CO2 gelangt bei der Verbrennung fossiler Rohstoffe in die Atmosphäre und kann über technische (Direct Air Capture) oder biogene (Photosynthese) Wege wieder gebunden werden (Bild: eigene Darstellung)
Die Nutzung von grünem CO₂ – ob für Kunststoffe, Spezialmaterialien oder innovative Chemikalien – steckt noch in den Anfängen: Hoher Energiebedarf, fehlende Infrastruktur und mangelnde Wirtschaftlichkeit bremsen den Durchbruch, obwohl es für manche Bereiche kaum klimaneutrale Alternativen geben dürfte. Damit grünes CO₂ – biogen oder durch Direct Air Capture gewonnen – zur tragfähigen Kohlenstoffquelle wird, braucht es klare politische Rahmenbedingungen, gezielte Forschung und eine schrittweise Einführung.
Klimaneutrales Wirtschaften braucht andere Kohlenstoffquellen
Kohlenstoff stellt heute eine zentrale Grundlage für die Wertschöpfung in vielen Wirtschaftszweigen dar. Der Übergang zur Klimaneutralität wird sich daher auf alle diese Sektoren in unterschiedlicher Intensität auswirken [1]. Während in der Energieversorgung eine nahezu vollständige Abkehr vom Kohlenstoff möglich ist, werden einige Bereiche auch langfristig darauf angewiesen sein. So basiert die gesamte organische Chemie auf Kohlenstoff, aus der unverzichtbare Alltagsprodukte wie Kunststoffe, Lösungsmittel und Medikamente hervorgehen. Weitere Anwendungen reichen von Massengütern wie Düngemitteln bis hin zu Spezialprodukten wie Carbonfasern, Graphitelektroden, Abgasreinigungsmitteln, Schutzgasen, Trockeneis, Kohlensäure oder Filtermaterialien [2].
Auch wenn an Prozessalternativen geforscht wird, werden viele dieser Anwendungen auch in einer klimaneutralen Wirtschaft weiterhin Kohlenstoff benötigen. Die bisherigen fossilen Quellen wie Erdöl, Erdgas oder Kohle sollten dann jedoch nur sehr begrenzt genutzt werden, um klimawirksame CO₂-Emissionen zu vermeiden. Kompensationsmöglichkeiten bestehen zwar prinzipiell durch negative Emissionen, Verhinderung der Emissionen via Carbon Capture and Storage (CCS) oder auch eine geschlossene Kreislaufführung – diese werden aber aufwändig, mit hohen Systemkosten verbunden und nicht beliebig verfügbar sein [3]. Daher wird in naher Zukunft die Nutzung nicht-fossiler Kohlenstoffquellen sowie die Kreislaufführung der bereits im System befindlichen Kohlenstoffe wichtiger.
Bereits heute ist CO₂ kein reines Abfallprodukt, sondern wird gezielt für unterschiedliche Prozesse als Rohstoff aufgefangen und erneut eingesetzt. Ein Beispiel hierfür ist die Lebensmittelindustrie, die seit Jahrzehnten CO₂ aus Punktquellen wie der Ammoniaksynthese für die Herstellung von Kohlensäure, Schutzgasen und Trockeneis nutzt. Dabei ist jedoch wichtig zu betonen, dass es sich um vergleichsweise sehr kleine Mengen und zudem überwiegend um graues CO₂ handelt (siehe Textkasten „CO₂-Farbenlehre“). Das mögliche Anwendungsspektrum von CO₂ umfasst jedoch auch forschungsintensive, innovative Lösungen mit größerem Einsatzpotenzial.
