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Carbon Capture and Utilization: CO2 als Rohstoff

Carbon Capture, Utilization and Storage CCUS

Bild: © Adobe Stock / wasanajai

CO2-Emissionen müssen aus Klimaschutzgründen vermieden werden, das ist längst Konsens. Wenn dies z.B. bei bestimmten Industrieprozessen nicht möglich ist, kann das Treibhausgas auch abgeschieden und gespeichert werden. Und es kann sogar als Grundstoff für neue Produkte dienen. Erfahren Sie hier, wie das funktioniert, welchen rechtlichen Rahmen es gibt und welches Beispielunternehmen dies bereits erfolgreich praktiziert.

INHALT:

Zum Erreichen der Klimaneutralität gewinnt Carbon Capture and Utilization (CCU), zu Deutsch die Abscheidung und Nutzung von Kohlenstoff, an Bedeutung. Kohlenstoffdioxid ist nicht nur ein klimaschädliches Treibhausgas, sondern auch ein wichtiger Grundstoff für zahlreiche Industriezweige und in unzähligen Produkten enthalten. Mit Hilfe innovativer Technologien kann CCU somit nicht nur zur Reduktion von CO2-Emissionen beitragen, sondern auch wertvolle Basismaterialien – zum Beispiel für die chemische Industrie – liefern. Eine weitere Möglichkeit der CO2-Reduzierung ist Carbon Capture and Storage (CCS), wobei abgeschiedener Kohlenstoff in tiefen geologischen Schichten gespeichert wird.

Warum CCU und CCS?

Laut Bundesklimaschutzgesetz soll Deutschland bis 2045 treibhausgasneutral („klimaneutral“) werden, die EU hat sich zur Treibhausgasneutralität bis 2050 verpflichtet. Danach soll sogar eine negative Treibhausgasbilanz erreicht werden, das heißt, der Luft sollen mehr Treibhausgase (THG) entzogen werden als emittiert werden.

Um THG-Emissionen zu reduzieren, setzt die Bundesregierung auf folgende Maßnahmen:

  • Emissionen vermeiden: Substitution fossiler Brennstoffe (Kohle, Gas und Öl) durch erneuerbare Energien
  • Steigerung der Energieeffizienz: Energieeinsatz und Energieverluste reduzieren

Diese Maßnahmen zur Dekarbonisierung haben Priorität. Denn jede Tonne CO2, die nicht erzeugt wird, entlastet das Klima. Ebenfalls wichtig für die Industrie ist die Verwendung von grünem Wasserstoff, der mit regenerativer Energie hergestellt wird.

Unvermeidbare und schwer vermeidbare Emissionen

Klimaforschern zufolge wird es nicht möglich sein, die Treibhausgasemissionen komplett auf null zu reduzieren. Auch nach 2050 wird es unvermeidbare und schwer vermeidbare Emissionen geben, die vor allem in industriellen Fertigungsprozessen entstehen. Dies betrifft insbesondere folgende Industriezweige, für die sich CCU-Verfahren anbieten:

  • Zementherstellung
  • Kalkproduktion
  • Glasindustrie
  • Stahlwerke
  • Abfallwirtschaft

Kohlenstoff als Grundstoff für viele Produkte

Gleichzeitig ist CO2 ein Basismaterial für zahlreiche Produkte aus den unterschiedlichsten Lebensbereichen. Einige Beispiele:

  • Alltagsprodukte wie Medikamente, Zahnbürsten, Aufbewahrungsbehälter für Lebensmittel, Kleidung aus Kunstfasern
  • Baustoffe, Düngemittel und Autoreifen
  • Im Transport (z.B. Luft- und Schifffahrt) als Grundstoff für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe

Um nach 2050 eine negative Treibhausgasbilanz zu erreichen, gibt es natürliche Wege der Emissionsreduktion, zum Beispiel durch Aufforstung und das Schaffen von CO2-Senken wie Moore, sowie technische Lösungen wie Carbon Capture and Utilization (CCU) und Carbon Capture and Storage (CCS). Letztere werden unter dem Sammelbegriff „Carbon Management“ zusammengefasst.

Wie funktioniert Carbon Capture and Utilization?

Carbon Capture and Utilization (CCU) bezeichnet die Abscheidung, den (eventuellen) Transport und die anschließende Nutzung von Kohlenstoffverbindungen. Sie werden mindestens einem weiteren Nutzungszyklus zugeführt.

