u&i GmbH – Kohlenstoffdioxid / CO₂

Kohlenstoffdioxid / CO₂

Kohlenstoffdioxid (CO₂) wirkt in der Erdatmosphäre als Treibhausgas und trägt somit längerfristig zu einer globalen Erwärmung bei. Bei der aktuellen Diskussion über die Reduzierung dieser Treibhausgasemissionen zum Erreichen der Ziele des Pariser Abkommens wird der Kohlestoffdioxidabscheidung (CC - carbon capture) eine große Bedeutung zugeschrieben. Somit soll CO₂ künftig nicht mehr als Abfallprodukt, sondern als Rohstoff in verschiedensten Anwendungsbereichen gesehen und Teil der Kreislaufwirtschaft werden, um die weltweiten CO₂-Emissionen zu verringern.
Insgesamt ist der Themenkomplex rund um Kohelnstoffdioxid/CO₂ stark im Wandel. Märkte verändern sich und entstehen neu – ebenso die Technologien und Verfahrenskombinationen. Vor diesem Hintergrund werden nachfolgend vereinfacht die aktuellen Handlungsstränge und Möglichkeiten dargestellt und abschließend die in diesem Zusammenhang am häufigsten verwendeten Begrifflichkeiten zusammengefasst und erklärt.
Bei der Abscheidung von CO₂ kann zwischen der direkten Abscheidung aus der Atmosphäre mittels direct air capture (DAC) und der einer Verbrennung nachgeschalteten Abscheidung von CO₂ aus dem Abgas von Kraftwerken und anderen Anlagen unterschieden werden (post-combustion capture (PCC).

Bei der DAC-Technologie gibt es verschiedene Verfahren wie unter anderen die Aminwäsche, die Absorption durch Natriumhydroxid oder die Membranabscheidung, um die CO₂ Konzentration in der Atmosphäre mittels sogenanntem Geoengineering zu senken und die Klimaerwärmung zu verlangsamen (climate change mitigation). Alle diese Methoden haben allerdings den Nachteil von sehr hohen Abscheidungskosten. Daher wird bei der Umsetzung von CC zur Reduzierung von Treibhausgasen eher die direkte Abscheidung an Kraftwerken betrachtet. Um die CO₂-Emissionen an Kraftwerken zu reduzieren, wurden verschiedene Verfahren entwickelt, welche grob in drei Bereiche gegliedert werden.

Pre-Combustion

Post-Combustion

Die Abscheidung von CO₂ vor dem Verbrennungsprozess im Pre-Combustion-Verfahren wird hauptsächlich in Gas- und Kohlekraftwerken eingesetzt. Dabei wird durch eine Wassergas-Shift-Reaktion das Kohlenstoffmonoxid durch Wasserdampf zu CO₂ umgewandelt und bereits vor der Verbrennung aus dem Prozess entfernt.

Eine Möglichkeit zur CO₂-armen Energieerzeugung ist das sogenannte Oxyfuel-Verfahren, in dem die Verbrennung nicht in einer Luftatmosphäre durchgeführt wird, sondern mit reinem Sauerstoff. Somit besteht das Abgas nach der Abgasreinigung überwiegend aus Wasserdampf und CO₂ . Die Schwierigkeit dieses Verfahrens liegt in der Bereitstellung des reinen Sauerstoffs und der damit verbundenen Prozessführung. Da die Trennung der Umgebungsluft aufwändig ist, kann für dieses Verfahren auch der reine Sauerstoff aus einer Elektrolyseanlage bereitgestellt werden.

Das Post-Combustion-Verfahren beschreibt die Erweiterung der Abgasreinigung in einem Kraftwerk durch eine CO₂-Abscheidung im austretenden Rauchgas. Hierbei finden ähnliche Ad- und Absorptionsmittel Anwendung, wie bei DAC-Verfahren.

Der wesentliche Unterschied zwischen DAC und der Abscheidung aus Punktquellen, ist die Tatsache, dass durch DAC-Verfahren der CO₂-Gehalt der Atmosphäre verringert wird. Bei der Abscheidung an Punktquellen, wird durch die Integration von CC i.d.R. die CO₂Neutralität der Anlage erreicht. Dies ist jedoch von der weiteren Handhabung des CO₂abhängig und kann im Rahmen einer CO₂-Bilanzierung, der Erstellung von Corporate Carbon Footprints oder der Erstellung von Klimagasbilanzen genauer betrachtet werden.

