-
Titelthema
Orte des Wandels
1
Grüne Chemie dank CO2
„Unsere Vision ist es, dass das Rheinische Revier eine vollkommen klimaneutrale Chemieindustrie aufbaut, die ganz ohne fossile Rohstoffe auskommt.“
Prof. Rüdiger-A. Eichel
- mehr erfahren ...
Ein Industriegebiet am Rande einer Siedlung bei Bergheim. Am Horizont zeichnet sich ein Wald aus Strommasten ab, die sich um ein Umspannwerk gruppieren. Das leise Rauschen der Autobahn dringt herüber zu drei haushohen silberfarbenen Tonnen, die sich hier in der flachen Landschaft erheben.
„Das sind die Fermenter der Biogasanlage Paffendorf. Betrieben wird sie von einem unserer Kooperationspartner, der RWE AG“, erklärt Prof. Rüdiger-A. Eichel, Direktor des Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-9). Bakterien wandeln in den Türmen Pflanzenreste zu einem Gemisch um, das zu einem großen Teil aus energiereichem Biomethan besteht. Daraus lassen sich sehr effizient mithilfe einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle Strom und Wärme erzeugen. Dabei entsteht sehr viel weniger CO2 als bei der Verstromung von Braunkohle, ein wichtiger Schritt in Richtung klimafreundliche Energieerzeugung. Aber der Jülicher Physiker sieht in der Anlage noch mehr: den Aufbruch in eine klimaverträgliche Chemieindustrie.
„Die Chemie stellt eine Schlüsselindustrie für das Rheinische Revier dar“, sagt der Forscher. „Knapp die Hälfte der gesamten Wertschöpfung in dieser Region wird durch die chemische Industrie erwirtschaftet. Durch sie verdienen rund 48.000 Menschen ihr täglich Brot. Unsere Aufgabe ist es, diese Stellen heute schon auch für die Zukunft zu sichern.“
Vom Abgas zum Rohstoff
Denn diese Sparte gerät zunehmend unter Zugzwang: Noch deckt sie ihren Bedarf an Energie und Rohstoffen aus fossilen Quellen, aus Kohle und Öl. Damit wird auf absehbare Zeit aber Schluss sein. Deutschland will seine Treibhausgasemissionen, die bei der Verbrennung der fossilen Rohstoffe entstehen, massiv reduzieren und bis zum Jahr 2045 klimaneutral werden. „Das wird uns nur gelingen, wenn wir einen Teil des wichtigsten Treibhausgases Kohlendioxid einem Kreisprozess zuführen können – also das CO2, das bei Industrieprozessen entsteht, als Rohstoff für andere Prozesse wiederverwenden“, argumentiert Eichel.
Daran forscht das Projekt iNEW, das im Rahmen des Sofortprogramms der Bundesregierung für den Strukturwandel gefördert und von Jülich aus koordiniert wird. „Hier entwickeln wir einen Werkzeugkasten für das Recycling von Kohlendioxid“, sagt Rüdiger-A. Eichel.
Die Abkürzung iNEW steht für „Inkubator für Nachhaltige Elektrochemische Wertschöpfung“. Die Idee dahinter: Spezielle Elektrolysezellen wandeln CO2 und Wasser mithilfe von Strom aus erneuerbaren Quellen zu einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff um. Dieses Synthesegas wird bisher durch die Reaktion von Wasserdampf mit Erdgas, Rohöl oder Kohle gewonnen. Es dient der Chemieindustrie als Ausgangsstoff für eine ganze Reihe von Produkten, etwa von Kohlenwasserstoffen und Alkoholen. „Wir haben auch schon Elektrolysezellen entwickelt, die nicht nur Synthesegas liefern, sondern direkt wichtige Plattformchemikalien, zum Beispiel Ethylen oder Ameisensäure. Die lassen sich dann zu hochwertigen Produkten veredeln, etwa für die Pharma- oder die Lackindustrie“, erklärt der Forscher.
