Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Nachhaltigkeit durch integriertes Ressourcenmanagement

Der Nexus-Ansatz in der Industrie in Zeiten der Energiewende

Was auf Ebene der Kommunen nur langsam oder erst durch den Druck gesetzlicher Verordnungen umgesetzt wird, hat in vielen Produktionsstätten der prozessorientierten Industrien längst Einzug gehalten. Denn steigende Rohstoffpreise und Kosten bei der Abwasserentsorgung machen die Aufbereitung und Wiederverwendung von Prozesswässern und -abwässern und die Rückgewinnung von Hilfs- und Prozessstoffen für die Unternehmen zu einer wirtschaftlich attraktiven Herausforderung.

Im Zuge der Energiewende und des Ausbaus der dezentralen Stromproduktion aus erneuerbaren Energien ändert sich dabei gerade die Ausgangslage: Galten elektrochemische Verfahren – vor allem für die chemische Synthese von Grundchemikalien – aufgrund ihres Strombedarfs bislang eher als unwirtschaftlich, gewinnen sie in Zeiten, in denen akut nicht benötigter Strom aus fluktuierenden Quellen (Windkraft und Photovoltaik) die Preise an den Strombörsen drückt, an Bedeutung.

Forschungsanlage mit Wasser.
© aaltair / shutterstock
Forschungsanlage mit Wasser.

Verknüpfung der regenerativen Stromerzeugung mit der indurstriellen Wertschöpfung: Überschussstrom chemisch speichern oder direkt nutzen

Entscheidend dabei ist, dass elektrochemische und elektrophysikalische Verfahren – genau wie die verschiedenen Energiespeicher – als Stromabnehmer einen Beitrag zur Netzstabilisierung leisten können. »Wir gestalten unsere elektrochemischen und elektrophysikalischen Zellen daher möglichst flexibel und implementieren sie so in ein Anlagensystem, dass sie in Abhängigkeit der Auslastung des Stromnetzes betrieben werden können«, erläutert Egner den Ansatz am IGB.

Neben solchen flexiblen Stromnutzungsmodellen (sowie Batterien und Pumpspeichern) sind ausreichend chemische Langzeitspeicher erforderlich, um die schwankende Stromerzeugung aus Wind und Sonne auszugleichen. In diesem Zusammenhang kann auch Biogas, zu Methan aufgereinigt, eine wichtige Rolle spielen. Es schlägt nicht nur eine Brücke zum Sektor der Mobilität, sondern kann als Langzeitspeicher auch ins Erdgasnetz eingespeist oder als stofflicher Speicher zu Methanol umgewandelt werden. Darüber hinaus wird mit neuen thermo-chemischen Sorptionswärmespeichern zur verlustfreien Langzeitspeicherung von Wärme, die am IGB entwickelt wurden, sogar die Speicherung von Strom in dieser Form effizient.

Dabei setzen wir auch auf das Potenzial, das sich durch den Ausbau dezentraler, regenerativer Energien im Zuge der Energiewende ergibt, und entwickeln beispielsweise Technologien, welche die schwankende Stromerzeugung aus Wind und Sonne durch eine verlustfreie Speicherung des Stroms ausgleichen oder direkt mit der industriellen Wertschöpfung verknüpfen.

Ressourceneffizienz durch Wasserwiederverwendung und Wertstoffrückgewinnung

© Rafael Krötz/Fraunhofer IGB
Free-Flow-Elektrophorese-Prototyp.

Anders als in der kommunalen Abwasserreinigung werden die Verunreinigungen in industriellem Prozess- und Abwasser in hohem Maße von der Branche und dem spezifischen Fertigungsprozess bestimmt. Um Prozessabwasser im Sinne der Kreislaufführung wiederzuverwenden, müssen die Störstoffe mit möglichst geringem Energie- und Materialaufwand entfernt werden. »Neben einem Stoffstrommanagement und der selektiven Erfassung von Kontaminationen erfordert dies eine maßgeschneiderte integrierte Prozesstechnik zur spezifischen Behandlung«, führt Egner aus.

Das Fraunhofer IGB hat hierzu verschiedene elektrochemische und elektrophoretische Verfahren etabliert, mit denen sich im Wasser enthaltene Hilfs- und Wertstoffe nicht nur entfernen, sondern in wiederverwertbarer Form abtrennen lassen. So können mittels Elektrodialyse oder kapazitiver Deionisierung Salze zurückgewonnen, mit Free-Flow-Elektrophorese Metallionen bei hohen Ausbeuten in hochreine Fraktionen überführt werden. Der Vorteil der elektrochemischen und elektrophoretischen Verfahren: Sie arbeiten ohne jeglichen Zusatz von Chemikalien.

Ein solches produktionsintegriertes Wasserrecycling ermöglicht darüber hinaus auch eine größere Unabhängigkeit vom Vorkommen natürlicher Wasserressourcen und damit eine Produktion an wasserärmeren Standorten – bis hin zur vollständigen Unabhängigkeit von natürlichen Wasserressourcen durch Zero Liquid Discharge.

 

Power-to-Chemicals – modular, flexibel, energieeffizient

Für die elektrosynthetische Herstellung von Basischemikalien als Option zum direkten Ausgleich eines Stromüberangebots entwickelt das Fraunhofer IGB Katalysatoren und geeignete Membranen, Verfahren und Apparate mit stromgeführter Betriebsweise. Im Fraunhofer-Leitprojekt »Strom als Rohstoff« beispielsweise erarbeitet das IGB ein einstufiges Verfahren, mit dem Ethen elektrochemisch in nur einem Verfahrensschritt hergestellt wird. Im EU-Projekt Celbicon wird aus CO2 durch Elektrokatalyse Methanol hergestellt, das als Substrat für eine Fermentation Verwendung findet. Eine Elektrolysezelle, in der sich mit elektrischer Energie nur aus Wasser und Luft Wasserstoffperoxid herstellen lässt, ist bereits als Prototyp am IGB verfügbar.

 

© Fraunhofer IGB
Elektrochemische Zelle zur CO2-Reduktion.