| CO₂-Farbenlehre Ebenso wie vom Wasserstoff bekannt, kann auch CO₂ nach „Farben“ unterschieden werden. Diese geben einen Hinweis auf die Art der Bereitstellung, während das Molekül sich technisch nicht unterscheidet. Aus der Verknüpfung der Herkunft mit den beschriebenen Nutzungspfaden lässt sich der Effekt der mehr oder weniger dauerhaften Emissionsminderung ableiten. |
| Graues CO₂ basiert auf fossilen Kohlenstoffen. In der Industrie fällt graues CO₂ an Punktquellen, wie z. B. in der Zementindustrie, an und kann dort aufgefangen bzw. abgeschieden werden. Es sollte perspektivisch nur für die Herstellung von Produkten genutzt werden, in denen das CO₂ dauerhaft gespeichert wird, anstatt nach kurzer Zeit in die Atmosphäre zu gelangen und so zur Klimaerwärmung beizutragen. Das Verfahren, in dem zunächst CO₂ an einer Punktquelle abgeschieden und anschließend in andere Produkte umgewandelt oder geologisch eingelagert wird, nennt sich Carbon Capture, Utilization and Storage (CCUS). |
| Grünes CO₂ wird hingegen in der Bilanzierung als klimaneutral angesehen. Es entsteht heute z. B. aus dem biogenen Anteil des Hausmülls in Müllverbrennungsanlagen oder bei der Herstellung von Biomethan aus Biogas. Der Großteil des biogenen CO₂ wird heute noch nicht eingefangen und stofflich genutzt, sondern in die Atmosphäre ausgestoßen. Biomasse selbst wird allerdings schon umfangreich als grüne Kohlenstoffquelle genutzt und ist zentraler Bestandteil wichtiger Wertschöpfungsketten wie Bio-Polymere oder Treibstoffe. Eine Ausweitung dieser Ressourcen für den Ersatz fossiler Kohlenstoffquellen könnte wegen Nutzungskonkurrenzen und Nachhaltigkeitsanforderungen auf Widerstände stoßen. Zusätzlich zu biogenem CO₂ zählt auch aus der Luft über das Direct-Air-Capture-Verfahren (DAC) abgeschiedenes CO₂ als grün. Aufgrund des hohen Bedarfs an Flächen und erneuerbaren Energien, wird die Erzeugung von CO₂ aus DAC in Deutschland jedoch keine große Rolle spielen [7]. Es besteht aber die Möglichkeit, langfristig über diesen Technologiepfad Grundstoffe für die chemische Industrie oder Kraftstoffe außerhalb Deutschlands zu erzeugen und zu importieren [8]. |
Eine besondere Rolle nehmen sog. „Power-to-X“(PtX)-Prozesse ein, bei denen CO₂ eingesetzt, aber nicht dauerhaft gebunden wird. Bei diesen Verfahren wird CO₂ mit Wasserstoff zu Chemikalien und Treibstoffen umgesetzt. So kann mithilfe von grüner Energie und grünem Wasserstoff über eine Methanisierung (Power-to-Gas) synthetisches Methan als Erdgasersatz oder Treibstoff produziert werden. Alternativ lassen sich mithilfe der Methanol- oder Fischer-Tropsch-Synthese (Power-to-Liquid) aber auch zentrale Basischemikalien für Kunststoffe und synthetische Treibstoffe erzeugen.
Derzeit sind die Kosten für Produkte, die über PtX-Routen gewonnen werden, bedingt durch die hohe Energieintensität noch sehr hoch. Der breite Einsatz dieser Technologien zur Defossilisierung der Industrie hängt daher stark mit der Verfügbarkeit von kostengünstiger erneuerbarer Energie und grünem Wasserstoff zusammen. Diese Kraftstoffe könnten essentiell für eine Defossilisierung der schwer elektrifizierbaren Sektoren wie dem Luft- und Schiffsverkehr sowie dem Schwerlastbereich sein, für die sich aktuell die größten Einschränkungen bei klimaneutralen Alternativen abzeichnen.
In den genannten Bereichen ist der Bedarf an Kraftstoffen bereits ebenso groß wie der Bedarf der chemischen Industrie [4], so dass ein Nachfragesog nach CO₂ als Rohstoff entstehen kann, wenn sich die Notwendigkeit für klimaneutrales Fliegen etc. aufgrund der normativen Rahmensetzung durchsetzt. Es ist aber zu beachten, dass es sich nur bei der Nutzung von grünem CO₂ um einen klimaneutralen Pfad handelt, da durch die Verbrennung der Kraftstoffe das CO₂ unmittelbar wieder klimawirksam wird.
Neben PtX produziert bzw. entwickelt die chemische Industrie zunehmend Kunststoffprodukte wie z. B. Polyurethane, die in Variation zu konventionellen Verfahren auch teilweise auf CO₂ basierend hergestellt werden können [5]. Einen weiteren wichtigen Verwertungsweg stellt die Einbringung von CO₂ in Baustoffen dar. Durch Mineralisierung kann CO₂ in Zement, Kalk oder Recyclingbeton als Carbonat gespeichert werden [6]. Dieses Verfahren hat zukünftig das Potenzial – abhängig von der „Farbe“ des eingesetzten CO₂ – Negativemissionen, also eine Senke für das Treibhausgas, zu generieren.
Darüber hinaus wird an Verfahren gearbeitet, über die CO₂ direkt mithilfe von Strom, Licht oder Mikroorganismen in wertvolle Basischemikalien umgewandelt werden kann. Hierzu zählen elektrochemische Verfahren, wie die CO₂-Elektrolyse (z. B. iNEW-Projekt am Forschungszentrum Jülich), photokatalytische Reaktionen (z. B. FlowPhotoChem-Projekt am DLR) sowie biotechnologische Ansätze über Bakterien (z. B. Kopernikus-Projekt Rheticus). All diese hoch innovativen Verfahren könnten ein breites Produktspektrum erschließen, erfordern aber noch erhebliche Fortschritte bei Energieeffizienz, Selektivität, Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit.