Carbon Capture and Utilization (CCU)

In den vergangenen Jahren haben die Industriebranchen bereits Roadmaps und Strategien zur Dekarbonisierung ihrer Unternehmen erarbeitet, die vielfach auf gänzlich neuartige Produktionsverfahren setzen. Hierzu werden zukünftig viele Industriestandorte ganz oder teilweise umgebaut werden müssen. Im Vordergrund stehen dabei Technologien, bei denen prozessbedingte Treibhausgasemissionen gar nicht erst entstehen. In einzelnen Branchen (insbesondere in der Zement-, Kalk- und Glasindustrie) entstehen jedoch Emissionen, die nach heutigem Kenntnisstand auch in Zukunft schwer vermeidbar sein werden. Dort wird daher sogenanntes Carbon Capture, die Abscheidung von Kohlenstoffdioxid, als möglicher Lösungsweg diskutiert. Welche Technologien verbergen sich hinter dem Begriff und für wen sind diese Technologien relevant?

CCU – CO2 als Rohstoff für Industrieprozesse

Die Abkürzung CCU steht für Carbon Capture and Utilization. Das heißt CO2 wird entweder aus einem (Industrie-)Prozess oder sogar direkt aus der Luft abgeschieden (DAC – Direct Air Capture) und einer anderen industriellen, stofflichen Nutzung zugeführt. Dabei wird das abgeschiedene CO2 zur Kohlenstoffquelle und damit zum Rohstoff für chemische oder biotechnologische Prozesse. So können beispielsweise Kunststoffe oder synthetische Kraftstoffe für die Luft- und Schifffahrt hergestellt oder das CO2 in Baumaterialien eingebunden werden. Ziel von CCU muss sein, CO2 möglichst dauerhaft zu binden oder im Kreislauf zu führen.

CCS – CO2-Speicherung in unterirdischen Lagerstätten

Im Unterschied zu CCU wird bei CCS (Carbon Capture and Storage) das abgeschiedene CO2 keiner weiteren Nutzung zugeführt, sondern stattdessen dauerhaft in der Regel gasförmig unterirdisch gespeichert. Die Speicherung erfolgt beispielsweise in ehemaligen Erdgas- und Erdöl-Lagerstätten. In einigen europäischen Nachbarstaaten, wie den Niederlanden, Großbritannien oder Norwegen wird die CCS-Technologie bereits angewendet beziehungsweise deren großmaßstäblicher Einsatz vorbereitet. Einen anderen Ansatz verfolgt hingegen Island. Bei diesem Ansatz wird CO2 in Basaltgestein injiziert, in dem es innerhalb weniger Jahre fest eingebunden wird. In Deutschland regelt das Kohlendioxid-Speicherungsgesetz (KSpG) aus 2012 die Demonstration der dauerhaften Speicherung von Kohlendioxid in unterirdischen Gesteinsschichten und Speichern. Die unterirdische Verpressung von CO2 zur dauerhaften Speicherung ist nach aktueller Rechtslage in Deutschland ausgeschlossen.

Wahl der richtigen CCU-Technologie entscheidend für Treibhausgasminderung

In der Industrie können drei Arten von CO2-Emissionen unterschieden werden: die direkten energiebedingten, die indirekt energiebedingten und die prozessbedingten CO2-Emissionen. Es ist deshalb grundsätzlich zu prüfen, ob CO2-Emissionen von vornherein vollständig vermieden werden können. Zum Beispiel durch Effizienzsteigerungen, die Elektrifizierung von Prozessen, den Einsatz von Wasserstoff auf Basis erneuerbarer Energien oder durch die Substitution von Materialien. Die Vermeidung von Emissionen ist immer der Nutzung oder Speicherung des abgeschiedenen CO2 vorzuziehen.

Nutzung von Kohlendioxid für die energieintensive Grundstoffproduktion

Aus CO2 können mit Hilfe erneuerbarer elektrischer Energie etwa Grundstoffe für die Kunststoffproduktion (z. B. Methanol) oder auch synthetische Energieträger (z. B. Flugzeugkerosin) hergestellt werden. Dadurch können fossile Rohstoffe (z. B. Erdöl und Erdgas) eingespart und durch diesen Substitutionseffekt eine Treibhausgasminderung erzielt werden. Bei der Nutzung von CO2 in chemischen Produkten besteht langfristig die Möglichkeit, dass dieser Kohlenstoff beispielsweise durch chemisches oder mechanisches Recycling im Kreislauf verbleibt und so weitere CO2-Einsparungen erreicht werden.