Eine Möglichkeit ist die Speicherung (CCS- carbon capture and storage) beispielsweise durch die Sequestrierung in reiner Form in erschöpften Gasvorkommen oder speziellen Gesteinsschichten, um somit einen Teil der CO₂-Emissionen aus dem Kreislauf zu entfernen. Dies ist allerdings lediglich bei biogenen Brennstoffen der Fall, während bei fossilem CO₂die Kohlenstoffbilanz mit Hilfe von CC unverändert bleibt. Da die Einlagerung allerdings stark von den geographischen Gegebenheiten abhängig ist und ein erneutes Austreten zum aktuellen Zeitpunkt nicht ausgeschlossen werden kann, wird ebenfalls an der Mineralisierung des CO₂geforscht. Dieser Vorgang ist eine Analogie der natürlichen Gesteinsbildung und birgt ein geringeres Risiko. Neben der Speicherung wird auch die Nutzung des CO₂fokussiert (CCU - carbon capture and utilization). In verschiedenen Prozessen können durch die Einbindung von Kohlenstoffdioxid neue Produkte entstehen. Beispielsweise bietet die Zuführung von CO₂und Wasserstoff in einer Power-to-X Anlage die Möglichkeit Kohlenwasserstoffe regenerativ zu erzeugen. Weitere Anwendung findet sich in der Chemieindustrie zur Herstellung synthetischer Verbindungen, bei der Harnstoffproduktion, in Gewächshäusern oder aber als Grundlage von Baustoffen.

Als dritte und indirekte Möglichkeit der CO₂-Nutzung können in diesem Kontext sogenannte Biokonversionsverfahren genannt werden. Durch diese können organische Abfälle auf technischem Weg in stabile Kohlenstoffverbindungen überführt werden (z.B. mittels Pyrolyse oder HTC). Diese Biokohle/ Pflanzenkohle ist für Mikroorganismen schwerer zugänglich, sodass die weitere natürliche Degradation hin zu CO₂unterbrochen ist. Durch Einbringung der Kohle in Böden wird CO₂der Atmosphäre längerfristig entzogen, gleichzeitig kann das Pflanzenwachstum und die Bindung von CO₂mittels Fotosynthese gefördert werden. Diese Verfahren werden häufig als BCR (Biochar Carbon Removal) bezeichnet.

Neben BCR ist ein weiterer weit verbreiteter Ansatz BECCS (Bioenergy Carbon Capture and Storage). Dieser zielt darauf ab, dass das CO2 aus Bioenergieanwendungen abgefangen und gelagert wird (CCS) oder aber genutzt wird (CCU).

Als Übersicht und Zusammenfassung der gängigsten Begrifflichkeiten und Abkürzung kann nachfolgende Übersicht dienen:

BCR - Biochar Carbon Removal

Der Prozess des Biochar Carbon Removal basiert auf dem thermischen Verfahren der Pyrolyse. Organisches Material wird unter Sauerstoffausschluss und erhöhten Temperaturen behandelt. Ein Teil des Kohlenstoffs liegt anschließend in Form von Pflanzenkohle (Biochar) vor, welche von Mikroorganismen meist schwer abgebaut werden kann. Wird die produzierte Pflanzenkohle in den Boden eingebracht, spricht man in diesem Fall von einem Biochar Carbon Removal – einer aktiven Form der Kohlenstoffdeponierung.

BECCS - Bioenergy with Carbon Capture and Storage

Bioenergy with carbon capture and storage (BECCS) ist eine Kombination aus einem Biomassekraftwerk und verschiedenen CC-Prozessen. Die Energie wird der Biomasse in Verbrennungsprozessen, Fermentation, Pyrolyse oder anderen Umwandlungsverfahren entnommen und genutzt. Die entstehenden Abgase und Reststoffe werden mittels CC-Verfahren von Kohlenstoffdioxid bereinigt, das CO₂ entsprechend gelagert oder weiter genutzt.

CC - Carbon Capture

Carbon Capture bezeichnet den Prozess der Entnahme von CO₂ aus der Umgebungsluft oder einem Abluftstrom. Dabei werden Technologien nach ihrem Anwendungsort und der nachgeschalteten Verwendung des Kohlenstoffdioxids unterschieden. Die CO₂-Entnahme direkt aus der Atmosphäre (Direct Air Capture, DAC), die Entnahme direkt nach einem CO₂-Emittenten (Post-Combustion Capture, PCC), die Speicherung des abgeschiedenen CO₂ in bestehenden Lagerstätten (Carbon Capture and Storage, CCS) sowie die allgemeine Nutzung des CO₂ nach der Abscheidung (Carbon Capture and Utilization, CCU).

CCF - Corporate Carbon Footprint

Der Corporate Carbon Footprint (CCF) ermöglicht es Unternehmen, den Gesamtausstoß von Treibhausgasemissionen (THG) zu messen. Dabei werden sämtliche THG-Emissionen aus den verschiedenen Aktivitäten des Unternehmens erfasst, einschließlich direkter Emissionen aus Brennstoffen und indirekter Emissionen aus der Energieversorgung sowie vor- und nachgelagerten Tätigkeiten in der Wertschöpfungskette. Der CCF kann als Grundlage für die Entwicklung einer Klimastrategie dienen.