Den Rohstoff CO2 könnte die Biogasanlage in Paffendorf liefern. Das Gas, das dort als Abfallprodukt bei der Umwandlung von Biomethan in Strom entsteht, muss dazu abgefangen und in speziellen Elektrolysezellen weiterverarbeitet werden. Der Vorteil gegenüber CO2 aus Braunkohlekraftwerken: Es ist hochrein und muss daher nicht aufwendig aus mit anderen Stoffen verunreinigten Abgasen gewonnen werden.
Klimaneutral produzieren
Das CO2 könnte aber auch aus anderen Quellen stammen, bei denen sich die Emissionen des Treibhausgases nicht vermeiden lassen und das CO2 nicht so stark verunreinigt ist: aus Zementwerken oder Müllverbrennungsanlagen. „Unsere Vision ist es, dass das Rheinische Revier als erste der weltweit rund 50 bedeutenden Kohleregionen eine vollkommen klimaneutrale Chemieindustrie aufbaut, die ganz ohne fossile Rohstoffe auskommt,“ sagt Rüdiger-A. Eichel. Dafür sei es nötig, frühzeitig kompetente Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auszubilden und zu fördern. Talentschulen und Sommerakademien seien daher ein integraler Bestandteil von iNEW, so der Jülicher Forscher: „Denn eines ist klar: Die Fachkräfte, die wir für den Wandel von morgen brauchen, drücken heute noch die Schulbank.“
2
Vom Tagebau zum Ackerland
„Die rekultivierten Flächen des Tagebaus sind für uns wie ein großes Freilandlabor.“
Prof. Nicolas Brüggemann
- mehr erfahren ...
„Vorsicht! Absturzgefahr!“ Ein gelbes Schild warnt vor dem Abgrund, der sich ganz unvermittelt hier auftut. Vorsichtig tritt Nicolas Brüggemann noch einen Schritt näher an die Kante heran. Vor ihm liegt die gewaltige Grube des Tagebaus Inden, die sich wüstenartig über mehrere Kilometer erstreckt. Ein 250 Meter tiefes Loch, in dem die riesigen Schaufelradbagger geradezu verschwinden. Wie bizarre Insekten knabbern die Maschinen an den terrassenförmig ansteigenden Rändern des Kraters.
„Das Erdreich über der Kohle wird über kilometerlange Förderbänder zu den sogenannten Absetzern transportiert. Diese Kran-ähnlichen Maschinen verfüllen damit auf ihrer Rückseite wieder die Grube, in der die Kohle abgebaut wurde, sagt der Jülicher Professor für Terrestrische Biogeochemie, der sich am Institut für Bio- und Geowissenschaften (IBG-3) unter anderem mit der Rekultivierung von Tagebauflächen beschäftigt.
Zusammen mit der RWE AG untersuchen er und sein Team vom IBG-3 am Tagebau Inden, wie man den abgebaggerten Boden wieder möglichst schnell als fruchtbares Ackerland nutzen kann. „Das ist für uns wie ein großes Freilandlabor“, erläutert Nicolas Brüggemann. Im Projekt Digitales Geosystem Rheinisches Revier (DG-RR), einem Innovationslabor des Strukturwandel-Vorhabens BioökonomieREVIER (siehe nächste Seite), untersuchen die Forschenden zwei Ackerflächen am Rand der Grube.
Abbaggern senkt die Bodenqualität
Der Wissenschaftler geht in die Hocke und greift mit seiner rechten Hand in die ockerfarbene Erde: „Im Grunde genommen handelt es sich hier um den besten Ackerboden, den man sich vorstellen kann“, sagt er. Eine humusreiche Schicht Oberboden, in dem Nutzpflanzen hervorragend gedeihen, ruht auf einer mächtigen Schicht von kalkhaltigem Lössboden, einem unschlagbaren Feuchtigkeitsspeicher.
