Unterthema Energieeffiziente Industrieprozesse

Mikroverfahrenstechnik

Die Mikroverfahrenstechnik (MVT) kann in einer Vielzahl von Produktlinien, Sektoren und Bedürfnisfeldern eingesetzt werden. In mikroskaligen Reaktoren, Wärmetauschern und anderen Komponenten wird die Effizienz von chemischen und Energieprozessen erhöht („Prozessintensivierung“ z. B. durch größere Oberflächen/Volumen-Verhältnisse).

Die modulare Gestaltung der Komponenten gestattet dabei nicht nur die Anwendung in üblichen industriellen Großanlagen, sondern auch in sehr viel kleineren dezentralen Anlagen bis – je nach Prozess – hinunter zu häuslichen Anwendungen. Damit erschließt die MVT nicht nur Effizienzpotenziale, sondern bietet auch die Möglichkeit, z. B. dezentral anfallende bislang ungenutzte Stoffströme zu verwerten und Regionen mit weniger entwickelter Verkehrs- und Energieinfrastruktur angepasst zu industrialisieren.

F&E-begleitend werden die Beiträge von MVT-Anwendungen zu einem nachhaltigen Energiesystem multikriteriell untersucht. Am Beispiel der Fischer-Tropsch-Synthese von Kraftstoffen mit mikrostrukturierten und konventionellen Reaktoren werden in einer anwendungsorientierten Technologiebewertung spezifische Optimierungspotenziale und optimale Anwendungsfelder und -konfigurationen der MVT-Systeme identifiziert. Die Arbeiten erfolgen in enger Kooperation mit der technologischen Entwicklung im Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT.

Insbesondere für die Bewertung sozialer Aspekte von Energietechnologien besteht noch erheblicher methodischer Entwicklungsbedarf. Über die unmittelbar anwendungsorientierte Analyse hinaus wird daher der Frage nachgegangen, welche Instrumente und Aspekte die Lebenszyklus-orientierte Nachhaltigkeitsuntersuchung von neuen Technologien beinhalten sollte und ob es Unterschiede in Abhängigkeit von der Komplexität der Systemeinbindung einer Technologie (Funktionselement, Prozess, Technik, Technologie) und deren Entwicklungsstand (Basistechnologie, Zukunftstechnologie) gibt.

Energieeffiziente Niedrig – CO₂ – Zemente

Hydraulische Bindemittel wie Zement bilden die stoffliche Grundlage für die gesamte Bau- und Baustoffindustrie, einem der weltweit wichtigsten Wirtschaftszweige überhaupt. Der Verbrauch von Zement weist global große Zuwachsraten auf, seine Herstellung trägt derzeit ca. 7 % zu den globalen CO₂-Emissionen bei. CO₂ wird bei der Zementherstellung sowohl energie- als auch rohstofflich bedingt freigesetzt. Die Zementindustrie hat bereits eine Vielzahl von Maßnahmen ergriffen, um die Emissionen zu reduzieren. In unseren Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die bisher ergriffenen Maßnahmen jedoch nicht ausreichen, um zukünftig erwartete CO₂-Emissionen zu stabilisieren oder gar zu senken.

Statt des Einsatzes der noch nicht realisierten end-of-pipe-Technologie CCS (Carbon Capture and Storage), ist die Entwicklung von „Low-CO₂-Zementen“, deren Herstellung mit deutlich geringeren CO₂-Emissionen verbunden ist, der nachhaltigere Weg – vorausgesetzt, diese Zemente haben das Potential, herkömmliche Massenbaustoffe zu ersetzen. In diesem Zusammenhang werden Neuentwicklungen wie z. B. Calera, Novacem und Celitement genannt. Celitement ist eine Erfindung des KIT, mit der konzeptionell ein völlig neuer Weg beschritten wird und die zurzeit vom Labormaßstab zur großtechnischen Anwendung weiterentwickelt wird. Eine in Fachkreisen bisher als nicht realisierbar angesehene Aufgabe, hochreaktive calciumsilikathaltige Bindemittel mit einem signifikant geringeren Calciumgehalt herzustellen, die kompatibel zu dem konventionellen Klinker-Zement-System sind, ist mit Celitement® gelöst worden. Mit diesem Konzept öffnet sich für die zukünftige Forschungslandschaft ein völlig neues Gebiet.

Das Thema  führt begleitend eine systemanalytische Untersuchung zu herkömmlichem Zement sowie „Low-CO₂ Zementen“ durch. Dies umfasst auch eine Fortführung des Monitorings der globalen Zementindustrie in Hinblick auf Strategien und Maßnahmen zur Reduktion klimaschädlicher Gase (CO₂).

Desweiteren werden aktuelle Entwicklungen im Bereich der „Low-CO₂ Zemente“ analysiert und bewertet, insbesondere vor dem Hintergrund ihrer Tauglichkeit als Massenbaustoff und deren Potential zur CO₂-Einsparung. Hierzu wird ein Indikatorsystem zur Bewertung innovativer Bindemittel aufgebaut. Für die Celitement-Pilotanlage werden Stoff- und Energiebilanzen aufgestellt, für eine Modellanlage im großtechnischen Maßstab werden die Betriebskosten bestimmt. Daneben werden die Rahmenbedingungen der Zementindustrie für den Innovationsprozess neuer zementärer Bindemittel untersucht.