Erster Schritt für Carbon Management: CO2-Abscheidung

Die deutsche Bundesregierung strebt mit dem Bundes-Klimaschutzgesetz die Klimaneutralität des Landes bis 2045 an. Dieses ambitionierte Ziel bedeutet, dass der Nettoausstoß von Treibhausgasen bis 2045 auf null sinken muss. Ab 2050 ist sogar eine dauerhafte CO₂-Negativbilanz angestrebt. Laut dem 6. Sachstandsberichts des Intergovernental Panel of Climate Change (IPCC) ist die schnelle Senkung der Treibhausgasemissionen maßgeblich, um das Ziel, die globale Erderwärmung auf 1,5 °C (bzw. deutlich unter 2 °C) zu begrenzen, bis zum Jahr 2100 noch zu erreichen. Drei von vier modellierten Klimapfaden sehen dabei ausdrücklich die Abscheidung und aktive Entnahme von Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre und die anschließende Speicherung zur Zielerreichung vor. Je nach Modell müssen global zwischen 350 und 1.200 Mrd. Tonnen CO₂ abgeschieden und gespeichert werden.

Das Bild zeigt eine Industrieanlage bzw. Zementwerk von oben aus der Luftperspektive. Auf dem Bild steht geschrieben: Webinar CO2-Abscheidung

Bye Bye, CO2: CO2-Abscheidung – Forschung trifft Praxis

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 liegt der Fokus auf der CO₂-Abscheidung an der Punktquelle. Es werden die Prozesse hinter verschiedenen Abscheide-Technologien erklärt und Praxisbeispiele vorgestellt. Gemeinsam mit unseren Studiogästen beleuchten wir die Potenziale der Technik und die Herausforderungen, die überwunden werden müssen, um von der Forschung in die praktische Anwendung zu gelangen.

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Die Facetten des Carbon Management

Carbon Management ist ein Oberbegriff, der in der Regel drei Arten von Prozessketten zusammenfasst:

CO₂-Abscheidung, Transport und Speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS),
CO₂-Abscheidung, Transport und anschließende Nutzung (Carbon Capture and Utilization, CCU) und
die direkte CO₂-Entnahme aus der Atmosphäre (Carbon Dioxide Removal, CDR).

Alle drei Prozessketten sinnvoll und effizient aufeinander abzustimmen, um zum einen den nachhaltigen Umgang mit schwer vermeidbaren CO₂-Emissionen und Restemissionen zu gewährleisten und zum anderen die Stärkung des Industriestandortes Deutschland voranzutreiben, sind die Ziele des Carbon Managements.

Beitrag zum Erreichen der Klimaziele

Die Abscheidung von CO₂ aus der Atmosphäre, aus Biomasse sowie aus industriellen Punktquellen muss einen Beitrag leisten, um die nationalen Klimaziele sicher zu erreichen.

In der Prozesskette von CDR oder CCU/S steht die CO₂-Abscheidung an erster Stelle. Welche Verfahren und Technologien zur CO₂-Abscheidung genutzt werden, hängt maßgeblich von der CO₂-Quelle und der jeweiligen CO₂-Konzentration ab. Für die Abscheidung von Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre (DAC) werden andere Technologien benötigt als beispielsweise für die CO₂-Abscheidung aus dem Synthesegas von Biogas-Aanlagen und anderen Kraftwerken oder in Industrieprozessen, bei denen schwer vermeidbare CO₂-Emissionen entstehen.

Grundsätzlich werden unterschiedliche Verfahren und Technologien für unterschiedliche CO₂-Quellen verwendet. Dabei müssen folgende CO₂-Quellen unterschieden werden:

CO₂ aus der Atmosphäre
CO₂ aus Biomasse
CO₂ aus Industrieprozessen
CO₂ aus Gas- und Ölkraftwerken

Verfahren für die CO2-Abscheidung in Industrieprozessen

Für die schwer vermeidbaren CO₂-Emissionen aus Industrieprozessen sind derzeit zwei Verfahren besonders relevant.

Post-Combustion Capture

Das sogenannte Post-Combustion Capture ist ein Verfahren bei dem das Gasgemisch aus einer Punktquelle, zum Beispiel aus einem Zementwerk, einer Anlage zugeführt wird, die das CO₂ abscheiden kann. Bei diesem Verfahren wird außer der Abkühlung des Gases auf 40–60 Grad Celsius keine Anpassung oder Vorbehandlung des CO₂-haltigen Gases benötigt.