CCS - Carbon Capture and Storage

Carbon Capture and Storage (CCS) bedient sich in der Regel der Technologien der Direct Air Capture (DAC) oder Post-Combustion Capture (PCC). Bei DAC wird CO₂ direkt aus der Atmosphäre entnommen, während PCC das CO₂ nach der Verbrennung von Brennstoffen abfängt.
Das mit diesen Verfahren abgeschiedene CO₂ kann entweder als Gas behälterlos in unterirdische Speicher gepresst werden, wie zum Beispiel alte Erdgas- oder Erdöllagerstätten. Dies wird als geologische Speicherung bezeichnet. Alternativ kann das CO₂ auch mineralisiert werden, indem es chemisch in feste Mineralien umgewandelt wird. Diese mineralisierten Produkte können dann in alten Bergwerken oder anderen geeigneten geologischen Formationen gelagert werden.
Beide Methoden dienen dazu, das abgeschiedene CO₂ sicher und dauerhaft zu speichern und so zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen beizutragen.

CCU - Carbon Capture and utilization

Carbon Capture and Utilisation (CCU) bedient sich ähnlicher Technologien wie die CCS-Verfahren, jedoch liegt der Fokus hier nicht auf der Speicherung oder Lagerung des abgeschiedenen CO₂. Stattdessen wird das abgeschiedene CO₂ als Rohstoff für weitere Nutzungszwecke verwendet, beispielsweise in chemischen Prozessen.
Im Gegensatz zur CCS wird das CO₂ bei der CCU nicht dauerhaft aus dem Kreislauf entfernt, sondern bei der späteren Verwendung wieder in die Atmosphäre geleitet. Daher haben CCU-Prozesse keinen direkten Klimaschutzeffekt, da das CO₂ letztendlich wieder freigesetzt wird. Allerdings kann durch die Substitution von Primärrohstoffen mit dem abgeschiedenen CO₂ ein gewisser klimaschützender Effekt erzielt werden.
Die CCU-Technologie hat das Potenzial, den Einsatz fossiler Ressourcen zu reduzieren und somit indirekt zur Verringerung von Treibhausgasemissionen beizutragen.

CSRD - Corporate Sustainability Reporting Directive

Die Corporate Sustainability Reporting Directive (CSRD) ist eine Richtlinie der EU, die Unternehmen dazu verpflichtet, ihre Berichterstattung um relevante ESG-Kriterien zu erweitern. Sie legt fest, was berichtet werden muss. Um die Abkürzung CSRD zu verstehen, sollten zuerst die Erklärungen zu European Green Deal, ESRS und ESG gelesen werden.

DAC - Direct Air Capture

Direct Air Capture (DAC) bezieht sich auf die direkte Entnahme von Kohlendioxid (CO₂) aus der Atmosphäre. Es gibt verschiedene Technologien, die für diesen Prozess eingesetzt werden können, wie zum Beispiel Aminwäsche, Absorption durch Natriumhydroxid oder Membranabscheidung.
Bei DAC wird Luft aus der Atmosphäre entnommen und durch diese Technologien geleitet, um das CO₂ abzuscheiden. Als Ergebnis erhält man reines CO₂ und CO₂-arme atmosphärische Luft.

ESG - Environment, Social, Governance

Die ESG-Kriterien, die dem European Green Deal entstammen, sind Vorgaben der EU. Sie setzen Standards in den Bereichen Environment Social (Soziales), (Umwelt) und Governance (Unternehmensführ). Jeder dieser Bereiche enthält weitere Vorgaben und Richtlinien.

ESRS - European Sustainability Reporting Standards

Die European Sustainability Reporting Standards (ESRS) gliedern sich in die Bereiche Umwelt, Soziales und Unternehmensführung und schreiben vor, wie die Anforderungen aus dem European Green Deal berichtet werden müssen. Der Standard ESRS E1 ist der erste von fünf klimaspezifischen Standards unter dem Titel "Climate Change" und beinhaltet neun Angabepflichten (E1-1 bis E1-9), die unabhängig von einer besonderen Wesentlichkeitsprüfung berichtet werden müssen. Anders als andere Teile der CSRD ist dieser Standard für (fast) alle Unternehmen verpflichtend. In den ESRS E1-1 bis E1-9 sind letztendlich die drei großen Schritte zur Klimaneutralität verpackt: Bilanzierung, Aufstellung von messbaren Zielen und Erarbeitung sowie Umsetzung eines Maßnahmenplans. Zusammengefasst bestimmt die ESRS, wie berichtet werden muss.