Wenn die Schaufelradbagger aber die Erde über der Braunkohle abtragen, vermischt sich dabei der Oberboden mit der darunterliegenden Erde, dem Löss. Die Nährstoffe und der Humus werden dadurch quasi verdünnt, außerdem ändert sich der pH-Wert durch den Kalk. Das alles hat zur Folge, dass die Böden nach dem Abbaggern und Wiederauftragen weniger Ertrag bringen als davor.
Die Abhilfe: Dem Boden müssen Humus, Stickstoff und Phosphor zugeführt werden, damit er wieder landwirtschaftlich gewinnbringend genutzt werden kann. Das geschieht zunächst in Form einer dreijährigen Gründüngung mit Luzernen unter Zugabe von Phosphordünger. Die Luzernen binden Stickstoff aus der Luft und wandeln ihn in eine für Pflanzen verwertbare Form um. Danach wird Kompost auf den Flächen ausgebracht. „RWE hat für uns nun auf zwei Testfeldern am Rand der Tagebaugrube einmal die normale Menge Kompost und einmal das Doppelte der sonst üblichen Kompostmenge ausgebracht“, so der Jülicher Wissenschaftler. Das Vorgehen haben die Forschenden im BonaRes-Projekt Inplamint erprobt. Und tatsächlich ließ sich durch diese einfache Maßnahme die Erntemenge an Weizen oder Gerste deutlich steigern.
Die Methode hat noch einen weiteren Nutzen: Die Böden binden deutlich mehr Kohlenstoff durch den eingebrachten Kompost. „Das ist natürlich wichtig in Hinblick auf die CO2-Neutralität bis 2045“, sagt Nicolas Brüggemann.
Kompost als Exportschlager
Wird der Kompost zum richtigen Zeitpunkt im Herbst aufgebracht, kann er sogar unerwünschte und umweltschädliche Stickstoffverluste verhindern. Dabei binden Mikroorganismen den überschüssigen Stickstoff, den die Pflanzen nicht aus dem Boden aufnehmen können.
Nicolas Brüggemann plant, den Kompost und andere Bodenverbesserer, wie etwa modifizierte Pflanzenkohle, in Zusammenarbeit mit lokalen Firmen weiter zu optimieren. Im Moment nutzen diese Unternehmen ein Nebenprodukt des Braunkohleabbaus, um daraus Bodenverbesserer herzustellen. Wenn die großen Schaufelradbagger in Inden in wenigen Jahren stillstehen sollten, könnte ein organisches Erzeugnis auf Basis von Grünschnitt oder anderen Reststoffen diese Lücke füllen – und sich möglicherweise als Exportschlager erweisen. Denn nährstoffarme Böden lassen sich überall auf der Welt finden.
Digitale Landwirtschaft
Die Digitalisierung ist in der Landwirtschaft angekommen: GPS-Ortung hilft bereits, ein Feld punktgenau zu bestellen, zu düngen und zu ernten. Doch es geht mehr: Drohnen, die im Flug den Zustand ganzer Felder beurteilen, oder vernetzte Sensoren, die darüber wachen, dass der Boden den Pflanzen genug Wasser bietet.
Der Strukturwandel bietet dem Rheinischen Revier die Chance, solche neuen Ansätze für die digitale Agrartechnik zu erproben. In insgesamt 15 Innovationslaboren der Strukturwandelinitiative BioökonomieREVIER arbeiten dafür Wissenschaft, Landwirtschaft und Firmen eng zusammen, beispielsweise auf einer rund sechs Hektar großen Feldfläche in der Nähe des Brainergy Parks Jülich. „Für mich als Forscher ist es spannend, neue Technologien mit Anwendern in der Region zu teilen – und deren Meinung dazu kennenzulernen. Das gilt auch für das gemeinsame Entwickeln von Ideen mit Start-up-Unternehmen, die daraus benutzerfreundliche Produkte konzipieren“, sagt der Projektleiter des Feldlabors, Dr. Onno Muller vom Jülicher Institut für Bio- und Geowissenschaften (IBG-2).
