Das Unausweichliche vermeiden

Kohlendioxid gilt neben Methan als das klimarelevante Gas schlechthin. Kaum jemand streitet noch über dessen Wirkung als Treibhausgas. Es ist längst als hauptverantwortlich für den menschgemachten Klimawandel und für den atmosphärischen Temperaturanstieg ausgemacht. An dieser Stelle endet der Konsens jedoch, zumindest in der Politik. Hitzige Debatten um das Gebäudeenergiegesetz und das Gesetz über die Kommunale Wärmeplanung, aber auch den Ausstieg aus der Kernenergie und die richtige Verkehrspolitik sind nur einige Aspekte, bei denen es im Grunde um die Verringerung der Emissionen geht.

Die Frage, ob und wie man das Klimagas aus der Atmosphäre zurückholt, wurde bislang – wenn überhaupt – in Deutschland nur mit sehr spitzen Fingern angefasst. Anderswo auf der Welt hingegen forschen Industrie und Universitäten schon lange daran, CO₂ entweder der Atmosphäre zu entziehen oder gleich am Ort der Entstehung einzufangen: im Abgasstrom von Kohle-, Öl- oder Müllverbrennung.

Bis spätestens 2050 möchte die EU klimaneutral werden. Schon bis 2030 will die EU-Kommission ein industrielles Kohlenstoffmanagement durch den Transport, die Nutzung und die Speicherung von CO₂ aufbauen. „Viele Betriebe haben nicht die Möglichkeit, durch Energieeffizienzsteigerungen und Elektrifizierung vollständig klimaneutral zu werden. Für diese Unternehmen ist der physische Zugang zu CO₂-armem Wasserstoff oder zu Technologien zur CO₂-Abscheidung und Speicherung sowie CO₂-Infrastrukturen zwingend notwendig“, formulierte es letztes Jahr die Deutsche Industrie- und Handelskammer (DIHK) in einer Stellungnahme zur „Öffentlichen Konsultation zur EU-Strategie für das CO₂-Management in der Industrie“.

Übergang zur grünen Wirtschaft

Die im Februar veröffentlichte ‚ EU-Strategie für das industrielle CO₂-Management‘ der Europäischen Kommission umfasst „die Nutzung einer Reihe von Technologien zur Abscheidung, Speicherung, Beförderung und Nutzung von CO₂-Emissionen aus Industrieanlagen sowie zur Entnahme von CO₂ aus der Atmosphäre. Die EU-Strategie für das industrielle CO₂-Management zielt darauf ab, diese Technologien und den Regulierungs- und Investitionsrahmen zu ihrer Unterstützung zu entwickeln.“

Die EU-Strategie beruht auf drei Technologiepfaden:

1. Abscheidung und Speicherung (CCS): CO₂-Emissionen fossilen, biogenen oder atmosphärischen Ursprungs werden zur dauerhaften und sicheren geologischen Speicherung abgeschieden.
2. Abscheidung und Nutzung (CCU): Abgeschiedenes CO₂ wird genutzt, um in synthetischen Produkten, Chemikalien oder Kraftstoffen fossilen Kohlenstoff zu ersetzen.
3. Entnahme aus der Atmosphäre (CDR): Biogenes oder atmosphärisches CO₂ wird mit technischen Mitteln abgeschieden und dauerhaft gespeichert.

„Eine CO₂-Transportinfrastruktur ist für diese drei Technologien von entscheidender Bedeutung“, so die EU-Kommission in ihrem Papier, und werde zur Errichtung eines vollwertigen CO₂-Marktes in Europa benötigt. „Wird abgeschiedenes CO₂ nicht direkt am Ort der Abscheidung genutzt, muss es zur Verwendung in industriellen Prozessen (z. B. für Bauprodukte, synthetische Kraftstoffe, Kunststoffe oder andere Chemikalien) oder zur dauerhaften Speicherung transportiert werden. CO₂ kann über Rohrleitungen, mit Schiffen oder im Straßen- oder Schienenverkehr transportiert werden.“

In der deutschen Industrie sieht man die EU-Strategie durchweg positiv.

„Die Defossilisierung der Industrie ist ein wesentlicher Teil des Übergangs zu einer grünen Wirtschaft und zur Erreichung der Klimaziele“, heißt es beim Verband VDMA e. V. Carbon Management – bestehend aus den drei oben genannten Wegen CCS, CCU, CDR – sei entscheidend, um klimaschädliche CO₂-Emissionen effektiv zu reduzieren und zu managen. Aus Sicht des Verbandes Kommunaler Unternehmen (VKU) sind CCS und CCU wichtige Bausteine, um das globale Klima zu stabilisieren. „Während CCS und CCU bei Gaskraftwerken wirtschaftlich äußerst fraglich sind, werden diese Klimaschutztechnologien insbesondere für die hiesige kommunale Abfallwirtschaft, aber auch bei der Verbrennung von Klärschlamm oder Biomasse sowie Biogas zukünftig eine Rolle spielen müssen.“

Biogas mit physikalischer Wäsche

Diesen Ansatz griff etwa das Mannheimer Energie- und Entsorgungsunternehmen MVV Energie AG auf und erklärte letztes Jahr die Absicht zur Transformation zu einem kohlendioxidbefreiten Unternehmen. Zum so genannten Mannheimer Modell gehören viele Mosaiksteine, um vor allem der Fernwärmebereitstellung und Stromerzeugung einen grünen Charakter zu verleihen. Ein wichtiger Bestandteil der Strategie hin zum „klimapositiven“ Unternehmen, das unterm Strich dem CO₂-Kreislauf mehr CO₂ entzieht als darin einbringt, ist das „BECCUS“-Prinzip. BECCUS steht für „Bioenergy Carbon Capture Usage and Storage“, zu Deutsch: „Abscheidung, Verwertung und Speicherung von CO₂ biogenen Ursprungs.“ Seit Ende 2023 spaltet die MVV Energie das Treibhausgas aus dem Abgasstrom ihrer Thermischen Abfallbehandlungsanlage in Mannheim ab. „Wir wollen in zwei etwa halbjährigen Testphasen im kleinen Maßstab Betriebserfahrungen sammeln, die wir dann im großen Maßstab anwenden können.

Das läuft seit Ende 2023 und wird bis in die 2. Hälfte 2024 gehen“, so der MVV-Vorstandsvorsitzende Dr. Georg Müller. Während man über das Abscheideprinzip und den Anlagenbauer noch ungern sprechen möchte, ist das Unternehmen beim zweiten großen Projekt, der Abtrennung und nachhaltigen Nutzung von CO₂ aus dem Prozess der Biogasaufbereitung, offener.

Die MVV suchte sich aus ihrem Portfolio an Biogasanlagen diejenige heraus, die technisch die besten Voraussetzungen bietet: Die Bioabfall-Vergärungsanlage Dresden-Klotzsche (BAV Dresden).

Die BAV Dresden hat eine Jahreskapazität von rund 46.500 t Biomüll, der aus der sächsischen Landeshauptstadt sowie dem benachbarten Zweckverband Abfallwirtschaft Oberes Elbtal stammt. Die BAV-Anlage wurde 2017 von der Eggersmann-Gruppe gebaut und ging ein Jahr später in die MVV Unternehmensgruppe über. Die Biogasaufbereitung stammt von der Schwelm Anlagentechnik GmbH.

Das gewonnene Biogas wurde zunächst nur in zwei Blockheizkraftwerken genutzt, um die Wärme für den Vergärungsprozess zu liefern. Strom, der nicht auf der Anlage benötigt wurde, ging ins öffentliche Netz.

