CO₂-Verwertung: Wenn aus CO₂ wieder Wertstoffe werden

Die Minimierung der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre ist eine der wichtigsten Herausforderungen unserer Zeit. Eine vielversprechende Technologie zur Eindämmung des Klimawandels ist die CO₂-Abscheidung und Verwertung.

Am leichtesten lässt sich dies bei Industrieprozessen umsetzen, wo CO₂ konzentriert und in großen Mengen als Abgas anfällt.

Für die Umwandlung dieses konzentrierten CO₂ in Wertprodukte entwickelt GIG Karasek eine Pilotanlage bestehend aus einer elektrochemischen Reaktorzelle und dazugehöriger Peripherie als Herzstück

Jahr für Jahr bedenklich mehr CO₂-Emissionen

CO₂-Emissionen sind die Haupttreiber des globalen Klimawandels. Weltweit wurden 2020 rund 35 Billionen Tonnen CO₂ emittiert. Davon entfielen auf die EU-27 insgesamt 2,6 Billionen Tonnen (Europa exkl. EU-27: 2,35 Billionen Tonnen, Deutschland: 644 Mio. Tonnen, Österreich: 60 Mio. Tonnen).

Die daraus resultierenden komplexen Auswirkungen werden in den nächsten Jahrzehnten nicht nur Gesellschaft und Ökosysteme, sondern auch die Wirtschaft erheblich beeinflussen.

Was der Klimawandel Unternehmen kostet

Die Folgen des Klimawandels für Unternehmen sind vielfältiger Natur. Zum einen können extreme Wetterphänomene zu Schäden an Produktionsstätten, Versorgungsengpässen oder Lieferkettenstörungen führen. Zum anderen entstehen im Zuge der gesellschaftlichen Veränderungen neue Technologien, Märkte und gesetzliche Vorschriften, die Kosten verursachen oder direkte Auswirkungen auf bestehende Produkte, Services und Vermögenswerte haben. Insbesondere die steigende CO₂ Bepreisung setzt Unternehmen zunehmend unter Druck.

CO₂-Zertifikate auf Rekordniveau

Europa hat bereits im Jahr 2008 das Europäische Emissionshandelssystem (EU-EHS) zur CO₂-Besteuerung eingeführt. Demnach sind alle großen Strom- und Wärmeproduzenten und Industrieanlagen wie Stahlwerke, Chemieindustriebetriebe, Energiehersteller oder Zementwerke dazu verpflichtet, CO₂-Zertifikate zu erwerben.

Der Preis der gehandelten CO₂-Zertifikate hat sich im Laufe des Jahres 2021 verdreifacht und liegt aktuell bei knapp 94 Euro (Stand: 3.2.2022). Der Grund für die hohe Nachfrage nach Zertifikaten liegt zum einen in den hohen Gaspreisen, wodurch Stromerzeuger auf Kohleverstromung ausweichen. Ein wesentlicher Teil des Preisanstiegs ist auch auf politische Reformen zurückzuführen, um die europäischen Klimaziele zu erreichen.

Quelle: CO₂ Emissionsrechte, boerse.de

Energieintensive Industrien sind der Schlüssel zur Dekarbonisierung

Große Teile der Industrien in Europa leisten bereits auf vielfältige Weise einen Beitrag zum Klimaschutz. Der Fokus liegt dabei in erster Linie auf der Steigerung der Energieeffizienz und dem verstärkten Einsatz erneuerbarer Energien. Diese Maßnahmen alleine werden aber nicht ausreichen, um die Klimaziele des „Green Deal“ zu erreichen.

Um die negativen Folgen des Klimawandels und deren Kosten zu begrenzen, sind umfangreiche Lösungsansätze bezüglich des CO₂-Managements in Unternehmen erforderlich. Ein besonderer Stellenwert kommt hier der energieintensiven Industrie zu, die auch eine entscheidende Rolle bei der Dekarbonisierung anderer Sektoren spielt. Denn wenn Grundstoffe bereits klimaneutral produziert werden, verringert dies auch den CO₂-Abdruck nachgelagerter Wirtschaftsbereiche.

Zudem sind chemische Grundstoffe, Stahl oder Zement für den Ausbau erneuerbarer Energien essentiell. Wettbewerbsfähige Technologien für die Dekarbonisierung der Produktionsprozesse gerade in diesen Sektoren sind daher in Zukunft unverzichtbar. Nicht zuletzt auch angesichts der Revision des europäischen Emmissionshandelssystems und steigender CO₂-Preise.

CO₂-Verwertung als nachhaltiges Zukunftsmodell

Die Nutzung fossiler Kohlenwasserstoffe als Rohstoffe und Energielieferant ist für viele Branchen unverzichtbar. Bis zu 75 Prozent der Herstellungskosten diverser Produkte sind durch den Faktor Energie bestimmt. Mit steigender CO₂-Bepreisung werden unweigerlich die Produktionskosten insbesondere energieintensiver Industrien steigen.

Wird im Zuge der Dekarbonisierung zudem kein Rohöl mehr in Raffinerien verarbeitet, fehlt es an Petrochemikalien. Basisprodukte wie Ethylen und Methan sowie sämtliche Folgeprodukte werden zunehmend einer Verknappung unterliegen (siehe Flowchart der Chemie/Raffinerie). Hinzu kommt, dass in Industrien wie Zement, Eisen und Stahl, Aluminium, Zellstoff und Papier sowie Raffinerien unausweichlich CO₂-Emissionen entstehen, die aus energieintensiven Industrieprozessen resultieren.

Eine zukunftsweisende Technologie zur Lösung dieser Problematiken stellt die Abscheidung, Nutzung und Speicherung von CO₂ dar. Dabei wird CO₂ direkt dort, wo es entsteht, aufgefangen. Danach kann es entweder zu wertvollen Produkten weiterverarbeitet oder dauerhaft gespeichert werden.
Wie diese innovative Technologie funktionieren kann, soll bald eine Pilotanlage von GIG Karasek demonstrieren, die in Kooperation mit der Johannes Kepler Universität Linz (JKU Linz) entwickelt wird.

Pilotanlage zur CO₂-Verwertung mit neuartigen Katalysatoren

Das Projekt wurde von der JKU Linz und GIG Karasek ins Leben gerufen, um einen nachhaltigen Beitrag zur Reduktion der globalen CO₂-Emissionen zu leisten. Ziel ist die Verwertung von CO₂ durch eine elektrochemische Reduktion zu Grundchemikalien wie CO, Ameisensäure, Essigsäure sowie Brennstoffen wie Wasserstoff, Methan, Methanol und Ethanol.

Die Forschungskooperation dieses Projekts beinhaltet neben der Entwicklung von neuartigen Katalysatoren die Planung zum Bau einer Pilotanlage zur Erprobung und Optimierung der Prozesslösung. Eine erste Anlage mit mehreren hintereinander geschalteten Zellen soll bis Ende 2023 für den industriellen Einsatz bereit sein.

Die Pilotanlage liefert wiederum die Grundlage für die Auslegung und Dimensionierung von industriellen Großanlagen. Auf Basis dieses Scale-up Konzepts ist dann eine Markteinführung möglich.

Grüne, rentable Prozessanlagenlösung durch „Dream Reaction“

Die CO₂-Verwertung erfolgt durch die sogenannte „Dream Reaction“ mit Hilfe eines speziell konzipierten Elektrokatalysators und einer passenden Reaktorzelle. Wenn die elektrische Energie, die für diese Umwandlung notwendig ist, aus erneuerbaren Energiequellen gespeist wird, ermöglicht dies einen völlig nachhaltigen und klimafreundlichen Zyklus.

Als „Dream Reaction“ bezeichnen Chemiker eine Reaktion, bei der ein Produkt in einem einzigen Schritt aus kostengünstigen Bausteinen hergestellt wird. Wertstoffe lassen sich mit diesem katalytischen Verfahren daher deutlich energiesparender erzeugen. Wasserstoff kann zum Beispiel direkt generiert werden, während er bei anderen Verfahren in einem weiteren, energieintensiven Schritt produziert werden muss.

Die Reaktorzelle mit integriertem Katalysator alleine macht die Technologie aber noch nicht aus. Entscheidend ist die optimale Integration in die umliegende Peripherie, um einen möglichst energieeffizienten und sauberen Betrieb zu gewährleisten. Die Reaktorzelle bildet das Kernstück, muss aber anwendungstechnisch im Gesamtsystem einsatzfähig gemacht werden.

Aus Abfall werden Treibstoffe, Plastik und chemische Grundstoffe

Eine CO₂-Reduktionsanlage kann in vielen industriellen Branchen eingesetzt werden, z.B. zur Verwertung von CO₂ im Rauchgas von Industrieanlagen. Nachfolgende Skizze veranschaulicht am Beispiel Rauchgas den Gesamtprozess der CO₂-Abscheidung und Verwertung:

1. Das Rauchgas wird in die mit grüner Energie betriebene Reaktorzelle eingeleitet und umgewandelt.
2. Der entstehende Produktstrom beinhaltet verschiedenste Bestandteile und muss anschließend aufgetrennt, destilliert und konzentriert werden.
3. Als Endprodukt entstehen Wasserstoff, Ethanol, Methan und andere kohlenstoffreiche Verbindungen. Diese können zu Kunststoffen weiterverarbeitet oder als Brennstoffe gespeichert und bei Bedarf zur weiteren Verwendung transportiert werden.
4. Als Nebenprodukte fallen chemische Rohstoffe wie Ameisensäure, Essigsäure und eine Vielfalt anderer Chemikalien an, die sich auf dem Markt zu hohen Preisen verkaufen lassen.

