner und fünf Forschungsinstitute und Universitäten das Projektkonsortium. Während die zusätzlichen Partner aus der Industrie als spezialisierte Ausrüster für Hochtemperaturprozesse fungieren, beschäftigen sich die akademischen Partner mit der Technologieentwicklung sowie der Überwachung und Steuerung der Prozesse“, heißt es in der Ankündigung von Citadel.

Abhängig vom Erfolg des Projekts ist des Weiteren, dass zu jeder Zeit ausreichend regenerativ erzeugter Strom zu vertretbaren Kosten zur Verfügung steht. An der Stelle sind also auch der Ausbau des Netzes, der Erzeugung der erneuerbaren Energien sowie der Speicherkapazitäten in Deutschland wichtig. (sb)

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