Die Bioabfallvergärungsanlage in Dresden hat eine Jahreskapazität von rund 46.500 t. Das Biogas der Anlage wird zu Bioerdgas aufbereitet; das anfallende CO₂ wird verflüssigt und in Altbeton über eine chemische Bindung dem Kreislauf dauerhaft entzogen. Bild: M. Boeckh

Bauschutt speichert CO2

„Da bei jeder Biogasaufbereitung auch CO₂ anfällt, bietet es sich an, dieses weiter zu verwenden“, ergänzt Koray Karaadak, Kaufmännischer Leiter der Business Unit Biogas bei der MVV Umwelt GmbH. Eine solche Nutzung erfährt das Gas bisher beim Spülvorgang der Fermentationsboxen für den Bioabfall. Da die Vergärung der Bioabfälle im Batch-Betrieb erfolgt, müssen die Boxen beim An- und Abfahren gespült werden. „Um den Eintrag von Stickstoff aus der Umgebungsluft so gering wie möglich zu halten, nutzen wir das verflüssigte Kohlendioxid aus der Biogas-Aufbereitung“, erklärt Karaadak. Das käme der Qualität des Bioerdgases zugute.

Da bei der Biomethanveredelung aber mehr CO₂ anfällt, als für die Fermenterspülung benötigt wird, bot es sich an, zusätzliche Verwertungswege zu suchen. Da es sich bei dem anfallenden CO₂ bereits um ein biogenes Gas handelt, schlägt jede weitere Nutzung, zumal wenn sie das CO₂ durch chemische Bindung oder dauerhafte Einlagerung dem Kreislauf entzieht, positiv in der Treibhausgas-Bilanz zu Buche. „Und genau das machen wir mit unseren beiden Kooperationspartnern Landwärme GmbH und Neustark AG“, so der Biogas-Chef bei der MVV. Landwärme ist für den Handel und den Transport zuständig, die Neustark AG für die nachhaltige Entsorgung.

Das schweizerische Unternehmen mit Sitz in Bern nahm am Standort Biberist bei Solothurn, nördlich von Bern, als weltweit erstes Unternehmen vor einigen Monaten eine Anlage in Betrieb, in der nach einem patentierten Verfahren Kohlendioxid dauerhaft in Abbruchbeton gespeichert wird. Damit unterhält die Neustark, ein Spin-Off der ETH Zürich, nun ein ganzes Netzwerk von elf Abscheide- und Speicheranlagen für CO₂ in der Schweiz, Österreich und bald auch in Deutschland. „Weitere 13 Abscheidungs- und Speicheranlagen befinden sich in diesen Ländern zurzeit in Bau“, erklärt Unternehmenssprecherin Sophie Dres. Die Anlage in Biberist hat eine Kapazität von 1.000 t CO₂ pro Jahr.

Damit das verflüssigte CO₂ aus Dresden nicht in die Schweiz muss, was auch der Ökobilanz abträglich wäre, wird es in der Nähe von Berlin in Abbruchbeton eingebunden. Auch hier entsteht derzeit eine Jahreskapazität von rund 1.000 t CO₂.

Abbruchbeton ist mit 1 Mrd. t pro Jahr der größte Abfallstrom der Welt. Nach einem patentierten Verfahren lässt sich CO₂ dauerhaft daran anlagern. Bild: M. Boeckh

„Staubsauger“ reinigt die Umgebungsluft

Wissenschaftler am „Competence Center für Erneuerbare Energien und EnergieEffizienz (CC4E)“ an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg HAW befassen sich ebenfalls mit dem Thema CO₂-Abscheidung. Im hier angesiedeltenX-Energy-Projekt „ClosedCarbonLoop (CCL)“ steht die Nutzung von abgeschiedenem CO₂ für Power-to-Gas (PtG)-Technologien im Vordergrund. Ein bestehender Anlagenverbund aus Photovoltaikanlage, Elektrolyseur, biologischer Methanisierung und Rückverstromung mittels Kraft-Wärme-Kopplung im Heizkraftwerk wurde dafür um eine CO₂-Adsorptionsanlage, eine so genannte Direct Air Capture (DAC) des Projektpartners Climeworks ergänzt.

Ein geschlossener Kohlenstoff-Kreislauf bei der Methan-Erzeugung wird im Rahmen des Projektes „Closed Carbon Loop“ am Technologiezentrum Energiecampus der HAW Hamburg erprobt. Die „Direct Air Capture“-Anlage saugt Kohlendioxid aus der Luft und bindet es. Bild: Pieter-Pan/HAW HH

Die Anlage nutzt ein Verfahren zur Abtrennung von CO₂ aus der Umgebungsluft, das im Anschluss in einer nachgeschalteten Methanisierung für die Herstellung von Methan (CH₄) genutzt wird. Die CO₂-Gewinnung unterteilt sich in zwei Prozesse:

Direct-Air-Capture-Anlage am Technologiezentrum Bergedorf: Wie mit einem Staubsauger wird CO₂-haltige Umgebungsluft angesaugt und durch ein hoch-selektives Adsorptionsmaterial im Innern des Kollektors geleitet. An der Oberfläche des Materials werden durch Chemie-Sorption CO₂-Moleküle angelagert. Bild: HAW HH/CC4E/Climeworks

Zunächst wird während der Adsorptionsphase mittels eines Ventilators die Umgebungsluft durch den Reaktor geführt; dabei wird ein Teil des enthaltenen CO₂ an adsorbierende Substanzen (so genannte Sorbents) gebunden.

In der zweiten Phase, der so genannten Desorption, wird das CO₂ vom Sorbent bei Unterdruck und durch die Zufuhr thermischer Energie abgetrennt. Nach Beendigung der Desorptionsphase kann der Zyklus von vornbeginnen. Dieses Verfahren wird Temperatur-Vakuum-Swing-Verfahren (TVS) genannt.

Nach der Sättigung schließt der Kollektor und die Desorptionsphase beginnt. Der Kollektor wird auf rund 100 °C aufgeheizt und ein Unterdruck aufgebaut. Das CO₂ löst sich wieder und kann mit hoher Reinheit abgepumpt und gespeichert gespeichert werden. Anschließend wird es mit Wasserstoff (H₂) aus der Elektrolyse in einem Bioreaktor mit Hilfe anaerober Einzeller zu Methan (CH₄) umgewandelt. Mit dem klimaneutral erzeugten vielseitig nutzbaren Energieträger ist der CO₂-Kreislauf geschlossen. Bild: HAW HH/CC4E/Climeworks

Das auf diese Weise gewonnene CO₂ zeichnet sich durch hohe Reinheit aus und ist gegenwärtig in verschiedenen Bereichen als Rohstoff begehrt: zum Beispiel als Dünger in Gewächshäusern oder in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, etwa um Kohlensäure für Limonaden herzustellen. Das aus der Luft abgeschiedene Gas kann allerdings auch energetisch genutzt werden – und genau das machen die Wissenschaftler am CC4E-Institut im „Direct Air Capture“-Projekt.

Das per DAC-Anlage aus der Luft gefilterte Kohlendioxid gelangt vom Speichertank auf dem Dach des Technologiezentrums in das Erdgeschoss und wird dort mit Wasserstoff in einen Bioreaktor geleitet. Bild: Pieter-Pan/HAW HH

PtG- und Power-to-Liquid (PtL)-Konzepte werden künftig nötig sein, um große Überschüsse aus erneuerbaren Energien über eine längere Phase zwischenzuspeichern. Es werden dafür meist Kohlenstoffquellen benötigt, um Kohlenwasserstoffe wie Methan zu synthetisieren. PtG- und Power-to-Liquid (PtL)-Konzepte werden künftig nötig sein, um den riesigen Bedarf an klimaneutralen Grundstoffchemikalien und Kraftstoffen zu decken. Dazu zählen beispielsweise Sustainable Aviation Fuel (SAF) für den Flugverkehr und Methanol (CH₃OH) für die Schifffahrt. Für den Standort Deutschland ist der Aufbau einer möglichst flexiblen Produktion vorteilhaft, um die fluktuierende Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien mathematisch optimiert auszunutzen. „Außerdem sind nicht alle CO₂-Emissionen vermeidbar; es wird auch weiterhin eine kleine Menge entstehen, wie das beispielsweise in der Landwirtschaft der Fall ist“, erklärt Hendrik Zachariassen, M.Sc. und Wissenschaftlicher Mitarbeiter am CC4E-Institut. Daher sei es wichtig, negative CO₂-Emissionen zu erreichen, um die gesetzten Klimaziele nicht zu verfehlen.

