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Phosphate sind neben Stickstoff und Kalium Hauptbestandteil von Düngemitteln und damit essentiell für die Nahrungsmittelversorgung der Menschen – doch der Abbau und die Aufbereitung sind mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Marokko ist einer der größten Phosphat- und damit Düngemittelproduzenten weltweit – der marokkanische Staatskonzern OCP (Office Chérifien des Phosphates) ist Weltmarktführer. Eine der Herausforderungen bei der Phosphatgewinnung ist, dass sie sehr energieintensiv ist. Bisher wird diese Energie durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe bereitgestellt. OCP hat sich jedoch im Rahmen seiner Nachhaltigkeits- und Dekarbonisierungsstrategie dazu verpflichtet, bis 2040 CO₂-Neutralität zu erreichen und hat sich daher das Ziel gesetzt, bis 2030 auf grüne alternative Energien für den Trocknungsprozess umzustellen. Gemeinsam mit OCP und weiteren Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft in Marokko und Deutschland entwickelt das Solar-Institut Jülich der FH Aachen (SIJ) jetzt ein Verfahren, wie Sonnenenergie anstelle fossiler Energieträger bei der Gewinnung von Phosphat eingesetzt werden kann. "Mit diesem Projekt können wir gleich einen doppelten Nutzen erzielen. Zum einen leisten wir einen Beitrag zur Dekarbonisierung der Phosphatproduktion, zum anderen können wir die Beziehung zu einem für die Energiewende wichtigen Partnerland ausbauen", betont der Direktor des SIJ, Prof. Dr. Ulf Herrmann.

100.000 Tonnen Phosphat pro Jahr

Im Rahmen des Projekts "SoPhosM - System zur bedarfsgerechten Bereitstellung solarer Prozesswärme für den Trocknungsprozess von Phosphat in Marokko" wird eine Anlage gebaut, die 100.000 Tonnen Phosphat pro Jahr trocknen soll. Dadurch können 1.000 Tonnen Heizöl eingespart werden. In weniger als drei Jahren soll die Anlage in Marokko ihren Betrieb aufnehmen. Das Projekt wird mit 1,6 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert, rund 910.000 Euro erhält das SIJ, das das Projekt auch koordiniert. Neben OCP und weiteren marokkanischen Forschungspartnern wie der Mohammed VI Polytechnic University (UM6P), dem Green Energy Park (GEP), dem Institute Research Energy Solar And Energy Nouvelles (IRESEN) und der Cadi Ayyad Universität (UCA) sind von deutscher Seite das Wuppertal Institut (WI), das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie die Technologie-Entwickler und -Hersteller Kraftanlagen Energies & Services (KA), Schlaich Bergermann Partner (sbp) und Hilger GmbH mit an Bord.

In großen Tagebauten wird im Inneren Marokkos phosphathaltiges Gestein abgebaut. Dieses wird gemahlen und mit Wasser versetzt, um das Phosphat von den anderen Bestandteilen – vor allem Sand – zu trennen. Das gereinigte Phosphat muss anschließend entwässert werden, um es weiternutzen zu können. Die Vision dieses Projekts ist die Entwicklung einer neuen Trocknungsanlage, die mit Solarenergie betrieben wird, um saubere Prozesswärme zu gewinnen. Dies wird eine nachhaltige Weise zur Trocknung von Phosphat ermöglichen.

Luft wird auf bis zu 1000 Grad erhitzt

Das Projekt basiert auf Technologien, die seit 2005 von SIJ, KA und DLR entwickelt und im Solarturm Jülich erstmals umgesetzt wurden. Beweglich gelagerte Spiegel – die sogenannten Heliostaten – lenken das Sonnenlicht auf einen Receiver. Dieser besteht aus porösem keramischem Material, das von der Sonnenenergie erhitzt wird. Der Receiver wird von Luft durchströmt und gibt die Hitze an diese ab. Parallel wurden die Wärmespeicher- und Elektroerhitzer-Technologien in der Versuchsanlage MultiTESS weiterentwickelt und kann sowohl eigenständig als auch in Kombination mit der Receivertechnologie Heißluft zur Verfügung stellen. "Auf diese Weise können wir im Prinzip Luft auf nahezu 1000 Grad erhitzen", erläutert Projektkoordinator Christian Schwager. Diese heiße Luft soll bei der geplanten Anlage in Marokko genutzt werden, um das gewaschene Phosphat zu trocknen.

Die derzeit an den OCP-Produktionsstandorten befindlichen Trommeltrockner werden mit Schweröl und Erdgas betrieben. Für die schnelle Verbreitung der Solartechnologie ist es wichtig, dass sie die Wärme kostengünstiger bereitstellen kann als mit fossilen Brennern. Durch ein Hybridisierungskonzept wird ein Teil der benötigten Hochtemperaturwärme mit einem Solarturm und ein weiterer Teil mit einer elektrischen Heizung und einer Photovoltaik-Anlage erzeugt. Dadurch kann der bei etwa 900 Grad Celsius arbeitende Ölbrenner sehr kostengünstig ersetzt werden. Außerdem prüfen die Forscher:innen, ob durch den Einsatz eines effizienteren Trockners der Energieaufwand zusätzlich gesenkt werden kann. Darüber hinaus werden im Rahmen von SoPhosM das grundsätzliche Potenzial industrieller Anwendungen von solarer Prozesswärme in Marokko sowie die Chancen und Herausforderungen für dessen Nutzung durch das Wuppertal Institut analysiert.