Klimaschutzpotenzial von CCU-Technologien

CCU-Technologien können so unter bestimmten Bedingungen zur Minderung der Treibhausgasemissionen und damit zum Klimaschutz beitragen. Fakt ist, sie alle benötigen große Mengen an Strom und Wärme. Diese Energie muss zwingend emissionsfrei erzeugt sein, ansonsten besteht die Gefahr, dass durch CCU sogar mehr CO2 emittiert wird als ohne. Darüber hinaus ist zu beachten, dass eine direkte Elektrifizierung einiger Anwendungen zu einer effizienteren Nutzung der erneuerbaren Energie führt. Als Beispiel: Für den Antrieb eines Elektrofahrzeugs wird nur ein Fünftel des Stroms benötigt, der für die Herstellung von synthetischem Treibstoff über die Power-to-Liquid-Technologie für die gleiche Fahrstrecke aufgewendet werden muss.

CCU in der energieintensiven Industrie – auf die Bedingungen und Branchen kommt es an

Zur Beurteilung der Nachhaltigkeit von CCU-Technologien ist von Bedeutung für welche Prozesse und unter welchen Bedingungen CCU eingesetzt wird. Zu diesen zählen zum Beispiel die Herkunft des CO2 (fossil, biogen, atmosphärisch), die Art der Verwendung (synthetische Kraftstoffe, Kunststoffe, Baustoffe) und die eingesetzte erneuerbare Energie. Für bestimmte energieintensive Industrien (insbesondere für die Zement-, Kalk- und Glasbranche) kann CCU derzeit dennoch eine Möglichkeit sein, um ihre schwer vermeidbaren prozessbedingten Treibhausgasemissionen zu reduzieren, bis weitere Vermeidungsoptionen entwickelt sind. Für die chemische Industrie werden CCU-Technologien auch langfristig wichtig sein, um CO2 als Rohstoff nutzbar zu machen.

 


Beispiele aus der Praxis

„Columbus“ – Mikroorganismen wandeln Kohlenstoffdioxid aus der Kalkproduktion in Methan

Das deutsche Biotech-Start-up Electrochaea hat einen Reaktor entwickelt, in dem einzellige Mikroorganismen (Archaeen) Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff zu Methan umsetzen. Geplant ist eine erste Großanlage im belgischen Charleroi, die 90.000 Tonnen abgeschiedenes CO2 aus der Kalkproduktion recycelt. Das Besondere: die Mikroben brauchen kein reines, aufbereitetes CO2 und „erneuern“ sich immer wieder von selbst. Dadurch kann die energieaufwendige Reinigung des Abgases entfallen. Zum Vergleich: Chemische Katalysatoren müssen alle fünf bis zehn Jahre ausgewechselt werden.

 

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CLEANKER – saubere Zementklinkerproduktion

In dem EU-geförderten Projekt arbeitet ein internationales Konsortium von 13 Partnern aus Forschung, Industrie und NGO zusammen. Gemeinsam demonstrieren sie in einem Zementwerk in Vernasca/Italien einen neuen Ansatz des Calcium-Looping-(CaL)-Konzepts, einer vielversprechenden Technologie zur CO2-Abtrennung. Dabei wird das CaL-Verfahren in den Kern der Zementherstellung integriert. Zum anderen wird als Trägermaterial im CaL-Prozess das gleiche Rohmehl verwendet, das auch für die Klinkerproduktion eingesetzt wird.

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Cardyon® – Matratzen aus Kohlenstoffdioxid

Das Chemieunternehmen Covestro aus Leverkusen hat gemeinsam mit dem CAT Catalytic Center der RWTH Aachen einen neuen Katalysator entwickelt, der es ermöglicht CO2 als Rohstoff für Kunststoffe zu nutzen. Dabei beschleunigt der innovative Katalysator die Reaktion von CO2 mit Propylenoxid zu Polyolen, den Bausteinen für Kunststoffe. Diese Polyole enthalten einen CO2-Anteil von bis zu 20 Prozent, wodurch der Einsatz von Erdöl als Kohlenstoffquelle in gleicher Weise verringert wird. Seit 2016 stellt Covestro das neue Material in seiner Produktionsanlage in Dormagen her und nutzt als Rohstoff das CO2 aus dem Abgas eines naheliegenden Chemiewerks. Eingesetzt werden kann Cardyon® beispielsweise in Matratzen, Autoinnenräumen oder Sportböden.

