Overline: Neue Technologien nutzen Kohlenstoffdioxidemissionen
Headline: CO₂: Vom Abfall zum Rohstoff

Wirtschaft und Konsum in entwickelten Ländern basieren gegenwärtig auf der Nutzung fossiler Rohstoffe, deren Verbrennungsabgase den Klimawandel maßgeblich beeinflussen. Kohlenstoffdioxidemissionen zu vermeiden, bleibt daher die wichtigste Maßnahme, um die menschlichen Auswirkungen auf das Klima zu reduzieren. Den hohen CO2-Emissionen steht ein Bedarf an Kohlenstoff für viele täglich benötigte Güter gegenüber, wie etwa Kunst- oder Kraftstoffe. Kann es daher sinnvoll sein, das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO2) als eine Kohlenstoffquelle zu betrachten? Seit den 1970er-Jahren forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an sogenannten „Carbon Capture and Utilisation (CCU)“-Technologien. Deren Ziel ist es, CO2 aus den Rauchgasen industrieller Punktquellen oder direkt aus der Atmosphäre 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-Nutzung bieten nun die Chance, den Verbrauch von fossilen Kohlenstoffen sowie CO2-Emissionen zu reduzieren und einen natürlichen Kreislauf zu imitieren. Dabei muss das stabile und energiearme Molekül CO2 in ein höherwertiges Produkt eingebaut werden. Dies wird möglich durch neue chemische Prozesse, zum Beispiel in der Katalyseforschung. Die besondere Herausforderung ist dabei, energieeffiziente Prozesse zu finden.

In vielen Industrienationen wurden daher Forschungsprogramme ins Leben gerufen, die sich mit der Nutzung von CO2 befassen. Insbesondere in Bezug auf Prozessemissionen, die nicht durch den Einsatz erneuerbarer Energien vermeidbar sind, soll durch CCU ein Beitrag zur Defossilisierung der Industrie erbracht werden. Unter anderem fördern in Deutschland BMBF und BMWi eine Vielzahl von Verbundprojekten.

Die intensive Projektförderung trägt Früchte: Es existieren bereits etliche Pilot- und Demonstrationsanlagen - etwa 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 vorranging industrielle Punktquellen. Aber auch Technologien zur Direktabscheidung aus der Luft wurden in den vergangenen Jahren erheblich weiterentwickelt und werden ebenfalls bereits eingesetzt. Mögliche Endprodukte sind unter anderem Kunststoffe, Baumaterialien sowie flüssige oder gasförmige Kraftstoffe (siehe Grafik).

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. Aktuelle Schätzungen liegen zwischen fünfzig Megatonnen (IEA 2019) und fünf Gigatonnen CO2 (Hepburn et al. 2019), die pro Jahr genutzt werden können. Der große Unterschied dieser beiden Schätzungen ist unter anderem in der Mitbetrachtung verschiedener Technologien als „CCU“ begründet. Zu berücksichtigen ist hierbei, dass die Menge des genutzten CO2 nicht automatisch dem eingesparten CO2 entspricht. Darüber hinaus wird das verwendete CO2 in den Produkten nur über deren Lebensdauer hinweg gebunden. Dies variiert erheblich, zum Beispiel zwischen Krafstoffen mit einer erneuten schnellen Freisetzung und Baustoffen mit langfristigen bis permanenten Speicherungszeiten. Das CO2 erreicht folglich die Atmosphäre verzögert oder könnte nach Verbrennungsprozessen abermals aus Abgasen für eine weitere Nutzung rückgewonnen werden. Der ökologische Vorteil der CO2-Nutzung besteht weniger in der Funktion als CO2-Senke als vielmehr in der Substitution fossiler Rohstoffe. Durch die Entwicklung effizienter CCU-Technologien kann möglicherweise für einzelne Anwendungen auch die erforderliche Prozessenergie optimiert werden.

Die genaue Ökobilanz eines neuen Produktionsverfahrens kann mithilfe der Lebenszyklusanalyse (Life Cycle Assessment, LCA) ermittelt werden. Veröffentlichungen beschreiben, dass bei einigen CO2-basierten Produkten pro genutzter Tonne CO2 im Vergleich zum herkömmlichen Produkt mehrere Tonnen CO2 eingespart werden können. Ein Grund hierfür ist die Substitution von fossilen Rohstoffen mit einem hohen CO2-„Fußabdruck“.

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 ebenso wie neue Förderprogrammen für ein nachhaltigeres Wirtschaften, wie zum Beispiel den green Deal, hat 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 Risiken frühzeitig zu begegnen und die nachhaltigen Potenziale möglichst auszuschöpfen. Das Ziel der Politikgestaltung muss eine den SDGs entsprechende Förderung von CCU-Technologien sein.

Das interdisziplinäre Forschungsteam am IASS arbeitet daher aus natur-, ingenieurs-, wirtschafts- und kommunikationswissenschaftlicher Sicht an den folgenden Fragen:

  • Wie können ökonomische Potenziale realisiert werden?
  • Was sind mögliche unbeabsichtigte Nebenwirkungen der Implementierung 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 sollten die weitere Entwicklung der CCU-Technologien begleiten?

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

                                                                                                                                      Update 08/2021