Nutzung von CO2: Rohstoff statt Abfall

In der Natur ist Kohlenstoffdioxid (CO₂) in großen Mengen und in einer Vielzahl natürlicher Prozesse zu finden. Um diese Ressourcen aber zu schonen und keine zusätzlichen CO₂-Emissionen zu generieren, kann das CO₂, dass mit CCU – Carbon Capture and Utilization – gewonnen wird, in einen wirtschaftlichen Kohlenstoffkreislauf eingebettet werden und damit zum einen die industrielle Rohstoffbasis erweitern und zum andern den Einsatz von fossilen Ressourcen reduzieren.

CO2 als Rohstoff

Abgeschiedenes CO₂ ist eine Kohlenstoffquelle, die künftig als Rohstoffquelle für industrielle Prozesse dienen und Kohlenstoff aus fossilen Quellen ersetzen kann.

CO₂ hat zahlreiche stoffliche Eigenschaften, die für eine Verwendung als Rohstoff vorteilhaft sind. So verfügt das Gas über eine hohe Kapazität zur Wärmeaufnahme, ist von seiner Struktur stabil und nicht reaktiv und kann als Lösungsmittel eingesetzt werden. Einsatzgebiete finden sich in der Lebensmittel- und Getränkeproduktion, in der Metallbearbeitung, bei Kühlprozessen, in der chemischen Reinigung, der Brandbekämpfung, Wasseraufbereitung oder im Gesundheitswesen.

Das Bild zeigt die Hände eines Chemielobaranten in den sich das weiße Granulat eines chemischen Produktes befindet. Im Hintergrund ist unscharf ein großer Sack mit dem Granulat zu erkennen. Auf dem Bild steht geschrieben: Webinar CO2 als Rohstoff.

Bye Bye, CO2: CO2 als Rohstoff

In unserer Webinarreihe "Bye Bye, CO₂" widmen wir uns dem Thema Carbon Management – von den Grundlagen über Abscheide-Technologien und den Aufbau der benötigten Infrastruktur bis hin zu sicherheitsrelevanten Aspekten und den regulatorischen Rahmenbedingungen für CCU und CCS in Deutschland und Europa.

In dieser Folge fokussieren wir uns auf Technologien zur CO₂-Nutzung sowie deren wirtschaftliche Potenziale und Herausforderungen. CO₂ kann als Rohstoff in verschiedenen Industrien genutzt werden, beispielsweise zur Herstellung von Kraftstoffen, Chemikalien und Baumaterialien. Diese Ansätze können nicht nur dabei helfen, CO₂-Emissionen zu reduzieren, sondern auch neue wirtschaftliche Potenziale zu erschließen.

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Carbon Capture and Utilization

Quellen und Nutzung

Carbon Capture and Utilization (CCU) ist die Nutzung des Kohlenstoffs aus abgeschiedenem CO₂. Müssen heute die Bedarfe für Kohlenstoff als Rohstoff meist durch die Förderung von fossilen Rohstoffen gedeckt werden, kann der Kohlenstoff, der bei CCU genutzt wird, den aus fossilen Quellen stammenden Kohlenstoff ersetzen.

CO₂ wird in einigen Industrien als wichtiger Rohstoff genutzt. So wird es beispielsweise für die Herstellung von Basischemikalien wie Polyethylen, Polypropylen, Ethanol oder Polyolen für Polyurethan und als Ausgangsstoff für eine Vielzahl von Zwischen- und Endprodukten genutzt. Dazu gehören Lösungsmittel für die Verwendung in Lacken, Klebstoffen oder Reinigern, Harnstoff, zum Beispiel für die Kosmetikindustrie und als Düngemittel in der Landwirtschaft, oder Plastik für Hartschäume, wie etwa für Dämmstoffe an Gebäuden. Außerdem wird CO₂ gemeinsam mit Wasserstoff für die Produktion von synthetischen Kraftstoffen verwendet. Auch in Mineralisierungstechnologien, zum Beispiel für Baustoffe oder in der Lebensmittelindustrie, gibt es mittlerweile Verfahren zur Herstellung von Produkten, die CO₂ als wichtigen Baustein nutzen.

CCU macht CO₂-Emissionen nutzbar und kann damit insbesondere die Rohstoffbasis für die Industrie erweitern, fossile Kohlenstoffquellen ersetzen sowie einen wichtigen Beitrag zu einer Kreislaufwirtschaft leisten. Nicht nur die Funktion als CO₂-Senke, sondern primär als Substitut für fossilen Kohlenstoff ist der Vorteil von CCU.

Als Quellen für das auf der Basis von CCU-Prozessen gewonnene und genutzte CO₂ kommen insbesondere industrielle Punktquellen (z. B. Zementwerke), Biogas-Anlagen (mit BECCU) oder die Umgebungsluft (mit DACCU) infrage.

Ein wichtiger Aspekt ist die Ökobilanz bzw. die CO₂-Bilanz eines Produktes, das auf der Basis von CCU-Prozessen hergestellt wird. Diese Bilanz, mit der nachvollzogen werden soll, welche CO₂-Emissionen ein Produkt von der Herstellung bis zur Entsorgung verursacht, ist ein wichtiges Instrument zur Messung des tatsächlichen Beitrags zum Klimaschutz. Die CO₂-Bilanz wird auch Lebenszyklusanalyse (Life Cycle Assessment, LCA) genannt.

Produkte, die für ihre Herstellung Kohlenstoff benötigen, der zurzeit meistens aus fossilen Rohstoffen gewonnen wird, haben meist einen hohen CO₂-Fußabdruck. Dieser Fußabdruck kann durch den Einsatz von Kohlenstoff, der über CCU gewonnen wurde, verkleinert werden.

