Indirekte Nutzung von CO2

Abb. 1: CO₂-Quellen, indirekte und direkte Nutzung

Einleitung

Kohlendioxid kann grundsätzlich entweder nach dem Carbon-Capture-and-Storage-Verfahren (CCS) gespeichert oder nach dem Carbon-Capture-and-Utilization-Verfahren (CCU) als Produkt genutzt werden. Dabei teilt sich die CO₂-Nutzung in die direkte Nutzung, etwa in der Getränkeindustrie, in Treibhäusern oder in der Tertiären Ölförderung, und in die indirekte Nutzung, bei der Kohlendioxid in einen neuen Stoff umgewandelt wird. Zunächst stellt sich bei der CO₂-Nutzung die Frage, ob sie überhaupt in einem solchen Umfang erfolgt bzw. erfolgen kann, dass der Klimawandel dadurch merklich abgeschwächt und ein erkennbarer Beitrag zur Erreichung der Pariser Klimaziele geleistet wird? Nach Schätzung der Internationalen Energieagentur (IEA) werden gegenwärtig rund 230 Mio. t CO₂ jährlich genutzt, im Vergleich zu den weltweiten Emissionen von Kohlendioxid von 40 Gt CO₂ ein verschwindend geringer Anteil von ca. einem halben Prozent. Der größte Einzelverbraucher von CO₂ ist die Düngemittelindustrie durch die Herstellung von Harnstoff mit etwa 130 Mio. t CO₂ pro Jahr, gefolgt von der tertiären Ölförderung mit 70-80 t CO₂. Der globale Bedarf an CO₂ in Treibhäusern ist unbekannt. Nur in einem sehr kleinen Teil der weltweiten Treibhäuser wird überhaupt CO₂ zur Stimulierung des Pflanzenwachstums genutzt, wobei die Niederlande mit 5-6,3 Mio. t CO₂ weit an der Spitze stehen.

Energiebedarf

Wie bei der Abscheidung von CO₂ wird auch in der Nutzungsphase in der Regel Energie gebraucht. Am wenigsten gilt das für die direkte Nutzung. Die Anlagen zur Injektion von CO₂ in Erdöl- oder Gaslagerstätten oder die Anreicherung der Luft in Treibhäusern mit CO₂ dürften nur eine überschaubare Menge an Energie verbrauchen. Die industrielle Umwandlung von CO₂ zur Herstellung von Treibstoffen, Chemikalien oder Baumaterialien ist jedoch mit einem z.T. gravierenden Energiebedarf verbunden, der gegenwärtig noch in einem hohen Maße aus fossilen Rohstoffen abgedeckt wird. Insbesondere gilt das für chemische Prozesse, in denen Wasserstoff genutzt wird, der gegenwärtig hauptsächlich aus Erdgas gewonnen wird. Die Internationale Energieagentur schätzt diesen Energiebedarf für 2030 auf 11,7 Petawattstunden (PWh). Diese Menge ist im Verhältnis zur gegenwärtigen globalen Stromerzeugung von 26,7 PWh und dem für 2030 in einem Paris-konformen Klimaschutzszenario geschätzten Stromverbrauch von 1,7 PWh für den industriellen Sektor zu sehen. Das Umweltbundesamt kommt zusammenfassend zu dem Schluss, dass „die Verfügbarkeit von CO₂ als Rohstoff … kein Kohlenstoff-, sondern ein Energieproblem“ ist.

Für die Umwandlung von CO₂ und die Herstellung höherwertiger chemischer Produkte wie Methan und Methanol aus 100 Mio. t CO₂ liegt der Energiebedarf laut Umweltbundesamt bei 1.000 Terawattstunden (TWh). In Deutschland wäre das doppelt so viel wie der gesamte jährliche Verbrauch von 513 TWh. Dieser Bedarf kann in Deutschland auf absehbare Zeit nur sehr begrenzt durch erneuerbare Energien abgedeckt werden, u.a. weil Energie aus Sonne und Wind starken zeitlichen Schwankungen unterliegt. Würde stattdessen für die Umwandlung von CO₂ auf fossile Energien zurückgegriffen, kann das zu einer mehrfach höheren CO₂-Emission führen als bei der direkten Nutzung von Erdgas. Für Europa wurde berechnet, dass für eine Nutzung von 210 Mio. t CO₂ als Ersatz für fossilbasierte Kohlenstoffquellen ein Strombedarf von 4900 TWh anfallen würde, was dem Sechsfachen des 2015 erzeugten regenerativen Stroms in der EU entspräche. Die Herstellung von Polymeren auf der Basis von Kohlendioxid, die als Grundstoff für die Produktion von Plastik, Schaumstoffen und Harzen verwendet werden und 50% CO₂ nach Gewicht beinhalten können, kommt dagegen bei der Umwandlung mit relativ wenig Energie aus.