Gegenüber dem Ansatz, CO₂ aus Kraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen zu nutzen, hat das Closed-Carbon-Loop-Prinzip deutliche Vorteile: Die Gewinnung aus der Luft ist standortunabhängig und nicht mengenlimitiert. Die DAC-Technologie sei im Betrieb außerdem zeitlich flexibel, was eine Grundlagefür die Stabilisierung des Stromnetzes ist.

Die Anlage auf dem Dach des Technologiezentrums des Energie-Campus in Hamburg-Bergedorf ging im März 2021 in Betrieb und läuft seither störungsfrei – auch wenn das Projekt schon im Sommer 2023 auslief. „Die Anlage bleibt vorerst aber Bestandteil in unserem PtG-Prozess“, versichert Hendrik Zachariassen. „Es gibt allerdings diverse Forschungsansätze für alternative Verwendungen des CO₂ oder des CH₄ aus dem PtG-Prozess.“

Solche „CO₂-Staubsauger“ sind also Realität. Aber würden sie – weltweit eingesetzt – in Zukunft alle Anstrengungen zum Klimaschutz überflüssig machen? Oder als Vorwand dienen, gar nicht aus den fossilen Energien aussteigen zu müssen?

„Die Technik allein ist keine Lösung, um den steigenden Emissionen von Treibhausgasen entgegenzuwirken“, erklärt Professor Dr.-Ing. Hans Schäfers, der das Projekt leitet und stellvertretender Leiter des CC4E ist. „Wir können nicht einfach so weitermachen wie bisher.

Damit Deutschland bis 2045 klimaneutral wird, brauchen wir dringend eine vollständige Energiewende. Mit unserem Projekt schließen wir den Kohlenstoffkreislauf bei der Methannutzung. Das ist schon mal ein erster wichtiger Schritt in Richtung Klimaneutralität.“

Literaturhinweise

• „Analysing direct air capture for enabling negative emissions in Germany: an assessment of the resource requirements and costs of a potential rollout in 2045” (2024) –Simon Block, Peter Viebahn, Christian Jungbluth – Wuppertal Institut (https://epub.wupperinst.org/)

• „Bundesminister Habeck will den Einsatz von CCS ermöglichen: ‚Ohne CCS können wir unmöglich die Klimaziele erreichen.‘“ Pressemeldung der BMWKv. 26. 02. 2024 (www.bmwk.de/Redaktion/DE/Pressemitteilungen/2024/02/20240226-habeck-will-den-einsatz-von-ccs-ermoeglichen.html)

• „Carbon Capture and Storage“ – 28. 02. 2024(www.umweltbundesamt.de/themen/wasser/gewaesser/grundwasser/nutzung-belastungen/carbon-capture-storage)

• „Carbon Management: Wegbereiter für eine klimaneutraleZukunft“ – Pressemeldung des VDMA e.V. v. 11. 04. 2024 (www.vdma.org)

• “Reaching net-zero in the chemical industry—A study of roadmaps for industrial decarbonisation“ –Ylva Kloo,Lars J. Nilsson, Ellen Palm – Wuppertal Institut(https://epub.wupperinst.org/)

• EnergieCampus an der HAW Hamburg und das ClosedCarbonLoop-Projekt (www.haw-hamburg.de)

• „Fragen und Antworten zur EU-Strategie für das industrielle CO2-Management“ – Europäische Kommission(https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/de/qanda_24_586)

• „Stellungnahme zum Referentenentwurf der Novelle des Kohlendioxid-Speicherungsgesetzes (KSpG) sowie zu den Eckpunkten der Carbon Management-Strategie“ VKU, 21. 03. 2024 (www.vku.de/vku-positionen/)