CCU: Mit Blick auf die Nutzung als Rohstoffquelle

Um unerwünschtes Kohlendioxid aus Produktion oder Abfällen unschädlich zu machen, setzte man vor rund zehn Jahren nur auf eine Methode: die Speicherung. Inzwischen ist die Forschung auf der Suche nach Technologien zur Nutzanwendung von Treibhausgas – man könnte auch sagen: das CO2-Recycling – ein Stück vorangekommen.

Im deutschen Gesetz zur Demonstration der dauerhaften Speicherung von Kohlendioxid, kurz Kohlendioxid-Speicherungsgesetz oder KSpG, aus dem Jahr 2012 ging es hauptsächlich um die Deponierung von CO2 in unterirdischen Gesteinsschichten. Die Worte Carbon Capture and Storage (CCS) und auch Carbon Capture and Utilization (CCU) kamen darin nicht vor.

Allerdings regte sich damals europaweit bereits Interesse an der Speicherung von CO2 im Meeresboden. 2011 startete das ECO 2-Projekt und -Konsortium: Insgesamt mit 10,5 Millionen Euro finanziert, waren neun europäische Länder, 24 Forschungsinstitute und an die 100 Wissenschaftler daran beteiligt. Die Ergebnisse der Kohlendioxid-Speicherung fanden jedoch nicht die gewünschte politische Resonanz. Der Projektleiter von ECO 2, der deutsche Klaus Wallmann, war über die Reaktion aus Brüssel enttäuscht: „Das hat keinen interessiert, in Deutschland erst recht nicht“, resümierte der Geochemiker gegenüber dem online-Magazin Cicero.

Wenig konkrete Erfahrung
Zu diesem Zeitpunkt gab es freilich noch wenig konkrete Erfahrung im Umgang mit geologischer CO2-Speicherung im tieferen Untergrund. Lediglich am Standort Ketzin wurden im Rahmen verschiedener nationaler und internationaler Projekte wissenschaftliche Untersuchungen unter Koordination des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ gestartet. Insgesamt wurden bis 2012 fünf Bohrungen in poröse Sandsteinschichten auf 630 bis 650 Metern Tiefe abgeteuft, die Bohrlöcher mit 165 Metern mächtigen Ton­steinen überlagert und somit 67.271 Tonnen CO2 im Reservoir gespeichert.

Das Fachmagazin „Science“ berichtete 2016 von einem Pilotversuch in Island, der ergab, dass sich innerhalb von knapp zwei Jahren je nach Gesteinsschicht über 95 Prozent des in Wasser gelösten und eingeleiteten Kohlendioxids bei großem Druck und niedrigen Temperaturen mineralisieren und somit selbstständig abdichten können. Allerdings würden für die Herstellung des CO2-Wasser-Gemisches zusätzliche Mengen Energie und Wasser benötigt. „Während etwa 27 Tonnen Wasser zum Einlösen von einer Tonne CO2 bei 25 bar und 25 Grad Celsius benötigt werden, ist der Mehrbedarf an Energie für die Wasserinjektion nach aktuellem Forschungsstand nicht abschätzbar“, gab 2022 ein Evaluierungsbericht der Bundesregierung zum Thema zu bedenken.

Noch fehlen langfristige Studien
Heute hält der damalige Projektleiter in Ketzin, Prof. Dr. Frank Schilling, die unterirdische Verbringung nur für die zweitbeste Lösung. Er plädiert für die Speicherung im Meeresboden. Einerseits, weil dort entweichendes CO2 vom Meer problemlos aufgenommen werden kann. Andererseits sei die gesellschaftliche Akzeptanz dortiger Speicherung fernab von Siedlungen sicherlich höher.

Dr. Susanne Dröge, Leiterin der Abteilung Klimaschutz und Energie am Umweltbundesamt, zeigt sich aber dennoch skeptisch: „Zur Sicherheit der Lagerstätten, ob unter dem Meeresboden oder an Land, fehlen derzeit noch langfristige Studien“, wird sie von dem online-Diskussionsforum „die Debatte“ zitiert. Und das Kohlendioxid-Speicherungsgesetz warnt vor Interessenkonflikten: „Es gibt mögliche Nutzungskonflikte durch Exploration, Rohstoffgewinnung, Geothermienutzung, nutzbares Grundwasser, Speicherung oder Lagerung anderer gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe oder wissenschaftliche Bohrungen im Bereich der für die dauerhafte Speicherung geeigneten Gesteinsschichten.“

Keine dauerhafte Klimalösung
Mittlerweile soll sich der Hochlauf der CCS/CCU-Technologie dynamisch entwickeln. In Europa betreiben beziehungsweise planen Dänemark, Norwegen, die Niederlande, Island, Italien, Frankreich, Kroatien, Polen, Rumänien und das Vereinigte Königreich geologische Speicher, während die USA mit dem Inflation Reduction Act die Anwendung von CCS/CCU-Technologien fördern. Das teilte vor wenigen Tagen das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit. Doch was speziell CCS als langfristige Speicherung von CO2 anlangt: „CCS ist keine dauerhafte Klimalösung“, betont Susanne Dröge. Selbst wenn die Einleitung in Gesteinsschichten oder Meeresboden tatsächlich so sicher ist wie behauptet, bliebe ein Nachteil: CO2 wäre als Materie unwiederbringlich verloren. Ein stoffliches Recycling wäre später nicht mehr möglich.

CCU: Ein unverzichtbarerer Bestandteil
Nach Ansicht des Umweltbundesamtes ist nach heutigem Kenntnisstand eine vollständige Dekarbonisierung des Wirtschaftssystems ohnehin nicht möglich, da Kohlenstoff für ausgewählte Brenn- und Kraftstoffe sowie Rohstoffe der chemischen Industrie benötigt wird. Langfristig gesehen wird CCU daher „ein unverzichtbarerer Bestandteil eines zukünftigen Wirtschaftssystems“ sein, heißt es in einem UBA-Diskussionspapier aus dem Jahr 2021. Folglich muss der emittierte Kohlenstoff und damit vor allem das in der Industrie angewandte Kohlendioxid beispielsweise in Kombination mit Power to Gas/Liquid-Anlagen genutzt werden, um Brenn- und Kraftstoffe zu erzeugen, oder zur Herstellung von Grundstoffen für die chemische Industrie.

CCU bedeutet, emittierten Kohlenstoff – insbesondere Kohlendioxid beispielsweise aus Industrieanwendungen – zu nutzen, anstatt ihn nur in die Atmosphäre zu entlassen. Eine Möglichkeit ist, ihn in Kombination mit Power to Gas/Liquid-Anlagen zu nutzen, um Brenn- und Kraftstoffe zu erzeugen, eine andere, Grundstoffe für die chemische Industrie herzustellen. Bei diesen Prozessen muss vermieden werden, dass zusätzliche fossile Treibhausgas-Emissionen entstehen, die – selbst am Ende einer Mehrfachnutzung – wieder in die Atmosphäre entweichen und zum Klimawandel beitragen. Der WWF fordert daher selbst für den Import von Treibstoffen aus CCU-Verfahren, dass zu 100 Prozent Strom aus erneuerbaren Energien genutzt wird, fossile CO2-Quellen ausgeschlossen werden und eine „Lebenszyklus“-Analyse erfolgt, die eine Mindesteinsparung von 70 Prozent gegenüber dem existierenden Vergleichskraftstoff nachweist.

CCU – ein „Stromfresser“
In der Praxis ergeben sich daraus nach Ansicht des WWF drei Kohlenstoff-Kreisläufe. Der erste mögliche Kreislauf sieht vor, dass durch CCU unter Einsatz von Energie aus Solarstrom, Wasserkraft und/oder Verbrennungsgasen CO2 gewonnen wird, das als neuer Rohstoff vorzugsweise für die Herstellung langlebiger Produkte in der chemischen Industrie Verwendung finden könnte. Allerdings werde „durch Wirkungsgradverluste und den zusätzlichen Energieaufwand für das Auffangen des CO2 aus den Verbrennungsgasen“ jeder Durchlauf sehr viel Energie verbrauchen, denn laut WWF ist CCU ein „Stromfresser“. Und da es aber vorkommen kann, dass „die praktische Umsetzung vom Idealfall abweicht“, sollte jede CCU-Anwendung anhand einer umfassenden „Lebenszyklus“-Analyse geprüft werden.

