CO₂: Vom Abfall zum Rohstoff

Neue Technologien nutzen klimaschädliche Kohlenstoffdioxidemissionen

Die Wirtschaftsweise und das Konsumverhalten in entwickelten Ländern  basieren gegenwärtig vor allem auf der Nutzung fossiler Rohstoffe, deren Abgase maßgeblich für den vom Menschen verursachten Klimawandel verantwortlich sind. Die Vermeidung von Kohlenstoffdioxid-Emissionen ist und bleibt die wichtigste Maßnahme, um die menschlichen Auswirkungen auf das Klima zu reduzieren. Zusätzlich kann es jedoch sinnvoll sein, das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO2) als eine Kohlenstoffquelle zu betrachten. Seit einigen Jahren erforschen Wissenschaftler die sogenannten „Carbon Capture and Utilisation (CCU)“-Technologien. Deren Ziel ist es, das in Abgasen enthaltene CO2 für die Industrie als Rohstoff wieder nutzbar zu machen. Das CO2 könnte fossilen Kohlenstoff als Bestandteil von Materialien und Energieträgern ersetzen. Ein Kohlenstoffkreislauf entsteht.  

Die Natur kennt keine Abfälle. Auch CO2 ist nicht zwingend Abfall: Die Photosynthese verwandelt es im natürlichen Kreislauf immer wieder. Erst der Mensch hat seit der industriellen Revolution den Kohlenstoffkreislauf aus dem Gleichgewicht gebracht. Technologien zur CO2-Wiederverwertung bieten nun die Chance, den natürlichen Kreislauf zu imitieren. Dabei muss das stabile und energiearme Molekül CO2 wieder in ein höherwertiges Produkt eingebaut werden. Dies wird möglich durch die Entwicklung neuer chemischer Prozesse, zum Beispiel in der Katalyseforschung. Die Herausforderung ist hierbei, energieeffiziente Prozesse zu finden.

Kohlenstoffdioxid (CO2) aus Rauchgasen oder als Nebenprodukt chemischer Prozesse kann ganz direkt oder nach einer chemischen Umwandlung als Teil einer Kohlenstoffverbindung in Materialen und Energieträgern nützlich verwendet werden. Solche Technologien fasst die Bezeichnung Carbon Capture and Utilisation (CCU) zusammen.Kohlenstoffdioxid (CO2) aus Rauchgasen oder als Nebenprodukt chemischer Prozesse kann ganz direkt oder nach einer chemischen Umwandlung als Teil einer Kohlenstoffverbindung in Materialen und Energieträgern nützlich verwendet werden. Solche Technologien fasst die Bezeichnung Carbon Capture and Utilisation (CCU) zusammen.

In mehreren  Ländern wurden daher Forschungsprogramme ins Leben gerufen, die sich mit der Nutzung von CO2 befassen. Unter anderem fördert in Deutschland das BMBF derzeit 33 Verbundprojekte mit einem Gesamtbudget von über 100 Millionen Euro. Erste Erfolge sind erkennbar: Weltweit existieren bereits etliche Pilot- und Demonstrationsanlagen, zum Beispiel für die Produktion von Polyolen als Grundstoff für Schaumstoffe in Dormagen oder für synthetische Kraftstoffe in Werlte und Dresden. Die ersten CO2-basierten Produkte und Kraftstoffe erreichen die Märkte. Mögliche Quellen für die CO2-Nutzung sind dabei große und kleine Industrieanlagen oder Kraftwerke. Mögliche Endprodukte sind Kunststoffe sowie flüssige oder gasförmige Kraftstoffe (siehe Grafik oder Fact Sheet).

Ökologische und ökonomische Auswirkungen der CO2-Nutzung

Im Gegensatz zu "Carbon Capture and Storage (CCS)"-Technologien,  die darauf abzielen, langfristig große Mengen von CO2 unterirdisch zu speichern, kann mit CCU-Technologien nur eine überschaubare Menge von CO2 industriell genutzt werden. Gemäß Schätzungen könnten in Materialien rund 180 Millionen Tonnen CO2 jährlich verwendet werden und rund die zehnfache Menge in Kraftstoffen. Dies würde rund fünf Prozent der menschenverursachten Treibhausgase entsprechen. Darüber hinaus wird das verwendete CO2 in den Produkten nur über deren Lebensdauer hinweg gebunden. Es erreicht folglich die Atmosphäre verzögert oder könnte nach Verbrennungsprozessen abermals aus Abgasen gewonnen werden. Der ökologische Vorteil der CO2-Nutzung besteht also weniger in der Funktion als CO2-Senke als vielmehr in der Substitution fossiler Rohstoffe. Durch die Entwicklung effizienter CCU-Technologien zum Beispiel in der chemischen Katalyse kann auch die erforderliche Prozessenergie optimiert werden.