Speicherung

Im Gegensatz zu CCS wird Kohlendioxid bei der Nutzung nur über die Lebensdauer der erzeugten Produkte (z.B. Treibstoffe, Chemikalien, Baumaterialien) gespeichert. Die Speicherung variiert dabei stark je nach Produkt von weniger als einem Jahr bei Treibstoffen, bis zu 10 Jahren für die meisten chemischen Zwischenprodukten und bis zu Hunderten von Jahren bei Polymeren und zu Tausenden von Jahren bei Baumateriealien. Die zeitlich begrenzte Speicherung wird oft als Argument gegen die Klimawirksamkeit von CCU-Verfahren angeführt. So schreibt etwa das Umweltbundesamt in seiner Bewertungsanalyse von CCU: „Wird Kohlenstoff mehrfach genutzt, so verlagert sich die Emission bis nach der letzten Nutzung...Eine CCU-Maßnahme ist also keine Klimaschutzmaßnahme, die fossile, treibhausrelevante Emissionen mindern kann.“ Demgegenüber rechnet die IEA vor, dass bei zweimaliger Nutzung von CO₂, z.B. bei der Verbrennung des ursprünglichen Energieträgers und dann für die Herstellung eines Treibstoffes oder einer Chemikalie 50% der CO₂-Menge eingespart werden, wenn dadurch bei dem zweiten Prozess die Nutzung von neuer fossiler Energie eingespart wird. Die Nutzung bzw. Speicherung in einem Produkt ist im Hinblick auf die Klimawirksamkeit auch immer dahin zu betrachten, inwieweit dadurch andere fossile Energieträger substituiert werden.

Weniger temporär ist die Bindung von CO₂ in Zement und Beton. Technologien zur Nutzung von Kohlenstoff in der Bauindustrie können einerseits während der Aushärtungsphase des Betons eingesetzt werden, andererseits beim Mischen von Beton. Die weltweite Bevölkerungszunahme und Verstädterung lassen auch zukünftig einen hohen Bedarf an Betonbaumaterial erwarten und damit auch eine breite Möglichkeit, CO₂ zu speichern. Schätzungen gehen davon aus, dass um die Mitte des Jahrhunderts 0,1-1,4 Gt CO₂ auf diese Weise gebunden werden könnten. Die Nutzung von CO₂ kann auch wie bei der tertiären Ölförderung (OER) in eine anschließende dauerhafte Speicherung des Kohlendioxids übergehen. Das OER-Verfahren wird daher auch als eine Mischform von CO₂-Nutzung und -Speicherung eingestuft und als Carbon Capture, Utilization and Storage (CCUS) bezeichnet.

Kosten und Marktchancen

Die Motivation zur Nutzung von CO₂ leitet sich ursprünglich nicht aus dem Klimaschutz ab, sondern war vor allem ökonomisch bedingt. Der Markt für Produkte und Dienstleistungen aus CO₂ wird zukünftig vor allem dann expandieren, wenn sie im Vergleich zu den konventionell produzierten Produkten konkurrenzfähig sind, und das hängt vor allem von den Kosten ab.

Die Preise für die industrielle Abscheidung und Reinigung von CO₂ variieren stark je nach CO₂-Quelle zwischen 15 und 80 US$ pro Tonne CO₂. So liegen sie bei der Abscheidung aus Erdgas bei 15-25 US$ und aus der Eisen- und Stahlproduktion bei 60-100 US$. Noch teurer ist das DAC-Verfahren bzw. die Abscheidung von CO₂ aus der Luft mit 94-132 US$ pro t CO₂, bedingt vor allem durch den hohen Energiebedarf. Auch die Transportkosten von CO₂ zum Endverbraucher können abhängig von der Entfernung und der Transportart (Pipeline, Schiff, LKW) mit signifikanten Kosten verbunden sein.