Gesucht: Klimaneutralität
In einem anderen Kreislauf dient CCU dazu, den Kohlenstoff langfristig für ein klimaneutrales Stromsystem zu speichern. Dadurch könnte CCU zukünftig „zur Herstellung des Erdgasäquivalents Methan als Langzeitspeichertechnologie“ beitragen. Aber auch hierbei sollte das Verfahren hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Ressourcenverbrauch und Flächennutzung mit anderen Alternativen wie der Power-to-Gas-Technik und Wasserstoff-Elektrolyse verglichen werden. Der dritte – theoretische – Kreislauf beschreibt CCU-Verfahren zur Lieferung von „klimaneutralen“ oder „erneuerbaren Treibstoffen“. Doch da das durch Verbrennung entstehende CO2 nicht getrennt und erneut eingesetzt werden kann – außer durch Nutzung von CO2-einlagernder Biomasse oder direkter Speicherung – liegt hier konkret kein Kreislaufmodell vor.

Das Resümee des WWF: „Nur mit langlebigen Produkten, alternativen Materialien und optimalem Recycling wird man den Strombedarf (für CCU) auf ein realisierbares Maß begrenzen können.“ Außerdem könne das Verfahren nur wenig zum Einsparen von Treibhausgasen beitragen. Dennoch werde es in einer klimaneutralen Wirtschaft „eine wichtige Rolle“ spielen, insbesondere „in einer erweiterten Perspektive von Sicherung der Rohstoffbasis und Ressourceneffizienz.“

Untauglich zur Stromgewinnung
Dass Carbon Capture and Utilization hinsichtlich Stromgewinnung eher zu den untauglichen Verfahren zählt, haben Wissenschaftlerinnen am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) herausgefunden. Sie untersuchten die Direktabscheidung von Kohlenstoff aus der Luft – Direct Air Carbon Capture, kurz DACC.

Zwar könne jede DACC-Anlage theoretisch bis zu einer Million Tonnen CO2 pro Jahr abscheiden. Doch wendet Prof. Dr.-Ing. Daniela Thrän vom UFZ ein: „In Anbetracht der Größenordnung einer solchen Anlage und des damit verbundenen Energiebedarfs ist zweifelhaft, ob diese Technologie in Deutschland überhaupt umsetzbar wäre. Der Energiebedarf einer solchen Anlage entspräche dem jährlichen Energiebedarf von 720.000 deutschen Haushalten.“ Zur Gewinnung von CO2 direkt aus der Luft empfehle sich der Einsatz von Bioenergie mit CO2-Abscheidung und -Speicherung (Bioenergy with Carbon Capture and Storage, kurz BECCS); diese besitze das höchste spezifische Entnahmepotenzial.

Mit EU-Unterstützung
Wie auch immer: Die EU-Kommission war – Stand Februar 2024 – davon überzeugt, „dass das Erfassen von geschätzten 360-790 Millionen Tonnen CO2 einen wirtschaftlichen Gesamtwert von 45-100 Milliarden Euro ab 2030 erreichen und bis zu 170.000 ‚grüne‘ Arbeitsplätze schaffen wird“. Zu diesem Zweck seien auch diverse Programme und Fonds aufgelegt worden. Darunter der Innovation Fund, der für 26 große und kleinere CCS- und CCU-Projekte über 3,3 Milliarden Euro an Zuschüssen bereitgestellt hat. Das Programm Connecting Europe Facility (CEF), das sich die Entwicklung grenzüberschreitender Energie und den Transport von In­frastruktur-Projekten auf die Fahne geschrieben hat, stellte rund 690 Millionen Euro für CO2-Projekte von allgemeinem Interesse zur Verfügung. Und in der Zeit von 2007 bis 2023 hat die EU-Kommission über 540 Millionen Euro für innovative CCUS-Lösungen in sukzessive Rahmen-Programme für Forschung und Entwicklung wie FP7, Horizon 2020 und Horizon Europa investiert.