Auch das Innovationslabor „Bioökonomie und Digitalisierung“ nutzt die Fläche. Ziel ist es, große Datenmengen zum Zustand der Böden und Pflanzen zu erfassen, zu analysieren und bereitzustellen. Daraus ließe sich etwa ermitteln, wie viel Düngemittel nötig ist oder wie viel Wasser die Pflanzen gerade aufnehmen.
Mehr zu den Innovationslaboren Digitalisierung & Bioökonomie und Brainergy Field Lab
Feldlabor „Marginal Field Lab“
Rund 20 Hektar umfasst ein weitere Versuchsfläche, das Innovationslabor „Marginal Field Lab“ (MFL) im Tagebau Hambach. In Kooperation mit RWE sind dort nach der Aufschüttung der ehemaligen Tagebaufläche unterschiedliche Böden mit genau bekannter Zusammensetzung entstanden, die Wissenschaft und Wirtschaft für Feldverssuche nutzen können. Ziel ist es, karge Böden optimal zu nutzen: zur Identifizierung von Pflanzenmerkmalen, zur Verbesserung von Wasser- und Nährstoffnutzung von Nahrungs- und Rohstoffpflanzen, zum Anbau nachwachsender Rohstoffe auf schlechten Böden und zum Testen von Bodenzuschlagsstoffen, die die Wasser- und Nährstoffversorgung verbessern.
In der Forschungsinfrastruktur werden Forschende aus Jülich mit Partnern aus der Region, national und international neue Pflanzenzüchtungen und Bodenverbesserungsmethoden erproben. Beispiele sind Pflanzen die trockene Phasen besser überstehen oder Bodenzusätze die die Fruchtbarkeit des Bodens erhöhen und mehr Wasserspeicherung für die Pflanze ermöglichen. In einem weiteren Projekt geht es um die Färberdistel als nachwachsenden Rohstoff: Aus der anspruchslosen Pflanze lässt sich Öl gewinnen, das fossile Rohstoffe bei der Produktion von Schmierstoffen und Kosmetika ersetzen kann.
„Wir haben auf dieser Fläche ein weltweit einzigartiges Freilandlabor, um den Anbau von Pflanzen auf marginalen Böden zu optimieren, bioökonomischer Ansätze in der Landwirtschaft zu erproben und neue und traditionelle Methoden zu kombinieren“, sagt die Koordinatorin des MFL, Dr. Christina Kuchendorf.
Weitere Informationen ...
zum Innovationslabor „Marginal Field Lab“ (MFL): Marginal Field Lab
zu den Versuchen zur Bodenverbesserung im MFL: www.biooekonomierevier.de/klima_acker
3
Neue Hardware für die KI
„Die Braunkohle war im Rheinischen Revier die Ressource der Vergangenheit. Die Ressource der Zukunft wird das Wissen sein.“
Prof. Rainer Waser
- mehr erfahren ...
„Wir bauen um“, sagt Rainer Waser und lächelt verschmitzt. „Hier am Standort des alten Walter-Schottky-Hauses entsteht gerade ein hochmodernes Forschungsgebäude“, erklärt der Physikochemiker und blickt an der gläsernen Fassade des Neubaus auf dem Campus Melaten der RWTH Aachen empor.
Rainer Waser, Professor an der RWTH Aachen und Direktor des Jülicher Peter Grünberg Instituts (PGI-7), hat noch einen Umbau ganz anderer Art vor Augen: „Wenn die Braunkohle geht, möchten wir im Rheinischen Revier zum Ausgleich Industriearbeitsplätze schaffen auf einem zukunftsträchtigen Gebiet, nämlich der Hardware für Anwendungen der Künstlichen Intelligenz.“ Im Projekt NEUROTEC, gefördert aus dem Sofortprogramm für den Strukturwandel, möchte der Forscher dazu mit seinem Team eine der grundlegenden Herausforderungen der Informationstechnologie angehen: das Energieproblem.
