Headline: CO2-Wirtschaft: Wie Kohlendioxid von einer Belastung zum Wertstoff wird

Die Abscheidung und Nutzung oder das Recycling von Kohlendioxid (CCU oder CCR) und verwandte Techniken könnten in einer künftigen nachhaltigen und diversifizierten Energieversorgung mit niedrigerem Ausstoß von Treibhausgasen (THG) eine wichtige Rolle spielen. CCU bedeutet, dass CO2 von großen Verschmutzern wie Kohlekraftwerken abgetrennt und verwendet wird, um sinnvolle Produkte herzustellen; damit stellt CCU eine Alternative zur CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) dar. Ein Ansatz sieht beispielsweise vor, dass CCU kombiniert mit erneuerbaren Energien dazu dient, nachhaltige synthetische Treibstoffe zu erzeugen.

In einem Zukunftsszenario, in dem CCU zur industriellen Reife kommt und eine bedeutende Marktdurchdringung erreicht, könnte der sichere Zugang zu den erforderlichen Großmengen an CO2 durchaus zum Haupthindernis für die weitere Entwicklung werden.

Heute wird CO2 als Rohmaterial nur für Nischenprodukte und/oder lokal begrenzte, heterogene Anwendungen genutzt (siehe Abb. 2). Die Folge ist, dass es keine zentralisierten Märkte für den CO2-Handel gibt.

Der Kohlenstoffmarkt bezieht sich in der Regel auf verschiedene Instrumente, mit denen Regierungen Emissionen regulieren.

  • Ein Emissionshandelssystem (ETS)- auch Cap-and-Trade-System - begrenzt das Gesamtniveau der Treibhausgasemissionen und ermöglicht Branchen mit niedrigen Emissionen, ihre entbehrlichen Berechtigungen an größere Emittenten zu verkaufen. Durch die Schaffung von Angebot und Nachfrage für Emissionsberechtigungen etabliert der Emissionshandel (ETS) einen Marktpreis für Treibhausgasemissionen. Die Obergrenze trägt dazu bei, die nötigen Emissionseinsparungen zu erzielen, wobei die Emittenten (insgesamt) innerhalb ihres vorab zugewiesenen CO2-Budgets bleiben.
  • Eine CO2-Steuer legt den Preis für Kohlenstoff über einen Steuersatz auf THG-Emissionen fest oder – was häufiger zutrifft – auf den Kohlenstoffgehalt von fossilen Brennstoffen. Vom Emissionshandel unterscheidet sie sich darin, dass die Emissionseinsparungen, die aus der CO2-Steuer resultieren, anders als beim CO2-Preis nicht von vornherein festgelegt sind.

In diesem Kontext ist CO2 kein industrieller Rohstoff, sondern eine Ware, deren „Preis“ nicht direkt mit ihrem Wert zusammenhängt, sondern eher von Schwankungen auf den Finanzmärkten und politischen Entscheidungen beeinflusst wird. Eine starke Entwicklung von CCU-bezogenen Technologien und ein daraus folgender Nachfrageschub für CO2 als Rohstoff würde dazu beitragen, aus CO2 – das bisher im Emissionshandel (ETS) als Belastung gilt – ein Wirtschaftsgut für die Industrie mit einem zugehörigen Markt zu machen.

Abb. 1: Vorhandene, entstehende und potenzielle Preisgestaltungsinstrumente für Kohlenstoff (ETS und Steuern) auf regionaler, nationaler und subnationaler Ebene [State and Trends of Carbon Pricing, 88284, The World Bank, 2014]

Der heutige "nicht-abtrennende"[1] globale CO2-Verbrauch wird auf rund 80 Mt pro Jahr geschätzt;[2] dabei werden 25 Mt pro Jahr in fester und flüssiger Form verwendet, der Rest als Gas oder in superkritischem Zustand.[3] Zurzeit werden in Nordamerika 50 Mt pro Jahr für tertiäre Ölgewinnung (Enhanced Oil Recovery, EOR) genutzt.