Die genaue Ökobilanz eines neuen Produktionsverfahrens kann mithilfe der Lebenszyklusanalyse (Life Cycle Assessment, LCA) ermittelt werden. Erste Veröffentlichungen deuten darauf hin, dass bei einigen CO2-basierten Produkten pro genutzter Tonne CO2 im Vergleich zum herkömmlichen Produkt mehrere Tonnen CO2 eingespart werden können. Grund hierfür ist die Substitution von fossilen Rohstoffen mit einem hohen CO2-„Fußabdruck“. Allerdings sind mögliche schädliche Umweltauswirkungen der CO2-Abscheidung derzeit noch ungeklärt. So ist unter anderem zu untersuchen, inwieweit aminbasierte Abscheidungsverfahren beispielsweise zu erhöhter Ozonbelastung in der Atmosphäre oder zur Bildung von krebserregenden Substanzen führen können.

Sogar in Zeiten sinkender Rohstoff- und Energiepreise kann die Nutzung von CO2 darüber hinaus ökonomisch vorteilhaft sein. Inwiefern dies zutrifft, ist von der individuellen Effizienz der neu entwickelten Technologie abhängig. Auch positive volkswirtschaftliche Effekte sind möglich, aber noch zu bewerten. Durch das Vorantreiben der Energiewende und stärkere Anreize zur Senkung von CO2-Emissionen durch die Politik kann die Forschung an CCU-Technologien aber weiteren Aufwind bekommen.

Interdisziplinäre Forschung zur CO2-Nutzung am IASS

Bereits in dem heutigen zumeist frühen Technologie-Reifegrad gilt es, gezielt die gesamtgesellschaftlichen Potenziale und Risiken der Technologien zur CO2-Nutzung zu analysieren und zu bewerten. So wird es möglich, in der weiteren Entwicklung wichtigen Risiken frühzeitig zu begegnen und die nachhaltigen Potenziale möglichst auszuschöpfen. Das interdisziplinäre Forschungsteam am IASS arbeitet daher aus natur-, ingenieurs-, wirtschafts- und kommunikationswissenschaftlicher Sicht an den folgenden Fragen:

  • Was sind die generellen gesellschaftlichen Potenziale und Risiken der CO2-Nutzung?
  • Wo liegen die ökonomischen Potenziale und welche Rolle spielt der CO2-Preis?
  • Was sind mögliche Umweltrisiken und unbeabsichtigte Nebenwirkungen von CCU-Technologien?
  • Welche Rolle können aufkommende CCU-Technologien im Kontext der Transformation der Energiesysteme und insbesondere der Energiewende spielen?
  • Wie werden CCU-Technologien aktuell in den Medien und der Öffentlichkeit wahrgenommen und wie könnten sie in Zukunft kommuniziert werden?
  • Welche politischen Instrumente sollte die weitere Entwicklung der CCU-Technologien begleiten?

Die Forschungsarbeit erfolgt transdisziplinär und im regelmäßigen Dialog mit Partnern aus  Industrie, Politik und Zivilgesellschaft. Institutsintern findet ein enger Austausch mit der Plattform Energiewende (TPEC) und der Forschungsgruppe Climate Engineering statt.

Photo: (c) Markus Landsmann

 

Team

Dr. Barbara Olfe-Kräutlein

Funktion: 

Projekt-Wissenschaftlerin

Henriette Naims

Funktion: 

Projekt-Wissenschaftlerin

Dr. Thomas Bruhn

Funktion: 

Projektwissenschaftler

Technologien für Nachhaltigkeit und Klimaschutz

Video

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert Technologien, die die Energieeffizienz steigern und CO2-Emissionen senken sollen. Dafür hat es einen Förderschwerpunkt zu chemischen Prozessen und der stofflichen Nutzung von CO2 ins Leben gerufen. Bei einer Pressekonferenz am 9. April 2013 sprachen Bundesbildungsministerin Johanna Wanka und IASS-Exekutivdirektor Klaus Töpfer über die Perspektiven von Carbon Capture and Utilisation.

