CO2-Nutzung

Die CO₂-Emissionen stationärer Quellen wie Kohlekraftwerke lassen sich massiv nur durch CO2-Abscheidung und –Speicherung (CCS) senken. CCS wird daher als die Hauptlösung großtechnischer CO₂-Emissionen angesehen.

Eine Teillösung zur Reduzierung der CO₂-Emissionen wird in den verschiedenen Möglichkeiten zur stofflichen Nutzung von CO₂ gesehen. Die CO₂-Nutzung wird auch als Carbon Capture and Utilization (CCU) bzw. als Carbon Capture and Reuse (CCR) bezeichnet. CO₂ kann sowohl physikalisch, chemisch als auch biologisch genutzt werden.

Aus klimaspezifischer Sicht ist die physikalische Nutzung von CO₂ z. B. als Kältemittel oder Schutzgas am wenigsten attraktiv, da sie in fast allen Fällen mit einer Freisetzung des CO₂ in relativ kurzen Zeiträumen verbunden ist. Auch bei der chemischen CO₂-Nutzung wird das CO₂ in manchen Fällen nur kurz gebunden. Dies gilt z. B. für das derzeit größte chemische CO₂-Nutzungsfeld, die Harnstoffproduktion zur Düngemittelerzeugung, bei der nach der Düngemittelausbringung das CO₂ wieder freigesetzt wird.

Die stoffliche Nutzung von CO₂ beträgt derzeit weltweit etwa 130 Mio. t pro Jahr. Davon werden etwa 110 Mio. t als Chemierohstoff und 20 Mio t als Industriegas eingesetzt. Dies entspricht weniger als 0,5 Prozent der weltweiten anthropogenen Emission von CO₂. Das derzeit eingesetzte CO₂ stammt zum größten Teil aus chemischen Syntheseprozessen. Weitere CO₂-Quellen sind Raffinerieprozesse sowie die Erdgasaufbereitung.

In Deutschland werden Schätzungsweise etwa 0,75 Mio. t CO₂ jährlich stofflich genutzt. Gemessen an den derzeitigen nationalen CO₂-Emissionen beträgt der Anteil weniger als 0,1 Prozent.

Das Potenzial der chemischen Verwertungsoptionen von CO₂ wird auf einen einstelligen prozentualen Anteil der anfallenden CO₂-Emissionen geschätzt.

Als chemische CO₂-Nutzungsoptionen werden u. a. der Einbau von CO₂ in Polymere, die Hydrierung von CO₂, die elektrokatalytische Aktivierung von CO₂ sowie die photokatalytische Aktivierung von CO₂ diskutiert. Für die technische Realisierung dieser CO₂-basierten Prozesse ist der Einsatz von Katalysatoren erforderlich.

CO₂ lässt sich aber auch für die Methanisierung von Wasserstoff einsetzen. Die Methanisierung von Wasserstoff bietet die Möglichkeit, überschüssigen Strom in Erdgas umzuwandeln, auch Power-to-Gas genannt. Der Strom wird mithilfe der Wasserelektrolyse zunächst in Wasserstoff umgewandelt. In einem sogenannten Sabatier-Prozess wird dann aus CO₂ und Wasserstoff (H₂) Methan (CH₄) erzeugt. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas.

Eine biologische CO₂-Nutzungsmöglichkeit ist, Kohlendioxid z. B. zum Wachstum von Algen einzusetzen. Mit Hilfe von Mikroalgen ist es möglich, über Photosynthese CO₂ zu binden und diese in Biomasse umzuwandeln. Die erzeugte Biomasse kann energetisch genutzt oder z. B. in Biodiesel umgewandelt werden.

Die CO₂-Nutzung zur Algenproduktion wurde im Rahmen von zwei nationalen Forschungsprojekten untersucht:

Im Rahmen des Forschungsprojekts TERM wurde auf einer Fläche von einem Hektar eine Versuchsanlage zur großtechnischen Produktion von Mikroalgen in Betrieb genommen. Die Anlage wurde von der E.ON Hanse AG sowie mit Fördermitteln des BMBF finanziert. Das CO₂ stammt aus einem Blockheizkraftwerk.
In einer zweiten von der RWE Power AG finanzierten Versuchsanlage wurde die Algenproduktion mit Rauchgasen untersucht. Die Anlage wurde in unmittelbarer Nähe des Braunkohlekraftwerks Niederaußem errichtet. Das benötigte CO₂ stammt aus dem Kraftwerk und wurde über eine 750 m lange Rauchgasleitung den Bioreaktoren zugeführt. Es konnte gezeigt werden, dass Mikroalgen mit Rauchgasen aus dem Kraftwerk ebenso gut wachsen wie mit reinem CO₂. Eine Abtrennung von CO₂ aus dem Rauchgas ist nicht notwendig.