Möglichkeiten der Abscheidung sind die Aminwäsche oder Carbonate Looping. Bei der Aminwäsche wird das CO₂ chemisch von den Aminen in einer sogenannten Waschlösung absorbiert. Die gesättigten Amine bzw. die Lösung wird dann auf 100–140 Grad Celsius erhitzt, wobei ein Großteil des CO₂ wieder gasförmig wird und dann innerhalb der Anlage abgeschieden wird. Beim Carbonate Looping handelt es sich um ein chemisches Absorptionsverfahren, bei dem CO₂ an ein festes Absorbens, z. B. Kalziumoxid, gebunden wird. Es wird auch als trockenes Absorptionsverfahren bezeichnet. Das in diesen Prozessen abgeschiedene CO₂ wird im letzten Schritt gereinigt und verdichtet, um es für die Einspeicherung (CCS) oder die Nutzung (CCU) transportieren zu können.

Oxyfuel Combustion Capture

Ein weiteres Verfahren, dass vor allem bei der Abscheidung von Kohlenstoffdioxid aus Gasgemischen verwendet wird, ist das sogenannte Oxyfuel Combustion Capture. Bei diesem Prozess werden kohlenwasserstoffbasierte Energieträger nicht mit Luft, sondern mit reinem Sauerstoff verbrannt. Dabei entsteht ein Gasgemisch, dass nur aus CO₂ und Wasserdampf besteht und einen CO₂-Anteil von rund 80 Prozent enthält. Durch die anschließende Kondensation des Wasserdampfs erhält man dann reines CO₂. Der vorgelagerte Prozess der Luftzerlegung, also der Trennung des Sauerstoffs von der Umgebungsluft, bedarf allerdings weiterer Energie.

Dieses Verfahren ist durch die relativ einfache Abscheidung des CO₂ verhältnismäßig energieeffizient: der entstandene Wasserdampf muss dann nur noch auskondensiert werden und gasförmige Begleitstoffe wie Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂), Argon (Ar) und Schwefeloxide (So_x) abgeschieden werden.

CO₂direkt der Atmosphäre entziehen: Direct Air Capture

Neben der Abscheidung von schwer vermeidbaren CO₂-Emissionen aus Industrieabgasen ist die aktive Entnahme von CO₂ aus der Erdatmosphäre ein weiterer Baustein des Carbon Managements. Das im Jahr 2020 aufgelegte Förderprogramm CDRterra nimmt die Möglichkeiten von Carbon Dioxide Removal-Technologien (CDR-Technologien) in den Blick. Die Forschung ist ergebnisoffen und umfasst natürliche und technische CO₂-Senken.

Beim DAC-Verfahren wird die Umgebungsluft angesaugt und somit der Anlage zugeführt. Je nach Technologie reagiert das CO₂ aus der Luft mit bestimmten Stoffen und Materialien, um dann von den restlichen Komponenten der zugeführten Luft abgetrennt zu werden. Um möglichst wenig andere Komponenten aus der Luft abzuscheiden und einen hohen Reinheitsgrad zu gewährleisten, geschieht die Abscheidung chemisch. In einem zweiten Schritt wird das Kohlendioxid durch Wärmezufuhr aus dem jeweiligen Material abgetrennt, an dem es reagiert hat.

Durch Direct Air Capture (DAC) können Negativemissionen erzeugt werden. Das Verfahren benötigt allerdings einen relativ hohen Energieaufwand. Zudem kann aufgrund der relativ geringen CO₂-Konzentration in der Umgebungsluft nur eine vergleichsweise geringe CO₂-Menge pro Kubikmeter abgeschieden werden. Dennoch werden auch DAC-Prozesse einen Beitrag für die erforderlichen Negativemissionen leisten können.

Mit Carbon Capture zu Negativemissionen

Hybride Ansätze kombinieren natürliche und technische CDR-Verfahren. Besonders vielversprechend ist der BECCS-Ansatz. Die Abkürzung steht für Bioenergy with Carbon Capture and Storage. Dabei werden die bei der Verbrennung von Biomasse entstehenden CO₂-Emissionen abgeschieden und gespeichert.