Bei den Kohlenstoffverbindungen kann es sich um Kohlenmonoxid (CO) oder Kohlendioxid (CO2) handeln, wobei CCU in der Regel mit CO2 in Verbindung gebracht wird.

Unterschieden werden die direkte und die indirekte Nutzung des Kohlenstoffs. Direkt genutzt wird CO2 unter anderem in Feuerlöschern und Löschanlagen. Um indirekte Nutzung handelt es sich, wenn das CO2 beispielsweise mit Wasserstoff verarbeitet wird und das Produkt daraus zum Heizen, für den Fahrzeugantrieb oder die Herstellung von Kunst- und Baustoffen genutzt wird.

Wie funktioniert Carbon Capture and Storage

Anders als bei CCU, wird beim Carbon Capture and Storage (CCS) der abgeschiedene Kohlenstoff nicht genutzt, sondern in Tiefen von 800 bis 4.000 Metern langfristig gespeichert. Das CO2 wird über Pipelines zum Speicherort geleitet und dort über Bohrungen in die geologischen Schichten injiziert.

Als geologische Speicher eignen sich:

  • ausgeförderte Öl- und Erdgaslagerstätten
  • saline Aquifere (Salzwasser führende Gesteinsschichten)

In Deutschland und Europa kommt der Meeresboden unter der Nordsee bzw. der Norwegischen See als Speicherorte in Betracht.

Weltweit gibt es bereits zahlreiche CCS-Vorhaben: von kleinen Pilot- bis zu Industrieprojekten. In Deutschland gibt es bisher nur ein Pilotprojekt in Ketzin in der Nähe von Berlin.

Der Kohlenstoff für beide Verfahren kann direkt aus den Emissionen entnommen werden, so dass er gar nicht erst in die Atmosphäre gelangt, oder er wird aus der Luft entzogen. Diese Methode wird als „Direct Air Capture“ (DAC) bezeichnet.

Praxisbeispiel: Greenlyte Carbon Technologies

Das 2022 gegründete Universitäts-Spin-off Greenlyte Carbon Technologies hat eine DAC-CCU-Methode entwickelt, um CO2 gemeinsam mit Wasserstoff der Industrie als reine Gase zur Verfügung zu stellen. Laut Co-Founder und Investor Florian Hildebrand basiert die Technologie auf 15 Jahren Forschung an der Universität Duisburg Essen.

In dem zweistufigen Prozess wird zunächst das CO2 von den anderen Bestandteilen der Luft getrennt und abgesaugt. Anschließend verfestigt sich die Flüssigkeit und das CO2 löst sich als Salz heraus, ohne dass hierfür Energie benötigt wird. Aus dem Salz werden anschließend Sauerstoff, Wasserstoff und CO2 gewonnen. So soll diese Technologie deutlich energieeffizienter sein als andere Verfahren wie beispielsweise die Elektrolyse, bei der nur Sauerstoff und Wasserstoff erzeugt werden.

Greenlyte baut in diesem Jahr in Essen eine erste Pilotanlage, mit der 100 Tonnen CO2 pro Jahr abgeschieden werden können. Das entspricht der CO2-Reduktion von rund 10.000 Bäumen. Die Anlage benötigt den Platz von zwei Autoparkplätzen und ist 7,5 Meter hoch. In der zweiten Phase (2024/2025) soll eine erste kommerzielle Demonstrationsanlage bei einem Kunden entstehen.

Im Moment sei die Herausforderung noch, die Technologie zu beherrschen, sagt Hildebrand. Außerdem müsse die optimale Größe gefunden werden. Denn das Verfahren muss wettbewerbsfähig zum Emissionszertifikatehandel sein. Die Kosten für eine Tonne CO2-Reduktion dürfen nicht höher sein, damit die Anlagen für energieintensive Unternehmen attraktiv sind.

Laut Hildebrand arbeiten derzeit weltweit rund 300 bis 500 Teams an CCU-Technologien. Die Ansätze werden noch erforscht und erprobt.

Auch das Schweizer Unternehmen Climeworks ist hier tätig: Es hat eine der weltweit größten DAC-Anlagen entwickelt und betreibt sie auf Island zusammen mit dem Partner Carbfix.