Kohlenstoff als Rohstoffe: Verfügbarkeit und Nachfrage

Kohlenstoff aus CCU-Prozessen wird global ein großes Mengenpotenzial zugeschrieben. Dabei spielen etablierte und bereits genutzte Anwendungen, wie etwa die Nutzung von CO₂ als Basis für synthetische Kraftstoffe oder Produkte aus der Chemie, eine wesentliche Rolle. Aber auch neue Anwendungen wie etwa die Proteinherstellung aus CO₂ oder die Verwendung von CO₂ in Baustoffen werden neue Nutzungspotenziale für Kohlenstoffdioxid aus CCU-Prozessen darstellen.

Die zukünftigen Bedarfe hängen insbesondere von der zukünftigen Technologieentwicklung sowie von Transformationspfaden zur Defossilisierung der Industrien ab. So wird für 2030 und 2050 ein globaler Bedarf von CO₂ als Rohstoff auf 0,6 Mrd. Tonnen bzw. 6,1 Mrd. Tonnen geschätzt. Dabei werden vor allem industrielle Punktquellen einen Großteil der CO₂-Mengen liefern. In Deutschland wird der Bedarf auf 234–423 Mio. Tonnen Kohlenstoffdioxid pro Jahr geschätzt. Allein die deutsche Chemieindustrie beziffert ihren Bedarf für CO₂ als Rohstoff auf fast 52 Mio. Tonnen im Jahr 2045.

Eine aktuelle Übersicht zu aktuell laufenden Projekten zur CO₂-Nutzung ist auf der Projektseite von CO₂-Win zu finden. CO₂-Win ist ein Projektvorhaben der DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird. Bereits abgeschlossene Projekte zur CO₂-Nutzung sind beim Forschungsinstitut für Nachhaltigkeit – Helmholtz-Zentrum Potsdam zu finden.

Einsatz in der Industrie

Weltweit werden pro Jahr bereits heute rund 230 Millionen Tonnen CO₂ industriell genutzt. Das Haupteinsatzgebiet ist die chemische Industrie. Hier dient das Gas als Grundstoff zur Herstellung organischer Verbindungen. Es wird beispielsweise zur Produktion von Harnstoff oder Ameisensäure eingesetzt. Darüber hinaus wird die Herstellung weiterer Stoffe aus CO₂ erforscht.

Das bislang in der chemischen Industrie eingesetzte CO₂ stammt zum großen Teil aus den vorgeschalteten Prozessen der Ammoniak-Herstellung, bei denen CO₂ als Nebenprodukt anfällt, oder aus natürlichen Quellen, aus denen es als Kohlensäure gefördert wird. Das Potenzial von CO₂ aus industriellen Abgasen als alternative Kohlenstoffquelle steigt im Zuge der zunehmenden Defossilisierung der Industrie.

Das beste Beispiel dafür bietet die Harnstoffsynthese aus Ammoniak und Kohlendioxid. Ammoniak ist eine chemische Verbindung aus Wasserstoff und Stickstoff. Der Wasserstoff wird heute zum großen Teil aus Erdgas gewonnen. Dabei entsteht das CO₂, das bei der späteren Harnstoffsynthese wiederverwendet wird. Ammoniak hat allerdings im Zuge des weltweiten Hochlaufs der grünen Wasserstoffwirtschaft eine hohe Bedeutung, um Wasserstoff über lange Strecken zu transportieren. Der Ammoniak in der Harnstoffsynthese lässt sich somit perspektivisch durch grünen Ammoniak ersetzen. In diesem Fall ist dann eine alternative CO₂-Quelle notwendig. Hier ergibt sich das Potenzial für eine CCU-Prozesskette.

Durch eine Umstellung auf die Nutzung von abgeschiedenem CO₂ hat die chemische Industrie insgesamt das Potenzial, von einer CO₂-Quelle zu einer CO₂-Senke zu werden. Doch auch weitere Branchen arbeiten an einer Nutzung von CO₂ als Rohstoff. Ein Beispiel bietet die Zementindustrie: Hier können aus CO₂ und Metalloxiden hergestellte Karbonate Kohlendioxid langfristig binden, auch wenn bei der Zementherstellung prozessbedingt auch weiterhin CO₂-Emissionen entstehen.

Produktion von E-Fuels und synthetischem Methan

Das Einsatzgebiet von CO₂ mit dem größten Potenzial ist die Herstellung von E-Fuels. Diese können erdölbasierte Kraftstoffe im Markt substituieren. E-Fuels können zur Defossilisierung des Mobilitätssektors beitragen. Denn während sich Pkw für eine Elektrifizierung des Antriebs anbieten, sind andere Verkehrsmittel wie Flugzeuge trotz laufender Forschungen derzeit noch auf Kerosin angewiesen. Dies kann als E-Kerosin aus regenerativ erzeugter Energie und CO₂ entstehen.

Wasserstoff lässt sich zudem mithilfe von CO₂ methanisieren. Dieses synthetisch hergestellte Gas bietet den Vorteil, dass es von seiner Struktur dem konventionellen Erdgas entspricht. Es lässt sich daher unbegrenzt in die bestehende Gas-Infrastruktur einspeisen und kann hier zur Defossilisierung des Energieträgers beitragen.

SNG: Synthetisches Gas

Abscheidung von CO2

Verschiedene Verfahren zur CO₂-Abscheidung ermöglichen die Transformation hin zur defossilisierten Industrie.

CO2 abscheiden

Infrastruktur für CO2

Eine passende Infrastruktur ermöglicht den transnationalen CO₂-Transport von Emittenten zu technischen Senken.

CO2 transportieren