So effizient wie das Gehirn
„Rund 15 Prozent der elektrischen Energie werden von IT-Anwendungen verschlungen.“ Wesentlich sparsamer als konventionelle Rechner arbeiten Computer nach dem Vorbild des menschlichen Gehirns, sogenannte neuromorphe Systeme. Bisher funktionieren solche Chips noch mit herkömmlicher Halbleitertechnologie, also mit winzig kleinen elektronischen Schaltern. Diese Transistoren möchte Rainer Waser durch ein neuartiges Bauelement ergänzen: einen Memristor. Solch ein „Widerstand mit Gedächtnis“ ähnelt den Synapsen in natürlichen Nervenzellen und eignet sich daher ganz besonders für künstliche neuronale Netzwerke, wie sie für Anwendungen der Künstlichen Intelligenz verwendet werden.
Zusammen möchten sie das neuroinspirierte Rechnen in der Region voranbringen: Rainer Waser (rechts) und Max Lemme. „Forschungseinrichtungen hier in der Region sind weltweit führend hinsichtlich der Grundlagenforschung auf diesem noch jungen Gebiet“, erklärt Rainer Waser. „Außerdem haben wir das Glück, dass hier auch einige Hochtechnologiefirmen arbeiten, die Interesse daran zeigen, ihre Kompetenzen in Richtung der neuromorphen Systeme zu erweitern. Wir hoffen, dass auf diese Weise im Rheinischen Revier eine Keimzelle für diese Rechnergeneration der Zukunft entsteht.“
Zum Beispiel: Das Unternehmen AIXTRON in Herzogenrath, Projektpartner im NEUROTEC-Projekt, liefert Maschinen, die dünnste Schichten von Halbleitern auf Oberflächen abscheiden. Diese Anlagen könnten auch dazu dienen, memristive Schaltungen mit konventioneller Silizium-Technologie zu kombinieren, sagt Rainer Waser: „Das wäre ein erster Schritt auf dem Weg zu neuromorphen Systemen: Computerchips mit zusätzlichen funktionellen Schichten auf Basis von Memristoren.“ So könne ein Standort der Spitzenforschung entstehen, der auch für eine Vielzahl anderer Firmen ein attraktives Umfeld bietet.
Kompetenz bündeln
Eine Schnittstelle zu kleinen Unternehmen und Start-ups bietet auch die AMO GmbH in Aachen, ein Forschungsinstitut für Nanotechnologie. Sie arbeitet zusammen mit der RWTH und Jülich im Zukunftscluster NeuroSys. Dieses regionale Innovationsnetzwerk soll als wissenschaftliches und wirtschaftliches Ökosystem für das neuro-inspirierte Rechnen etabliert werden. So bringt es neben den Memristor-Experten aus Jülich auch Fachleute aus den Materialwissenschaften, der Informatik, der Elektrotechnik und den Neuro- und Sozialwissenschaften aus dem gesamten Rheinischen Revier zusammen. Und auch die Ethik ist mit an Bord, betont Max Lemme, Professor für Elektrotechnik an der RWTH Aachen, wissenschaftlicher Geschäftsführer der AMO GmbH und Sprecher des Clusters: „Wie wird KI unser alltägliches Leben in Zukunft beeinflussen? Was bedeutet die Technologie für den Arbeitsmarkt? Das sind Fragen, die uns wichtig sind.“
Rainer Waser sieht die Region angesichts der geballten Kompetenz gut aufgestellt für den bevorstehenden Wandel: „Die Braunkohle war im Rheinischen Revier die Ressource der Vergangenheit. Die Ressource der Zukunft wird das Wissen sein. Und dazu gehört auch das Know-how, wie man neuromorphe Computer für die Künstliche Intelligenz baut.“
Texte: Arndt Reuning
Bilder: Forschungszentrum Jülich/Sascha Kreklau