Rechtsrahmen und THG-Neutralitätsstudien

Die Abscheidung von CO2 ist im Bundesimmissionsschutzgesetz geregelt, der Transport und die Speicherung im Kohlendioxid-Speicherungsgesetz (KSpG - Gesetz zur Demonstration der dauerhaften Speicherung von Kohlendioxid), das 2012 verabschiedet wurde. Das Gesetz

  • begrenzt die Mengen, die pro Jahr in Deutschland sowie in einzelnen Projekten gespeichert werden dürfen.
  • erlaubt es den Ländern zu bestimmen, in welchen Gebieten die Erprobung und Demonstration zulässig sind.

2018 hat die Bundesregierung das KSpG und Erfahrungen mit der CCS-Technologie evaluiert. In dem zweiten Evaluierungsbericht von Ende 2022 wurden zusätzlich CCU-Technologien evaluiert.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) ist zu dem Schluss gekommen, dass bei den Abscheidetechnologien „große Fortschritte hinsichtlich Abscheideeffizienz, Marktreife und Kostenreduktion“ erzielt wurden, so dass „ein großtechnischer Einsatz zeitnah möglich erscheint“.

2021 hatten THG-Neutralitätsstudien bereits ergeben, dass zusätzlich zu der Dekarbonisierung durch Emissionsreduktion und -vermeidung CCU- und CCS-Verfahren zum Erreichen der Klimaziele bzw. Treibhausgasneutralität nötig seien. In dem Evaluierungsbericht wurde deshalb empfohlen, unter anderem den leitungsgebundenen CO2-Transport und den Aufbau der hierfür nötigen Infrastruktur mit dem entsprechenden Rechtsrahmen zu ermöglichen.

Im Laufe des Jahres 2023 will die Bundesregierung eine Carbon-Management-Strategie vorlegen. Darin soll der Umgang mit unvermeidbaren und schwer vermeidbaren Emissionen geregelt werden.

Herausforderungen beim Marktaufbau

Einige der Hürden, die zu nehmen sind:

  • Um eine breite Akzeptanz für die sogenannten Negativ-Emissionstechnologien CCU und vor allem CCS zu schaffen, ist ein breit angelegter Diskurs nötig. Beteiligt werden sollen unter anderem die Bevölkerung, Politik, Verbände, Industrie und Wissenschaft.

  • CCU und CCS sind energieintensive Technologien. Deshalb weist beispielsweise das Umweltbundesamt (UBA) darauf hin, dass in den Verfahren möglichst viel erneuerbare Energien eingesetzt werden sollten, damit der Effekt für das Klima letztlich positiv ist. Das UBA nennt einen Mindestanteil von 80 Prozent Erneuerbare Energien im öffentlichen Stromnetz.

  • Bei der Wiederverwendung von Kohlenstoff (CCU) gelangt das CO2 in der Regel wieder in die Atmosphäre. Treibhausgasneutrale geschlossene Kreisläufe (Kreislaufwirtschaft) leisten einen größeren Beitrag zur Klimaneutralität.

  • Für beide Technologien ist der Aufbau der Infrastruktur und insbesondere der Leitungen für den Transport großer Mengen CO2 zum Ort der Wiederverwendung oder Speicherung notwendig. Beim Einsatz in Industrie-Hubs könnten mehrere Industrieunternehmen von CCU-Verfahren profitieren und Transportwege reduziert werden.

  • Es muss sichergestellt sein, dass keine gesundheitlichen oder ökologischen Schäden riskiert werden, zum Beispiel durch Leckagen in Leitungen, und dass die langfristige Speicherung in tiefen geologischen Schichten sicher ist. Die Verfahren müssen außerdem wirtschaftlich und konkurrenzfähig zum Emissionszertifikatehandel sein.

Fazit

Da die Zeit bis zum Erreichen der Klimaneutralität knapp wird und es Forschern zufolge auch nach 2045 / 2050 vor allem in der Industrie unvermeidbare und schwer vermeidbare Restemissionen geben wird, hat die Bundesregierung Carbon Capture and Utilization (CCU) and Carbon Capture and Storage (CCS) in den Maßnahmenkatalog aufgenommen. In der Carbon Management Strategie soll der Fahrplan zur Weiterentwicklung und zum Einsatz der Technologien definiert werden. Während CCU-Technologien bereits erprobt und teils in der Anwendung sind, befindet sich CCS in Deutschland noch im Anfangsstadium.