Für den Umwandlungsprozess von CO₂ in zahlreiche Produkte spielt vor allem Wasserstoff eine zentrale Rolle. Bei der gängigsten Art wird Wasserstoff aus Erdgas durch Dampfreformierung gewonnen, wobei mit Hilfe von Wasserdampf der Wasserstoff vom Kohlenstoff getrennt wird. Dabei fällt jedoch pro kg H₂ eine beträchtliche Menge von 10 kg CO₂ an. Ein Speicherverfahren für Kohlendioxid zur Dekarbonisierung des Verfahrens würde Kosten von 1,5-2,5 US$ verursachen. Alternativ kann Wasserstoff aus der Elektrolyse mit einem erheblichen Energieaufwand gewonnen werden, allerdings mit Kosten von 2,5-6,0 US$ pro kg H₂. Nach Eischätzung der IEA wird die Wasserstofferzeugung aus fossilen Brennstoffen in den meisten Regionen der Welt vorläufig die kostengünstigste Option bleiben. Die Kosten für die Wasserstoffproduktion sind der Hauptgrund dafür, dass die CO₂-basierten Kraftstoffe und Chemikalien derzeit um ein Vielfaches teurer als bei konventionellen Produktionsverfahren sind. Eine kommerzielle Produktion ist nur in Regionen möglich, wo sowohl günstige erneuerbare Energie als auch Kohlendioxid als Grundstoff zur Verfügung stehen wie auf Island oder Chile. Eine Ausnahme stellen kohlendioxidbasierte Polymere dar, deren Markt jedoch relativ klein ist. Auch die Produktion und Behandlung von Baumaterialien wie Zement und Beton sind heute schon konkurrenzfähig.

Klimanutzen

Anders als CCS- sind CCU-Maßnahmen ursprünglich und auch gegenwärtig noch hauptsächlich durch die Nutzung von Kohlendioxid als Rohstoff motiviert. Die Nutzung von CO₂ wurde daher in einigen Sektoren wie der tertiären Ölförderung oder in Treibhäusern auch weit vor der Klimakrise praktiziert. Erst in jüngster Zeit hat sich der Anspruch ergeben, auch durch CCU eine Reduzierung von CO₂-Emissionen zu bewirken. Der zukünftige Markt für die CO₂-Nutzung ist jedoch sehr schwer zu bestimmen. Ein Problem besteht in der begrenzten Verfügbarkeit von verlässlichen Daten über die Technologien zur CO₂-Umwandlung, wodurch auch die vielfach geforderten Lebenszyklus-Analysen der CO₂-Nutzung von der Quelle bis zum endgültigen Verbleib quantitativ kaum zu erfüllen sind. Schätzungen zur Aufnahmekapazität in CCU-Maßnahmen reichen von 1-7 Gt CO₂ in 2030, wobei der höhere Wert als extrem optimistisch gilt. Die meisten CO₂-Umwandlungstechnologien befinden sich noch in einem frühen Stadium der Entwicklung.

Im Vergleich zum Carbon Capture and Storage (CCS) ist die CO₂-Nutzung (CCU) deutlich weniger in der Lage, die Emissionen von Treibhausgasen zu verringern. 2060 wird nach Szenarien der IEA die CO₂-Einsparung durch CCU auch im günstigsten Fall unter 1 Gt liegen, während bei der direkten Speicherung (CCS) von mindestens 10 Gt CO₂ auszugehen ist. Die IEA sieht daher in CCU keine Alternative zur direkten Speicherung von CO₂, sondern allenfalls eine Ergänzung. Abgesehen von der zeitweiligen und in wenigen Fällen dauerhaften CO₂-Speicherung kann CCU für den CCS-Prozess aber unterstützend wirken, indem es etwa neue und ökonomisch günstige Methoden der CO₂-Abscheidung oder eine verbesserte CO₂-Transportinfrastruktur entwickelt bzw. schon entwickelt hat. Zur Erreichung der Pariser Klimaziele sei jedoch von der CO₂-Nutzung nur ein geringer Anteil zu erwarten. Ähnlich kommen auch De Kleijne et al. (2022) zu dem Urteil, dass durch CCU-Technologien nur dann ein Beitrag zur Minderung der CO₂-Konzentration geleistet werden kann, wenn das genutzte CO₂ aus der Atmosphäre oder aus Biomasse stammt und permanent gespeichert wird.