Industriell wird CO2 derzeit (in ganz unterschiedlichen Mengen) in folgenden Bereichen genutzt:

  • Tertiäre Ölgewinnung
  • Verarbeitung, Konservierung und Verpackung von Lebensmitteln
  • Getränke-Karbonisierung
  • Stahlherstellung
  • Zellstoff- und Papierherstellung
  • Produktion von Harnstoffdüngemitteln
  • Arzneimittel
  • Andere
Abb. 2: Globale Nutzung von CO2 nach Sektoren (2014)

Neben der Produktion von nachhaltigen Kraftstoffen benötigen auch andere neu entstehende Technologien Großmengen an CO2 als Rohstoff:

  • Enhanced Geothermal System (EGS)
  • Stromerzeugung mit CO2 als Arbeitsmedium
  • Kunststoffverarbeitung
  • Algen-Biofixierung und Biokraftstoff-Produktion
  • Bauxit-Reststoffverarbeitung
  • Carbonatmineralisierung (Gesamtproduktion)
  • CO2-Betonhärtung
  • Ameisensäureproduktion

Schätzungen zufolge, die den derzeitigen Entwicklungsstatus der oben genannten Technologien berücksichtigen, wird die Nachfrage nach CO2 im Jahr 2020 140 Mt pro Jahr betragen. Allerdings entspricht die gegenwärtige und erwartete künftige Nachfrage nach CO2 nur einem geringen Bruchteil des potenziellen Gesamtangebots aus großen Punktquellen, das auf 500 Mt pro Jahr für hochkonzentrierte Quellen und 18 Gt pro Jahr an verdünntem CO2 aus Kraft-, Stahl- und Zementwerken geschätzt wird.

Derzeit wird sehr viel mehr CO2 freigesetzt als rückgewonnen werden kann. Die Entscheidung, ob das Nebenprodukt CO2 abgetrennt wird oder nicht, hängt oft von der Entfernung zwischen Erzeuger und Verbraucher und den entsprechenden Transportkosten ab. Zum Beispiel ist es mittlerweile rentabel, CO2 aus Erdgasquellen in Texas zu gewinnen, weil es vermehrt in der sekundären Ölgewinnung genutzt wird. Die Produktionsmengen für die tertiäre Ölgewinnung werden in der Regel nicht berichtet, weil bei dieser Verwendung das CO2 abgeschieden wird.

CO2-Preis und Kosten der CO2-Abscheidung

Das potenzielle Angebot an anthropogenem CO2 ist weit größer als die potenzielle Nachfrage. Schätzungen zufolge stehen jährlich weltweit rund 500 Mt preisgünstiges (< 20 Dollar/t), hochkonzentriertes CO2 zur Verfügung, das als Nebenprodukt bei der Erdgasaufbereitung und der Düngemittelherstellung anfällt oder aus anderen industriellen Quellen stammt. Zu sehr viel höheren Kosten (50-100 Dollar/t) könnten jährlich rund 18.000 Mt an verdünnten CO2-Strömen aus Kraft-, Stahl- und Zementwerken abgeschieden werden.

Zurzeit ist der Preis für Großmengen CO2 meist Gegenstand von privaten Verhandlungen zwischen Anbieter und Abnehmer und unterliegt nicht der öffentlichen Prüfung.

Für den nordamerikanischen Markt sind jedoch einige Preise verfügbar:

  • Ammoniakhersteller in den Vereinigten Staaten sind eine Preisspanne von etwa 3-15 Dollar/t für Großmengen an gasförmigem/superkritischem CO2 gewohnt, der konkrete Preis ist vom Standort abhängig.
  • Der Preis von CO2 per Pipeline liegt historisch im Bereich von 9-26 Dollar/t, einschließlich der Kosten für die Pipeline-Infrastruktur (Investitions- und Betriebskosten).

Sobald ein entwickelter Markt für CO2 als Rohstoff existiert, könnten Finanzinstrumente wie ETS und CO2-Steuern den Preis auf dem Rohstoffmarkt stützen. Der Preis für abgeschiedenes und gereinigtes CO2 ließe sich dann auf der Basis bestimmter Erwägungen schätzen.

Die Berechnung berücksichtigt die CO2-Menge, die ein Kraftwerk pro erzeugter Stromeinheit emittiert, sowie die Energiemenge, die benötigt wird, um eine metrische Tonne CO2 abzuscheiden (als Prozentsatz der insgesamt erzeugten Energie). Das Verhältnis beider Werte, multipliziert mit dem durchschnittlichen Strompreis, ergibt die Kosten in Euro für die Abscheidung einer metrischen Tonne Kohlendioxid.

