Carbon Capture

Um industrielle Klimaneutralität zu erreichen, werden auch Verfahren für den Umgang mit unvermeidbarerCO2-Entstehung notwendig. Mit Carbon Capture lässt sich CO2 aus Industrieabgasen und der Atmosphäre abscheiden.

In vielen industriellen Prozessen entsteht durch den Einsatz fossiler Energiequellen das klimaschädliche Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO2). Mit Hilfe des Einsatzes Erneuerbarer Energien und verschiedener Technologien wird daran gearbeitet, den CO2-Ausstoß zu reduzieren. Dennoch werden manche prozessbedingten CO2-Mengen unvermeidbar bleiben, insbesondere in der Zement- und Kalkherstellung. Aus diesem Grund ist es wichtig, für diese Prozesse eine Lösung zu finden, das entstehende CO2 nicht als Treibhausgas zu emittieren und so zum Klimaschutz beizutragen.

Carbon Capture, die Abscheidung von Kohlenstoffdioxid, bietet dafür einen Ansatz. Die Gewinnung erfolgt hierbei direkt aus der Atmosphäre (Direct Air Capture) oder aus industriellen Abgasen. Bei Ersterem wird die Umgebungsluft durch einen Filter geleitet, welcher der Luft den Großteil des CO2 entzieht. Solche Anlagen sind bereits in der Verwendung. Hinter der Gewinnung des Kohlenstoffdioxids aus industriellen Abgasen stehen – abhängig vom Anwendungsfall – unterschiedliche Prozesse. Hier ist zwischen dem Pre-Combustion- und dem Post-Combustion- sowie dem Oxyfuel-Verfahren zu unterscheiden. Die Abscheidung aus industriellen Abgasen ist aufgrund der höheren CO2-Konzentration in den Industrieabgasen grundsätzlich effizienter als die Abscheidung aus der Atmosphäre.

Beim Pre-Combustion-Verfahren wird das klimaschädliche Kohlenstoffdioxid abgetrennt, bevor die Energie des Brennstoffs genutzt wird. Dazu wird aus dem Brennstoff, zum Beispiel Kohle oder Erdgas, unter Verwendung von Wasserdampf unter hohen Temperaturen Wasserstoff und CO2 hergestellt. Das Kohlenstoffdioxid wird anschließend abgetrennt und der Wasserstoff steht als CO2-freier Stoff zur Energieerzeugung zur Verfügung.

Wird das CO2 aufgefangen und nicht in die Atmosphäre entlassen, wird der gewonnene Wasserstoff als „blauer Wasserstoff“ bezeichnet. Der blaue Wasserstoff kann als Übergangslösung dienen, um eine Wasserstoffwirtschaft zu etablieren, bis die benötigten Mengen vollständig mit Hilfe von Erneuerbaren Energien bereitgestellt werden können.

CO2-Abtrennung bei der Wasserstoffproduktion

Im Gegensatz zur Pre-Combustion erfolgt die Abscheidung des CO2 im Rahmen des Post-Combustion-Prozesses erst nach der Verbrennung des Brennstoffes. Zu diesem Verfahren zählen das Calcium Looping und die Aminwäsche. Beide können nicht nur für die Abscheidung von Kohlenstoffdioxid nach einer Verbrennung angewendet werden. Vielmehr kommen sie auch für die Vermeidung prozessbedingter CO2-Emissionen in Frage.

Calcium Looping: Beim Calcium-Looping wird im Anschluss an den industriellen Produktionsprozess gebrannter Kalk bei hohen Temperaturen von 650 Grad Celsius mit dem Abgas in Kontakt gebracht. Auf diese Weise wird das CO2 gebunden und so von den restlichen Abgaskomponenten abgetrennt. Durch die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid entsteht regulärer Kalk, der im Anschluss wiederum gebrannt wird, um das reine CO2 auszutreiben und den gebrannten Kalk erneut im Abscheidungsprozess zu nutzen. Einsatzmöglichkeiten für das Calcium-Looping bieten sich insbesondere in der Zementproduktion, da dieser Prozess bei hohen Temperaturen erfolgt und Kalk ohnehin bei der Zementherstellung zum Einsatz kommt.