Beispiele

In die Zementproduktion integrierte CO₂-Mineralisierung. Die traditionelle Zementproduktion ist rot gekennzeichnet, die Nutzung von CO₂ in der Zementproduktion ist blau markiert.

Bauindustrie

In der Bauindustrie gilt vor allem der Zementsektor einerseits als ein Bereich, in dem CO₂-Emissionen auch um die Mitte des Jahrhunderts zu einem großen Teil nicht zu vermeiden sein werden, andererseits aber auch als eine Möglichkeit, CO₂ dauerhaft zu speichern. Die Produktion von Zement ist seit Mitte des letzten Jahrhunderts schneller gestiegen als die Weltbevölkerung. Trotz erheblicher Verbesserungen der Energieeffizienz in den letzten Jahrzehnten werden die Energie- und Prozessemissionen für 2019 auf 2,1 bis 2,5 Gt CO₂-Äquivalent oder 14 bis 17 % der gesamten globalen direkten industriellen Treibhausgas-Emissionen geschätzt. Die Emissionen stammen aus dem Energieverbrauch für die hohen Temperaturen von 800-1400 °C für die Umwandlung von Kalkstein in Zementklinker. 40% der Emissionen entsteht durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen zur Prozesserhitzung, 60% durch die Freisetzung des im Kalkstein gebundenen Kohlendioxids. Schätzungsweise 15-30% an Kohlendioxid werden bei der Aushärtung des Materials wieder gebunden.

Technologien zur Nutzung von Kohlenstoff in der Bauindustrie können einerseits während der Aushärtungsphase des Betons eingesetzt werden, andererseits beim Mischen von Beton. Die weltweite Bevölkerungszunahme und Verstädterung lassen auch zukünftig einen hohen Bedarf an Betonbaumaterial erwarten und damit auch eine breite Möglichkeit, CO₂ zu speichern. Schätzungen gehen davon aus, dass um die Mitte des Jahrhunderts 0,1-1,4 Gt CO₂ auf diese Weise gebunden werden könnten.

Strunge et al. (2022) stellen für die Bauindustrie fest, dass die CO₂-Mineralisierung durch die Speicherung von CO₂ und die Substitution von konventionellem Zement die Treibhausgasemissionen der Zementindustrie um 8-33% reduzieren könnte. Der CO₂-Einsatz in der Zementherstellung befindet sich dabei in einer früheren Phase als der für die Betonhärtung, bei dem es sich um einen technologisch ausgereiften Prozess handelt. Dass der Produktionsprozess sich jedoch schnell auf CO₂-Nutzung umstellt, ist eher unwahrscheinlich, da die Bauindustrie als konservativ gilt und neue Baumaterialien daher nur schwer auf den Markt dringen. Dafür bleibt das genutzte Kohlendioxid im Beton sehr langfristig gespeichert.

Chemische Industrie

Abb. 3: Wir leben in einer Welt voller chemischer Produkte.

Umwandlungsprozesse

In der chemischen Industrie werden von Zwischenprodukten bis zu Gegenständen des täglichen Bedarfs zahlreiche Produkte wie Methanol, Ethylen, Polymere, Verpackung, Telefone, Zahnbürsten etc. hergestellt (Abb. 1). Die Zwischenprodukte Methan und Methanol, aber auch Ethylen und Polymere dienen schon seit langem zur Herstellung weiterer Chemieprodukte. Die wichtigsten Anwendungsbereiche sind Kunststoffe, die Automobilbranche und der Bausektor. Viele dieser Produkte werden auf der Basis von Kohlenstoff erzeugt, das im Wesentlichen aus Erdöl stammt. Auf den Chemie-Sektor entfallen gegenwärtig 15% des globalen Ölbedarfs und 8% des globalen Gasbedarfs. Die derzeitige weltweite Kunststoffproduktion von etwa 350 Mio. t/Jahr basiert z.B. fast ausschließlich auf Erdöl und verbraucht etwa die Hälfte des in der chemischen Industrie verwendeten Erdöls. Die Recyclingraten sind dabei sehr niedrig und liegen im globalen Mittel bei nur 17%.