Für den Fall eines Kohlestaub-Kraftwerks, das 909 g CO2/kWh ausstößt, und unter der Annahme, dass 25-30 Prozent der erzeugten Energie für die Abscheidungsprozesse benötigt werden, würden bei einem Strompreis von 0,06 Euro/kWh die Kosten für abgeschiedenes CO2 19,80 Euro/t betragen.

Für Strompreise im Bereich 0,04 bis 0,08 Euro/kWh liegen die Kosten zwischen 13 und 26 Euro/t. Das könnte in etwa die Untergrenze des Preises für verfügbares CO2 aus einem fossilen Kraftwerk darstellen, gekoppelt mit derzeit vorhandenen Technologien zur Kohlendioxidabtrennung.

Zurzeit besteht in Deutschland und Europa keine Nachfrage nach CO2 als Rohstoff für industrielle Anwendungen, wenigstens nicht in den Mengen, die in einem nachgerüsteten fossilen Kraftwerk anfallen würden; der Markt ist begrenzt und regional. Überdies wäre die Abscheidung angesichts der gegenwärtigen Preise im Emissionshandel (8 Euro/t) nicht wirtschaftlich.[4]

CO2-Distribution

Eines der Haupthindernisse für die Entwicklung einer CO2-intensiven Wirtschaft ist nach wie vor eng mit dem Vertrieb verknüpft. Das Vertriebsnetz ist eine wesentliche Komponente in einem CCU-Szenario; deshalb ist die kosteneffiziente Entwicklung eines integrierten CCU-Projekts vom optimalen Design aller Komponenten, darunter Abscheidung, Transport und Verarbeitungsprozesse, abhängig.

In der Fachliteratur besteht weitgehende Einigkeit, dass für einen Großteil des in den kommenden Jahrzehnten voraussichtlich benötigten CO2 der Transport über Pipelines erfolgen wird.

Außerhalb der Vereinigten Staaten, Kanadas und Norwegens sind die Erfahrungen mit dem Einsatz von CO2-Pipelines relativ begrenzt. Die Vereinigten Staaten besitzen mehr als 6000 Kilometer Pipelines eigens für CO2, die pro Jahr über 45 Mt CO2 aus natürlichen und anthropogenen Quellen transportieren. Sie wurden zu nahezu 75 Prozent in den 1980er und 1990er Jahren errichtet. Im Vergleich dazu umfasst das seit den 1950er Jahren gebaute Erdgasnetz 2 Millionen Kilometer Pipelines.

Der Aufbau einer CO2-Pipeline-Infrastruktur steht vor vier großen Herausforderungen:

  • Konstruktion
  • Politische und aufsichtsrechtliche Fragen
  • Die Definition geeigneter Standards
  • Gesamtkosten und –kapazität von Pipeline-Investitionen und Finanzierungsoptionen

Neuerliche Anstrengungen der internationalen Gemeinschaft zur Erleichterung von Entscheidungen, die den grenzüberschreitenden Transport von CO2 ermöglichen, wären ebenfalls sehr günstig für die Entwicklung von CCU-Technologien und CO2-Pipeline-Projekte in Industrie- und Entwicklungsländern.

Schlussfolgerung

Angesichts der Größenordnung und der Dringlichkeit des Klimaschutzproblems und des voraussichtlich rapiden Wachstums der industriellen Nutzung von recyceltem CO2 ist ein breites Spektrum von Ansätzen erforderlich, die den Kohlenstoffpreis regeln. Entsprechende Finanzinstrumente, wie CO2-Steuern, Emissionshandel und Emissionsgutschriften, sind maßgeblich, um die externen Kosten des Klimawandels weitestgehend zu internalisieren.

[1]     Abtrennende Nutzung bezieht sich auf Prozesse, bei denen CO2 nur als Zwischenprodukt in der Chemieproduktion anfällt und es letztlich in einem späteren Prozessschritt verbraucht wird (z.B. bei der Harnstoffproduktion).

[2]     Hier steht t für Tonne oder metrische Tonne. Mt oder Megatonne steht für Millionen metrische Tonnen.

[3]     CO2 kann in verschiedenen Formen gespeichert und transportiert werden. In superkritischem Zustand ist CO2 chemisch stabiler und sicherer.

[4]     Preis Dezember 2015.

Header-Foto: istock/Jezperklauzen

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