Ein Beispiel dafür bietet ein Projekt im bayerischen Reimlingen, dass im Jahr 2022 mit dem Innovationspreis der deutschen Gaswirtschaft ausgezeichnet wurde. Die Unternehmen Landwärme und Reverion haben dazu die vor Ort bestehende Biogas-Aufbereitungsanlage um Hochtemperatur-Festoxid-Brennstoffzellen ergänzt. Die Projektpartner nutzen die Tatsache, dass die CO₂-Abscheidung bei der Biogas-Aufbereitung ohnehin bereits ein Teil des Prozesses ist. Die Brennstoffzellen verstromen das Biomethan direkt am Standort und führen auch die dabei entstehenden CO₂-Emissionen der Speicherung zu. Im reversiblen Betrieb können die Brennstoffzellen zudem aus regenerativ erzeugtem Strom grünen Wasserstoff produzieren. Die Pilotanlage in Reimlingen soll rund 10.000 Tonnen CO₂ pro Jahr speichern. Ausgerollt auf alle aktuell in Deutschland bestehenden Biomethananlagen liegt das Speicherpotenzial bei 2,5 Millionen Tonnen pro Jahr. Da das CO₂ aus Biomasse stammt, handelt es sich hierbei dann um negative CO₂-Emissionen.

Zum Siegerprojekt

CO2 speichern

Für den nachhaltigen Umgang mit abgeschiedenen schwer vermeidbaren CO₂-Emissionen und zur Erzeugung von Negativemissionen, muss das entnommene CO₂ dauerhaft gespeichert werden muss. Für die geologische Speicherung von CO₂ kommen im Wesentlichen leere Öl- und Erdgas-Lagerstätten sowie tiefliegende Salzwasser-führende Sandsteinschichten (saline Aquifere) in Frage. Dafür muss das CO₂ entsprechend über Rohrleitungen oder anderen Transportmitteln zu geeigneten Speicherorten transportiert werden.

Länder wie Kanada und Norwegen speichern schon seit Jahren erfolgreich CO₂. Mit dem Nordseespeicherprojekt Northern Lights wird künftig schwer vermeidbares CO₂ aus der Metall- und Zementindustrie im Gestein unter der Nordsee gespeichert. In Dänemark ist mit dem Pilotprojekt Greensand ein Teil der neuen, sich im Aufbau befindlichen, Ländergrenzen übergreifenden CCS-Infrastruktur entstanden. Und auch Island gilt als Vorreiter für Carbon Capture Technologien. Sie alle sind gute Beispiele für eine erfolgreich funktionierende CO₂-Strategie und Teil einer künftigen europaweiten CO₂-Transport- und Speicherinfrastruktur.

Carbon Capture and Storage CO2-Netz

Die Industrie braucht Kohlenstoff

Das abgetrennte und aufbereitete CO₂ kann auch in den Wirtschaftskreislauf zurückgeführt werden. Bisher wird CO₂ in erster Linie als Abfallprodukt betrachtet. Dabei ist Kohlenstoffdioxid ein begehrter Rohstoff für industrielle Prozesse, zum Beispiel für die Herstellung von Harnstoff. Grundlegende Industrien wie die Metallerzeugung oder chemische Industrie sind auf Kohlenstoff angewiesen.

Darüber hinaus wird es auch in einem klimaneutralen Energiesystem Produktionsverfahren geben, in denen auch künftig CO₂ emittiert wird, sogenannte schwer vermeidbare CO₂-Emissionen. So werden zum Beispiel in der Zementproduktion bei der Herstellung von Branntkalk größere Mengen CO₂ freigesetzt. Durch die Möglichkeiten der Abscheidung kann künftig dieses CO₂ als wertvoller Rohstoff nutzbar gemacht werden. Die Betrachtung von CO₂ als Rohstoff und die Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft ist ein wichtiger Bestandteil des Carbon Managements.

Carbon Capture and Utilization

Post-Combustion Capture

Oxyfuel Combustion Capture

CO2 di­rekt der At­mo­sphä­re ent­zie­hen: Direct Air Capture

CO₂direkt der Atmosphäre entziehen: Direct Air Capture