Für die Bewertung der Klimarelevanz der stofflichen Nutzung von CO₂ sind folgende Aspekte von Bedeutung:

Die Dauer der CO₂-Fixierung in Produkten. Nutzungsmöglichkeiten mit kurzer Fixierung haben nur dann eine Bedeutung, wenn sie sich sehr schnell und sehr oft wiederholen.
Der Reinheitsgrad des CO₂-Stroms. Mit steigenden Anforderungen an den Reinheitsgrad wird die Abscheidung von CO₂ energetisch aufwendiger und teurer.
Die chemische Fixierung von CO₂ erfordert Energie. Dies kann ggfs. Mehremissionen an CO₂ verursachen. Eine Bewertung der stofflichen Nutzung von CO₂ erfordert daher produktbezogene vollständige Energie- und CO₂-Bilanzen.

Aus klimaspezifischer Sicht erscheint die CO₂-Nutzung für Polymeranwendungen besonders attraktiv zu sein, da der Fixierungszeitraum hier am höchsten ist. Zudem besteht ein großer Nachfragemarkt mit einer entsprechend großen CO₂-Fixierungsmenge.

In der folgenden Tabelle ist für die wichtigsten Möglichkeiten der CO₂-Nutzung der aktuelle Stand der Technik sowie der mögliche F&E-Bedarf aufgezeigt.

Tab. 1: Übersicht über verschiedene CO₂-Nutzungsoptionen
Option	Synthese von Polymeren	Synthese von Kraftstoffen	Synthese von Chemikalien	Produktion von Mikroalgen	Künstliche Photosynthese
Mengenpotenzial	Polycarbonate 50kt CO₂/a	max. 2,05 Gt CO₂/a	max. 178 Mt CO₂/a	Begrenzt duch Flächenbedarf	Unbekannt
Beispiele	Polycarbonate	z. B. Methanolprodukte	z. B. Harnstoffsynthese		Unbekannt
Energetischer Aufwand	Prozessabhängig	Hoch	Prozessabhängig	Solarer Energieeintrag u. Prozessenergie	Solarer Energieeintrag u. Prozessenergie
Gesamte CO₂-Bilanz	Abhängig vom Verfahren im Vergleich zum Referenzprozess	Nettoemission, falls kein H₂ aus regenerativen Quellen	Abhängig vom Verfahren im Vergleich zum Referenzprozess	Nettoemission	Unbekannt
Kosten	Referenz: Existierender technischer Prozess	Konventionelle Kraftstoffe	Referenz: Existierender technischer Prozess	0,4-2,50 €/t Algenbiomasse	Unbekannt
Stand der Technik	Technisch realisierte Beispiele	Teilschritte großtechnisch im Einsatz	Technisch realisierte Beispiele	Raceway, Ponds, Algen Photobioreaktoren	Grundlagenforschung
Wertschöpfung	Polymere	Kraftstoffe	Chemikalien	Wertstoffe, Kraftstoffe, Biogas	Chemikalien
Zeithorizont	Entwicklung	Teilschritte in Anwendung	Vereinzelte Anwendung	Vereinzelte Anwendung	Unbekannt
Forschungsbedarf	Reaktionsrouten entwickeln, intelligente Synthese hochenergetischer Reaktionspartner, Marktfähigkeit von Produkten, LCA	Katalyse, LCA	Dream Reactions, Katalyse, mögliche Reaktionsrouten, LCA	Taxometrisches Screening, Downstream-Verfahren, Bioraffinerie, LCA	Photokatalytische Aktivierung von CO₂, Wasserspaltung, LCA

Begriffssynonyme:

Synonym für CO₂-Nutzung: CO₂-Verwertung
Synonym für CCU: Carbon Capture and Utilization
Synonym für CCR: Carbon Capture and Reuse
Synonym für TERM: Technologien zur Erschließung der Ressource Mikroalgen

Begriffserläuterung:

Der Begriff anthropogen bezeichnet alles durch den Menschen Entstandene, Verursachte, Hergestellte oder Beeinflusste.