Marokko ist das phosphatreichste Land weltweit. 70 Prozent der heute bekannten Reserven liegen in diesem Land. Der staatlich geführte Phosphatkonzern OCP setzt die Förderung, die Aufbereitung, den Transport bis zum Verkauf um und ist somit ein Schwergewicht in der weltweiten Phosphatindustrie. Er beschäftigt rund 20.000 Menschen. Entsprechend wichtig ist den Projektpartnern in Marokko und Deutschland, die Phosphatproduktion so umwelt- und gesundheitsschonend wie möglich zu gestalten und gleichzeitig für ein hohes Maß an Versorgungssicherheit zu sorgen.

Along with nitrogen and potassium, phosphates are the main component of fertilisers and, therefore, essential for the food supply of the world's population. However, the mining and processing of phosphates are posing numerous challenges. Morocco is one of the largest phosphate producers and, thereby, fertiliser producers worldwide. The state-owned company OCP (Office Chérifien des Phosphates) in Morocco is the world market leader. Among the challenges of phosphate mining is the energy-intensive process. Up until now, this energy has been provided by burning fossil fuels. OCP, however, as part of its sustainability and decarbonization strategy has set a commitment to reach carbon neutrality by 2040 , hence the goal of switching to green energy alternatives for the drying process by 2030. The Solar Institute Jülich of FH Aachen (SIJ), in cooperation with OCP and other partners from industry and science in Morocco and Germany, is now developing a process for using solar energy instead of fossil fuels in the phosphate mining process. "With this project, we can benefit in two ways at once. On the one hand, we are making a contribution towards decarbonising phosphate production, and on the other hand, we can expand our relationship with a partner country that is of importance for the energy transition," emphasises the director of the SIJ, Prof. Dr. Ulf Herrmann.

Within the framework of the project "SoPhosM - System for the Demand-Oriented Supply of Solar Process Heat for the Drying Process of Phosphate in Morocco", a plant will be built that will dry 100,000 tons of phosphate per year. This will save 1,000 tons of fuel oil. In less than three years, the plant in Morocco is expected to be up and running. The project is funded with €1.6 million by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), with around €910,000 going to SIJ, which is also coordinating the project. Alongside OCP and other Moroccan research partners such as the Mohammed VI Polytechnic University (UM6P), the Green Energy Park (GEP), the Institute Research Energy Solar And Energy Nouvelles (IRESEN) and the Cadi Ayyad University (UCA), there are, from the German side, the Wuppertal Institute (WI), the German Aerospace Centre (DLR) as well as the technology developers and manufacturers Kraftanlagen Energies & Services (KA), Schlaich Bergermann Partner (sbp) and Hilger GmbH on board.

Inside Morocco, phosphate-containing rock is mined in large open-cast mines. The rock is ground, with water mixed in, to separate the phosphate from the other components, mainly sand. The purified phosphate must then be dewatered so that it can be put to further use. The vision of this project is to develop a new drying plant which will be powered by solar energy to get clean process heat. That will enable a sustainable manner for the drying of phosphate.

The project is based on technologies that have been developed by SIJ, KA and DLR since 2005 and were first implemented in the Solar Tower Jülich. Sun-tracing mirrors - the so-called heliostats - direct the sunlight onto a receiver made of porous ceramic material, which is heated by the solar energy. Air flows through the receiver, where the heat is then transferred to the air. At the same time, heat storage and electric heater technology have been further developed in the MultiTESS testing facility and can provide hot air both independently and in combination with the receiver technology. "This way, we can, in principle, heat air to almost 1,000 degrees," explains project coordinator Christian Schwager. This hot air is to be used to dry the washed phosphate at the planned plant in Morocco.

At present, the rotary drum dryers at the OCP production sites are operated with heavy oil and natural gas. For solar technology to expand rapidly, it is important that it can provide heat more cost-effectively than using fossil burners. Through a hybridisation concept, part of the required high-temperature heat is generated with a solar tower while another part is generated with an electric heater and a photovoltaic system. This way, the oil burner, which operates at around 900 degrees Celsius, can be replaced very cost-effectively. Furthermore, the researchers are assessing whether the use of a more efficient dryer can additionally reduce energy expenditure. As part of the SoPhosM project, the Wuppertal Institute is, moreover, analysing the fundamental potential of industrial applications of solar process heat in Morocco as well as the opportunities and challenges for its use.

Morocco is the country with the largest phosphate reserves in the world. 70 percent of the currently known reserves are located in this country. The state-run phosphate company OCP handles mining, processing, transportation and sales, making it a heavyweight in the global phosphate industry. It employs about 20,000 people. Accordingly, it is important to the project partners in Morocco and Germany to make phosphate production as environmentally compatible and health-friendly as possible, while at the same time ensuring a high level of supply security.