Aminwäsche: Bei der Aminwäsche strömt das bei Verbrennungsprozessen entstehende Rauchgas durch eine Waschkolonne, eine Art chemische Waschmaschine. Gleichzeitig fließt eine Aminlösung, in der Wirkung vergleichbar mit einem Lösungsmittel, im Gegenstrom und nimmt das CO2 auf, das dadurch von dem Gas abgetrennt wird. Die beladene Waschlösung wird mit Hilfe von Wärmezufuhr regeneriert. Auf diese Weise wird das CO2 ausgetrieben. Die Waschlösung kann anschließend erneut verwendet werden. Dieses Verfahren eignet sich unter anderem aufgrund der niedrigeren benötigten Temperaturen auch als Nachrüstlösung für eine Vielzahl von Prozessen.

CO2-Abtrennung aus Rauchgas

Das Oxyfuel-Verfahren basiert auf der Verbrennung fossiler Rohstoffe, beispielsweise Erdgas oder Kalk, mit reinem Sauerstoff. Anders als bei der konventionellen Verbrennung mit Luft erfolgt dieser Vorgang in einer stickstofffreien Atmosphäre. Darum entstehen dabei fast ausschließlich Wasserdampf und CO2. Durch anschließende Kondensation des Wasserdampfes kann nahezu reines CO2 gewonnen werden. Das Oxyfuel-Verfahren bietet vor allem Potenzial für die Zementproduktion und Biogas-Kraftwerke, die so eine Möglichkeit zur Abscheidung des Kohlenstoffdioxids und seiner klimafreundlichen Weiterverwendung oder Speicherung erhalten. Gleichzeitig wird so die Entstehung von Stickoxiden, im Gegensatz zu den konventionellen Prozessen, vermieden.

Die beschriebenen Technologien sind aktuell noch unterschiedlich weit entwickelt. Teils befinden sie sich noch in der Erprobung, teils werden sie bereits verwendet. Auch die oftmals fehlende Infrastruktur zur Weiterverwendung des abgespaltenen CO2, die in Teilen noch nicht vorhandene Marktreife relevanter Verwendungsprozesse und die fehlenden rechtlichen Rahmenbedingungen für die Lagerung von CO2 in der Nordsee stellen derzeit noch Hindernisse für die breite industrielle Verwendung dar. Kriterien wie zum Beispiel die Verfügbarkeit von Infrastruktur und Prozessen, aber auch Wirkungsgradverluste, Kosten, Reinheit des abgespaltenen CO2, die Umweltauswirkungen sowie die Abscheidungsrate werden künftig darüber entscheiden, welche Techniken sich im großtechnischen Einsatz für die verschiedenen Anwendungsgebiete durchsetzen. Da Kohlenstoffdioxid jedoch voraussichtlich auch langfristig weiterhin anfällt, werden solche Methoden zur CO2-Abscheidung und dessen Verwendung auf dem Weg zur Klimaneutralität essenziell sein – trotz des hohen Energieaufwandes, der für die Nutzung solcher Technologien nötig ist und der noch bestehenden Hemmnisse.

Erhöhung der Konzentration von­ CO2 im Abgas durch Verbrennung mit Sauerstoff

Das mit Hilfe der unterschiedlichen Technologien abgeschiedene CO2 kann im Anschluss entweder als Rohstoff für verschiedene Industrieprozesse genutzt (Carbon Capture and Utilization – kurz: CCU) oder aber gespeichert werden (Carbon Capture and Storage – kurz: CCS).

Im Falle der Speicherung (CCS, auch Sequestrierung) wird das abgespaltene CO2 in unterirdischen, tief liegenden Lagerstätten (1.000 bis 4.000 Meter) dauerhaft eingelagert. Genutzt werden dafür vor allem leere Öl- und Gasfelder unter dem Meeresgrund. Durch die in der Tiefe vorherrschenden Drücke wird das Kohlendioxid stark verdichtet und dauerhaft gebunden. Dadurch ist ein erneutes Zutagetreten praktisch ausgeschlossen.

Bei der Weiterverwertung des CO2 im Rahmen industrieller Prozesse wird dieses als Rohstoff verwendet. Somit steht CO2 als erneuerbare Ressource anstelle einer fossilen Quelle zur Verfügung. Innovative Anwendungen ermöglichen die stoffliche Nutzung zum Beispiel in den Bereichen der Basischemikalien, Kraftstoffe, Düngemittel sowie Methanol- und Polymerherstellung (Kunststoffe). Auf diese Weise lässt sich die Nutzungsdauer des Kohlenstoffs verlängern und ein Entweichen bis auf Weiteres vermeiden. 

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