European Green Deal

Die europäische Union hat mit dem European Green Deal einen umfassenden Plan entwickelt, um den EU-Raum zum ersten klimaneutralen Kontinent zu machen. Dabei spielen die EU-Taxonomie und die CSRD eine entscheidende Rolle, die vielen Unternehmen bereits bekannt sind. Die ESG-Kriterien in diesen Richtlinien setzen Standards in verschiedenen Bereichen, wobei jeder Bereich weitere Vorgaben und Richtlinien enthält.

GHG - Protokoll - Greenhouse Gas Protocol

Das Greenhouse Gas (GHG) Protocol ist ein international anerkannter Standard für die Berichterstattung von Treibhausgasemissionen. Dieser wurde vom "World Resources Institute" (WRI) und dem "World Business Council für Sustainable Development" (WBCSD) entwickelt. Das GHG-Protokoll umfasst mehrere Richtlinien und Standards, darunter Anleitungen zum PCF, CCF sowie zu Scope 1, 2 und 3.

GWP - Global Warming Potential

Das Global Warming Potential (GWP) ist eine Abkürzung, die angibt, wie viel Wärme ein Treibhausgas im Vergleich zu CO₂ über einen bestimmten Zeitraum (meist 100 Jahre) in der Atmosphäre einfängt. Durch die Umrechnung von Gasen in CO₂-Äquivalente mithilfe des GWP wird die Wirkung der einzelnen Gase auf unser Klima vergleichbar gemacht.

PCC - Post-Combustion Capture

Das Verfahren der Post-Combustion Capture (PCC) beschreibt die Nachrüstung von CO₂-Abscheidungstechnologien in bestehenden Kraftwerken oder anderen großen CO₂-Emittenten. Bei PCC wird die CO₂-Abscheidung in den Abgasstrom nach der Verbrennung installiert, um das CO₂ bei einer höheren Konzentration effizienter abzuscheiden.
Die Technologien, die bei PCC eingesetzt werden, ähneln denen des Direct Air Capture (DAC), wie zum Beispiel Aminwäsche oder Absorption durch Natriumhydroxid. Durch den Betrieb einer PCC-Anlage kann der CO₂-Ausstoß eines Kraftwerks deutlich reduziert werden.
Allerdings ist zu beachten, dass der Betrieb einer PCC-Anlage den Brennstoffbedarf eines Kraftwerks erhöhen kann.

PCF - Product Carbon Footprint

Der Product Carbon Footprint (PCF) ist ein Maß für die gesamten Treibhausgasemissionen, die mit der Herstellung, dem Transport, der Nutzung und der Entsorgung eines Produkts oder einer Dienstleistung verbunden sind. Der PCF ermöglicht es Unternehmen und Verbrauchern, die Umweltauswirkungen verschiedener Produkte zu vergleichen und umweltfreundlichere Entscheidungen zu treffen.
Der PCF berücksichtigt in der Regel verschiedene Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O), die während des gesamten Lebenszyklus eines Produkts emittiert werden. Dies umfasst die Rohstoffgewinnung, die Herstellung, den Transport, die Nutzung und die Entsorgung des Produkts.
Durch die Berechnung des PCF können Unternehmen ihre Emissionen identifizieren und gezielte Maßnahmen ergreifen, um ihren2-Fußabdruck zu reduzieren. Verbraucher können den PCF nutzen, um umweltfreundlichere Produkte auszuwählen und ihren eigenen ökologischen Fußabdruck zu verringern.

SDG - Sustainable Development Goals

Die Sustainable Development Goals (SDGs), auf Deutsch auch als Nachhaltige Entwicklungsziele bezeichnet, sind 17 große Ziele, die im September 2015 von den 193 Mitgliedsstaaten der Vereinten Nationen als Teil der Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung angenommen wurden. Die Abkürzung SDG steht für diese Ziele. Sie haben das übergeordnete Ziel, Frieden und Wohlstand für die Menschheit zu erreichen, den Planeten zu schützen und die Armut zu beenden. Die SDGs rufen dazu auf, entsprechend zu handeln und sich an diesen Zielen auszurichten.

Bei der Einbindung eines Verfahrens in ihre geplante Anlage sowie bei der Erweiterung ihrer Bestandsanlage unterstützen wir Sie gerne.
Durch unser Know-How aus der Planung von Verbrennungsanlagen mit Abgasreinigung können wir Sie in allen Planungsphasen von der ersten Idee über die Genehmigung bis hin zur Realisierung und Inbetriebnahme zur Seite stehen.
Sind Sie am Überlegen, ob sich die Erweiterung Ihrer Anlage lohnt? Gerne erstellen wir auch zunächst eine CO₂-Bilanz für Ihre derzeitige Anlage und unterstützen Sie bei der Beurteilung.

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