Deutsche Pilotprojekte
Auch in Deutschland beziehungsweise mit deutscher Beteiligung sind in den letzten Jahren Pilotprojekte zur Abscheidung und Nutzung von CO2 entstanden, die die Bundestagsdrucksache 20/5145 vom Dezember 2022 aufzählt. So soll durch ICO2Chem in Frankfurt Höchst „die weltweit größte Pionieranlage für die Power-to-Liquid Produktion von synthetischen Kraftstoffen und e-Chemicals“ bis zu 10.000 Tonnen CO2 verarbeiten. Rhyme will jährlich 15.000 Tonnen Methanol durch CO2-gestützte Synthese produzieren, ähnlich wie Haru Oni in Chile. Die Anlage von Carbon4Pur produzierte CO2-basierte Polyurethan-Vorläufer, die weiterverarbeitet und erfolgreich in Matratzen eingesetzt wurden. Das Lig2Liq-Projekt – organisiert von einen Konsortium aus unter anderem RWE und Thyssen – verarbeitete verschiedene Abfälle einschließlich Plastik und Organik zu zunächst Synthesegas und später Methanol oder Kraftstoffe.

Das Ziel von CooCE ist die CO2-Abscheidung aus Ab- und Biogasen zur Produktion wertvoller Biokraftstoffe oder -Säuren als Bausteinen für Biopolymere. Scoore untersuchte 2022 die direkte Wiederverwendung von CO2 in der chemischen Industrie. Und Verfahren zur Zerlegung und Umwandlung von Kohlenstoffverbindungen – hauptsächlich von CO und CO2 aus Hüttengasen der Stahlproduktion – in Grundchemikalien erforschte das BMBF-geförderte Carbon2Chem-Projekt.

Mit BMBF-Förderung
Deutsche Programme zur CCU-Projektfinanzierung unterstützt die BMBF-Förderrichtlinie CO2WIN. Wie ihre aktuelle Webseite ausweist, hat sie sich auf drei Bereiche der Nutzung von CO2 spezialisiert: chemische und biotechnologische Prozesse zur Produktion nachhaltiger Chemikalien und Kraftstoffe, die elektro- und photochemische Umwandlung von CO2 sowie die CO2-Mineralisierung zur Herstellung klimaschonender Baustoffe. „Diese technologische Vielfalt wird notwendig sein, damit die industrielle Kreislaufführung von Kohlenstoff in der Zukunft gelingen kann.“

Was die erste Kategorie anbelangt – Abtrennung und Umwandlung –, sind laut CO2WIN-Webseite zurzeit sieben Projekte aktiv: ProMet arbeitet an der Entwicklung einer einstufigen Direktsynthese von CO2 zu Methanol mittels Elektrolyse. Bio-UGS zielt auf die Umwandlung von Kohlenstoffdioxid und grünem Wasserstoff zu Methan in Untergrundgasspeichern. HTCoEI konzentriert sich auf Power-to-X, die Herstellung von Synthesegas und CO2-neutralen Kraftstoffen & Chemikalien. Transformate verwandelt CO2 zunächst zu Ameisensäure, dann zu Biokunststoffen. Games erprobt mikrobielle Elektrosynthesen aus CO2. In Cora wird ein neues Verfahren für die CO2- und H2O-Gewinnung aus der Luft gesucht. Und die PlasCO2-Forscher wandeln mittels Niedertemperatur-Plasma CO2 mit Wasserstoff zu Kohlenmonoxid und zu Synthesegas um.

Der Cluster Elektro- und Photokatalyse stellt vier Projekte vor: Prodigy will über Photokatalyse direkt chemische Wertstoffe erzeugen. PhasKat zielt auf die Gewinnung von Bausteinen mit zwei gekoppelten Kohlenstoffatomen wie Ethylen oder Ethanol ab. CO2SimO will mittels Solarenergie CO2 in Methan umwandeln sowie Wasserstoffperoxid realisieren. Und Depecor will das atmosphärische CO2 durch ein „künstliches Blatt“ zur Photoelektrokatalyse reduzieren. Die drei Projekte der Sparte CO2-Mineralisierung bestehen aus: C2inCO2 zur Einbindung von CO2 in Altbeton zur Baustoffverwendung, CO2-LiPriSek, das sich auf die Entwicklung von vermarktungsfähigem Lithium aus lithiumhaltigen Erzen und Industrieabfällen mittels direkter Carbonatisierung fokussiert, während NuKoS die Nutzung CO2-haltiger Rohgase in Schlacken aus der Stahl- und Metallproduktion zur Herstellung beispielsweise von Karbonaten zum Ziel hat.