Grundsätzlich werden fossile Brennstoffe in der chemischen Industrie auf zweierlei Art und Weise genutzt: 1. als Energie, um mit Wärme, Dampf und Strom die chemischen Prozesse, die Maschinen und Anlagen anzutreiben, und 2. als Grundstoff, um daraus chemische Produkte herzustellen. Dabei werden von dem wichtigsten fossilen Rohstoff Erdöl 90% als Grundstoff genutzt, der Rest als Energie. Der Grundstoff Erdöl geht zu 70% in die Herstellung von Kunststoffen. Bis 2050 wird sich die Kunststoffproduktion nach jetzigen Schätzungen auf jährlich 1,3 Mrd. t erhöhen. Während gegenwärtig 4-8% des jährlichen globalen Ölverbrauchs für die Herstellung von Kunststoffen genutzt wird, könnten es 2050 20% oder mehr sein.

Abb. 4: CO₂-Abscheidung, -Umwandlung und -Nutzung

Die Abhängigkeit vom Erdöl bei zahlreichen chemischen Prozessen, die Kohlenstoff verarbeiten, macht die chemische Industrie von der Öllieferung und den Preisschwankungen auf dem Weltmarkt abhängig. Die Ölkrisen der Vergangenheit und die aktuellen Lieferprobleme durch den Krieg Russlands gegen die Ukraine haben die Problematik dieser Abhängigkeit deutlich gemacht. Die chemische Industrie ist daher in der Zukunft gezwungen, alternative Rohstoffquellen zu nutzen. Dafür bietet sich Kohlendioxid aus Industrieanlagen und Kraftwerken an. Die Abscheidung von Kohlendioxid aus industriellen Rauchgasen hat zugleich den Effekt, Kohlendioxid-Emissionen (vorübergehend) zu reduzieren, um den weltweiten Klimawandel zu begrenzen.

CO₂-Emissionen und CO₂-Nutzung

Die chemische Industrie ist mit knapp 50 EJ 2021 der größte Energieverbraucher der Industrie, wobei der Energiebedarf im Wesentlichen durch fossile Energien abgedeckt wird. Trotz des hohen Ölverbrauchs emittiert die chemische Industrie mit ca. 1,5 Gt CO₂/Jahr gegenwärtig jedoch weniger an CO₂ als die Stahl- (ca. 4 Gt CO₂/Jahr) und Zementindustrie (ca. 2,5 Gt CO₂/Jahr). Das liegt u.a. daran, dass die emissionsintensive Kohle in der Chemie kaum eine Rolle spielt, zum anderen daran, dass nur ein Zehntel des Ölverbrauchs in der Chemie der Energieerzeugung dient und der Rest in die Herstellung von Roh-, Zwischen- und Endprodukten fließt, wo Kohlendioxid mehr oder weniger lange gespeichert bleibt. Die Zwischenprodukte Polymere und Polycarbonate können etwa einen Gewichtsanteil an CO₂ von 50% enthalten. Soweit Kohlenstoff in die Herstellung chemischer Produkte fließt, hängt es von der Lebenszeit und einer eventuellen Weiterverwertung dieser Produkte ab, wann es zu Emissionen in die Atmosphäre kommt. Nach dem NZE-Szenario der IEA wird sich an der Höhe des Energieverbrauchs der chemischen Industrie bis zur Mitte des Jahrhunderts kaum etwas ändern, außer dass die fossilen Energien zu einem erheblichen Teil durch Wasserstoff (und beim Energieverbrauch auch durch Solar- und andere erneuerbare Energien) ersetzt sein werden.

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Kontakt: Dieter Kasang