Bisherige und künftige Veranstaltungen des IASS zu Carbon Capture and Utilisation

9. November 2015

Round Table CO2-Recycling am IASS (auf Einladung)

5. Juni 2014

Round Table “Lässt sich CO2 recyceln?”

19.-20. November 2013

IASS Brainstorming Workshop "Sustainable Fuels from Renewable Energies"

3. Dezember 2012

Workshop „Innovation in large-volume CO2-Recycling - Policy, Environment and Business Opportunities”

19.-20. November 2012

IASS Workshop “Carbon Capture – Bridge into a Low-Carbon Economy?”

24.-25. November 2011

IASS brainstorming workshop “Sustainable methanol: An alternative green fuel for the future”

CO-Recycling - Option für Politik und Gesellschaft?

Veröffentlichung

Zwölf Thesen zur gesellschaftlichen und politischen Bedeutung von CCU-Technologien

CO als Wertstoff?

Veröffentlichung

Das IASS Fact Sheet liefert einen Überblick über das Thema "Carbon Capture and Utilisation".

 

Power to Liquid and Power to Gas

Veröffentlichung

Artikel in der Zeitschrift "Renewable and Sustainable Energy Reviews" von Alberto Varone und Michele Ferrari.

CO-Nutzung auf einen Klick

Infoportal

Informationen rund um den Rohstoff CO auf einen Blick liefert die Website http://co2inside.de/.

 

Kurzgefasst:
2. Round Table CO-Recycling am IASS

Bericht

IASS/René ArnoldIASS/René Arnold

Hier finden Sie einen kurzen Veranstaltungsbericht mit Fotogalerie und Videos.

 

Nachhaltige synthetische Kraftstoffe

Veröffentlichung

Die Nutzung von fossilen Kohlenwasserstoffen ist eine Hauptquelle von Treibhausgas-Emissionen. Synthetische Treibstoffe sind alternative Energieträger, die gut in existierende Systeme integriert werden könnten. Eine Einführung ins Thema bietet dieses IASS Fact Sheet.

Ressource CO: Vom Klimakiller zum Rohstoff

Medienberichte

Spiegel online berichtete über "Carbon Capture and Utilisation"-Projekte und unsere Forschung zum Thema.

DIE ZEIT analysierte das Potenzial des „umtriebigen Elementes“ Kohlenstoff.

CO2 ist „nicht ausschließlich ein Bösewicht“, stellte Ökotest fest.

Neue Technologien für das „gefürchtete Gas“ stellte die Wirtschaftswoche vor.

Lässt sich CO recyceln?

Bildergalerie

Vertreter aus Wissenschaft, Wirtschaft, Politik und Gesellschaft diskutierten beim 1. Round Table am IASS über das Konzept des CO-Recyclings. Illustrationen zum Thema und Fotos von der Veranstaltung sind in dieser Bildergalerie zu finden.

Umweltfolgen von Technologien zur Kohlenstoffbindung

Veröffentlichung

Dieses IASS Working Paper gibt einen Überblick über den Entwicklungsstand von CCU, mögliche Nebenwirkungen und gegenwärtige Herausforderungen für Wissenschaft und Politik.

Nachhaltige Treibstoffe

Veröffentlichung

Bericht über den Workshop "Sustainable Fuels from Renewable Energies", der am 19. und 20. November 2013 am IASS stattfand.

CO2ntext

Projekt

Aufbauend auf dem Projekt „Dream Production“  werden im Kooperationsprojekt „CO2ntext“ (Laufzeit 2012 bis 2015) gemeinsam mit den Partnern Bayer Material Science und der RWTH Aachen wichtige Grundlagen zu Nachhaltigkeitsaspekten der CO2-Nutzung erarbeitet, ein Technologiekatalog und eine Informationsplattform entwickelt und verschiedene Stakeholder-Dialoge durchgeführt.