Umwandlung von CO2 aus Kohlekraftwerken mit grünem Ammoniak in Südafrika

Als Unterzeichner des Pariser Klimaabkommens hat sich auch Südafrika verpflichtet, seine CO2-Treibhausgasemissionen zu reduzieren. So hat das südafrikanische Ministerium für Bodenschätze und Energie in seinem »Integrierten Ressourcenplan 2019« den Ausbau erneuerbarer Energien und die Stilllegung mehrerer Kraftwerke für fossile Brennstoffe angekündigt.

Um den hohen Energiebedarf decken zu können, werden einige der Kohlekraftwerke auch nach 2030 noch eine Rolle bei der Energieversorgung spielen. Die kohlebefeuerten Anlagen der Energie-, Zement- und Papierherstellung stoßen große Mengen des Treibhausgases CO2 aus, zugleich setzen sie gesundheitsschädliche Stickoxide (NOx), Schwefeloxide (SOx) und Feinstaub frei. Die Intensivierung der Landwirtschaft in den letzten zwei Jahrzehnten hat die Nachfrage nach Düngemitteln in die Höhe getrieben. Da die heimische Produktion aufgrund der veralteten Infrastruktur hinterherhinkt, importiert Südafrika aktuell über 60 Prozent der benötigten Stickstoffdünger.

Mit dem Programm CoalCO2-XTM des südafrikanischen Ministeriums für Wissenschaft und Innovation (Department of Science and Innovation, DSI), das vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) kofinanziert wird, will Südafrika den ökologischen Fußabdruck von Sektoren mit nur schwer reduzierbaren Emissionen vermindern. Ziel ist es, die problematischen Komponenten des Abgases aus der Kohleverbrennung als Ausgangsmaterial für eine kreislauforientierte und wertschöpfende Herstellung von Produkten zu nutzen und dadurch das Abgas zu reinigen. Hierzu wird grünes Ammoniak benötigt, das somit eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung der (Agro-)Chemie- und Energiewirtschaft einnimmt.

Ein erstes CoalCO2-XTM-Projekt in Südafrika, gefördert vom DSI und koordiniert von EPCM Global Engineering, verfolgt das Ziel, die Abscheidung von CO2, NOx, SOx und Partikeln aus Rauchgas an einem Produktionsstandort eines großen Zementherstellers PPC Cement im Maßstab 300 m3/h zu demonstrieren. Hierzu wurde die patentierte CPPE-Multischadstoff-CO2-Abscheidungs- und Umwandlungstechnologie benutzt. Die Prozessentwicklung des CoalCO2-XTM-Programms zielt darauf ab, die aufgefangenen Gase in vielfältige Produkte umzuwandeln, z. B. in synthetischen Dieselkraftstoff und marktfähige Chemikalien wie Ammoniumbicarbonat, Ammoniumsulfat, Kaliumcarbonat und Schwefelsäure. Der multinationaler Düngemittelhersteller Omnia Holdings entwickelt die Formulierung der gewonnenen anorganischen Salze zu marktfähigen Düngemitteln.

Auf deutscher Seite wird ein vom Fraunhofer IGB koordiniertes CoalCO2-XTM-Teilprojekt durch das BMBF gefördert. Hier liegt der Schwerpunkt auf der Pilotierung der Synthese von grünem Ammoniak mittels des Haber-Bosch-Verfahrens im Maßstab von 1 kg/h. Der hierzu benötigte grüne Wasserstoff wird elektrolytisch in den Anlagen von HySA (Hydrogen South Africa) erzeugt. Neben der technischen Entwicklung und der Optimierung des Prozesses für den intermittierenden Betrieb soll eine Wirtschaftlichkeitsbewertung die Skalierung der Ammoniaksynthese unterstützen.

Ammoniak wird mit der aus dem Rauchgas gewonnenen Schwefelsäure zu Ammoniumsulfat weiterverarbeitet, einer marktfähigen Basischemikalie und wertvollem Düngemittel. Grüner Wasserstoff und grünes Ammoniak stellen somit wichtige Bindeglieder zwischen den im Rahmen des Programms entwickelten Technologien dar.

Die Worte von S.E. Maria Fernanda Espinosa Garcés, Präsidentin der 73. Tagung der UN-Generalversammlung (2018), gelten als Motto für die Zusammenarbeit zwischen dem Fraunhofer IGB und Partnern aus Südafrika: "Lasst uns alles daran setzen, die Umsetzung von Entwicklungsprogrammen in Afrika zu beschleunigen. Lasst uns mit Afrika handeln und über Afrika sprechen". Diese Worte bilden den moralischen Rahmen für das Ausmaß der Bemühungen, die Ziele und die beabsichtigten Auswirkungen des Projektes.