CO2 dauerhaft speichern
An anderer Stelle der Webseite wird übrigens auch über die CO2-Mineralisierung zur Erzeugung von Zement-Ersatzstoffen berichtet, die am Kassel Institute for Sustainability entwickelt wird. Auch findet sich ein Bericht über die Verleihung des Deutschen Innovationspreises für Klima und Umwelt 2022 für ReConcrete-360° der HeidelbergCement AG – ein Verfahrenskonzept zur Kreislaufbewirtschaftung von Beton, Zuschlagstoffen, Zement und CO2, das auf ein jährliches CO2-Einsparpotenzial von zehn Millionen Tonnen geschätzt wird. Leider unerwähnt bleibt die Transformation von CO2 in kohlenstoffhaltiges Material, die einer Forschungsgruppe an der University of New South Wales in Sydney mit einem Flüssigmetallkatalysator, auf Gallium-Legierungen basierend, gelungen ist. Oder der Vorschlag von Cao Thang Dinh, Assistant Professor an der Queen‘s University in Toronto, Kohlenstoffdioxid mithilfe von erneuerbaren Energien in kohlenstoffneutrale Brennstoffe umzuwandeln. „Auf diese Weise können wir den intermittierenden Strom in Form von Gas speichern“, erklärte er auf einem Kongress 2023 in Berlin. Der Mitteldeutsche Rundfunk zitierte ihn mit den Worten: „Wir können das Kohlendioxid auch in ein nachhaltiges Polymermaterial umwandeln, sodass wir das CO2 dauerhaft speichern können, was einen kohlenstoffnegativen Prozess darstellt.“

Wichtige Potenziale für die Industrie
In jedem Fall zeigt sich das Bundesministerium für Bildung und Forschung auf der CO2WIN-Webseite offen für die wirtschaftliche Nutzung von Kohlenstoffdioxid. Und lässt deshalb auch Holger Lösch, den stellvertretenden Hauptgeschäftsführer des Bundesverbandes der deutschen Indus­trie, zu Worte kommen: „Für einen klimaneutralen und wettbewerbsfähigen Industriestandort Deutschland braucht es eine technologieoffene und transparente Debatte über den effektivsten Weg zu Emissionsminderungen.“ Und: „Die Abscheidung, Nutzung und Speicherung von Kohlenstoff verspricht insbesondere für die Industrie wichtige Potenziale zur Emissionsreduktion.“

Auch ist eine große wirtschaftliche Nutzung und Rentabilität zu erwarten, wie in „Zukunft Gas – der Stimme der Gas- und Wasserwirtschaft“ zu lesen war: CO2 gelte als wichtiger Rohstoff zur Herstellung von Basischemikalien und als Ausgangsstoff für vielfältige Zwischen- und Endprodukte, beispielsweise Lösungsmittel, Klebstoffe, Reiniger, Düngemittel oder auch für Hartschäume, Dämmstoffe oder synthetische Kraftstoffe.

Verwendung als Rohstoffquelle
Das Bundesumweltamt ist hinsichtlich industrieller Nutzung von CCU weniger euphorisch. Die BMU-Experten beurteilen die Wirkungsbreite von industriellem Carbon Capture and Utilization hinsichtlich Klimawirksamkeit wesentlich zurückhaltender. In einem „Diskussionsbeitrag“ zum Thema aus dem Jahr 2021 stellt das UBA fest, dass in der Energieversorgung hinsichtlich CO2-Vermeidung fossil betriebene energiewirtschaftliche Anlagen „keinen zweckdienlichen Ausgangspunkt für CCU-Maßnahmen darstellen“.

Der Stahlindustrie wird bescheinigt, dass das in der Hochofenroute und Alternativen freigesetzte CO2 für die Anwendung von CCU „nicht als geeignete Klimaschutzmaßnahme anzusehen“ ist. Und in der Zementindustrie sei eine vollständige Vermeidung von CO2-Emissionen nur durch einen kompletten Verzicht auf Zement und Beton durch Substitution mit anderen Baustoffen zu verwirklichen; bis dahin sei keine Klimaschutzwirkung gegeben. CCU sei deshalb in der Zementindustrie „nicht aus Klimaschutzgründen zu verfolgen, sondern vielmehr mit Blick auf die Nutzung als Rohstoffquelle“.

(Erschienen im EU-Recycling Magazin 04/2024, Seite 10, Foto: wasanajai / stock.adobe.com)