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Studien und Beiträge zu CO2, CCU und CCS

Rechtsrahmen einer Kohlendioxidwirtschaft (IN4climate.NRW, 2021)

Gutachten: Rechtliche Rahmenbedingungen einer Kohlendioxidwirtschaft

 

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Zusammenfassung

  • IN4climate.NRW ist eine vom Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen initiierte Plattform, die gemeinsam mit Industrie und Wissenschaft den Wandel zu einer klimaneutralen Industrie in NRW unterstützt.
  • Das Gutachten wurde durch die Arbeitsgruppe „Kohlendioxidwirtschaft“ von IN4climate.NRW beauftragt und legt die aktuellen rechtlichen Rahmenbedingungen zu den Themen Klassifizierung, Transport, Speicherung und Nutzung von CO2 dar.
  • Fazit: Der deutsche Rechtsrahmen ermöglicht den Bau von Anlagen zur CO2-Abscheidung sowie den Transport von CO2 derzeit ausschließlich im Rahmen von CCU-Anwendungen. Lücken und Unklarheiten gibt es hingegen im Kohlendioxid-Speicherungsgesetz, wenn es um den Transport von CO2 geht, das für CCS vorgesehen ist. Das gilt derzeit insbesondere für den Export von CO2, das für Offshore-CCS bestimmt ist, da CCS innerhalb von Deutschland nach aktueller Rechtslage rechtlich ausgeschlossen ist.

Wie klimaneutral ist Kohlenstoffdioxid als Rohstoff wirklich: CCU (WWF, 2018)

Wie klimaneutral ist CO2 als Rohstoff wirklich: Carbon Capture and Utilization

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Zusammenfassung


  • Das Positionspapier diskutiert das Potential von CO2 und zeigt auf, dass die Nutzung von abgeschiedenem CO2 (CCU) nicht automatisch Klimaneutralität bedeutet oder erzeugt.
  • Es werden die möglichen und theoretischen Kohlenstoffkreisläufe, bei denen CCU eingesetzt werden kann, aufgezeigt (z. B. für die Herstellung chemischer Grundstoffe, Treibstoffe oder als Langzeitspeicher im Stromsystem).Ein Vergleich zwischen CCU und direktem Stromeinsatz, z.B. im Autoverkehr oder bei der Wärmeerzeugung, zeigt, dass für die Herstellung von synthetischen Treibstoffen und Heizgasen ein Vielfaches an erneuerbarer elektrischer Energie benötigt wird als bei direkter Elektrifizierung dieser Bereiche.
  • Fazit: CCU und die Nutzung von CO2 als Rohstoff kann aus Gründen der Ressourceneffizienz sinnvoll sein. Aber erst wenn die deutsche Stromversorgung zu 100 % aus erneuerbarer Energie besteht, sind Emissionseinsparungen möglich. Vorher verursachen fast alle CCU-Produkte mehr klimaschädliche Emissionen als der Status quo.

CCU und CCS – Bausteine für den Klimaschutz in der Industrie (acatec, 2018)

CCU und CCS – Bausteine für den Klimaschutz in der Industrie

 

 

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Zusammenfassung

  • Die deutsche Akademie der Technikwissenschaften (acatech) vertritt die deutschen Technikwissenschaften im In- und Ausland, erarbeitet Studien, Empfehlungen und Stellungnahmen und berät die Politik und Gesellschaft in technikwissenschaftlichen und technologiepolitischen Zukunftsfragen.
  • Die vorliegende acatech POSITION gibt einen Überblick zu den technischen Grundlagen und analysiert die Optionen der Verwertung und Speicherung von CO2 (CCU/CCS), die für die Minderung von Treibhausgasemissionen aus Industrieprozessen infrage kommen. Darüber hinaus wird CCU/CCS im wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Kontext beleuchtet.
  • Fazit und Empfehlungen: Neben der Vermeidung von Treibhausgasemissionen sind alle Optionen für eine Verringerung der Industrieemissionen grundsätzlich in Betracht zu ziehen. Die infrage kommenden Technologien sollten weiterentwickelt und zeitnah Diskussionen über Potenziale und Bedingungen des Einsatzes von CCU und CCS unter Beteiligung einer breiten Öffentlichkeit geführt werden.