Mit dieser Technologie können Unternehmen Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr in hochwertige chemische Produkte umwandeln, die direkt in industriellen Prozessen wiederverwendet oder alternativ zur Herstellung eines breiten Sortiments von Produkten verwendet werden können. Unternehmen, die solche Prozesslösungen einsetzen, werden somit nicht nur ihre CO₂-Emissionen reduzieren, sondern auch von marktfähigen Produkten profitieren.

© JKU Linz

CO₂-Verwertung zur Speicherung erneuerbarer Energien

Die elektrochemische CO₂-Verwertung kann auch als eine mögliche Lösung zur Speicherung der fluktuierenden erneuerbaren Energien betrachtet werden. Überschüssige Wind- oder Solarenergie, die nicht direkt in das Stromnetz eingespeist und genutzt werden kann, könnte elektrochemisch zum Beispiel in Methanol umgewandelt werden.

Unter idealen Bedingungen könnten durch den Umsatz von 1 Tonne CO2-Äquivalenten fast 1.400 kWh Energie gespeichert werden. Bei Bedarf kann dann das Methanol zum Beispiel wieder als Brennstoff in einer Direkt-Methanol-/ Ethanol-Brennstoffzelle (DMFC) eingesetzt werden.

Ausblick: Preise für CO₂-Emissionsrechte werden steigen

Das Europäische Emissionshandelssystem (EU-EHS) ist ein entscheidender Mechanismus, mit dem die EU beabsichtigt, die Netto-Treibhausgasemissionen bis 2030 um 55 Prozent gegenüber dem Stand von 1990 zu senken.

Mit der Revision des EU-EHS im Zuge des „Fit for 55“-Pakets sollen weitere Industrien einbezogen und kostenlose Zertifikate sukzessive abgebaut werden. Es ist daher davon auszugehen, dass die CO₂ Preise zukünftig noch viel dramatischer steigen werden und dringender Handlungsbedarf für CO₂-intensive Branchen besteht.

Fit for 55: EU will kostenlose Zertifikate auslaufen lassen

Derzeit werden noch kostenlose Zertifikate zugeteilt, um das Abwandern von Industriebetrieben in Länder mit weniger strengen Emissionsbeschränkungen zu vermeiden (Carbon Leakage).

In Zukunft soll es nach dem Willen der EU diesbezüglich weniger Spielraum geben: Die als „Fit for 55“-Paket bekannten Vorschläge der EU-Kommission zielen darauf ab, die Anzahl der kostenlosen Genehmigungen für bestimmte Branchen zu reduzieren und die im Umlauf befindlichen Genehmigungen jedes Jahr schneller zu verringern als dies derzeit der Fall ist.
Bereits bis 2025 will die EU die Anzahl kostenloser Zertifikate deutlich abbauen und eine Grenzsteuer auf CO₂ einführen. Ebenso ist die schrittweise Einstellung der Ausgabe von Emissionszertifikaten für energieintensive Industrien bis 2036 vorgesehen. Die Verknappung des Angebots an CO₂-Zertifikaten wird infolgedessen einen erheblichen Aufwärtsdruck auf die Preise ausüben.

Österreich: CO₂-Steuer ab 1.7.2022

Um fossile Energien zu verteuern und klimaschonende Alternativen voranzubringen gibt es in vielen europäischen Ländern bereits CO₂-Steuern. Mit dem Nationalen Emissionszertifikatehandelsgesetz 2022 wird nun auch in Österreich eine Bepreisung von CO₂-Emissionen eingeführt, die nicht bereits dem EU-EHS unterliegen.

Betroffen sind im wesentlichen Benzin, Diesel, Heizöl, Erdgas, Flüssiggas, Kohle und Kerosin. In der Fixpreisphase von Juli 2022 bis zum Jahr 2025 wird der Preis pro Tonne CO₂ vorgegeben. Dieser steigt von 30 Euro pro Tonne ab Juli 2022 auf 55 Euro pro Tonne im Jahr 2025. Ab 2026 soll sich der Preis dann über ein Emissionshandelssystem bemessen.

Fazit: CO₂-Verwertung zur Einsparung und Rückgewinnung

Innovative Technologien fördern die Wettbewerbsfähigkeit und eröffnen neue Marktchancen. Unternehmen, die Prozesslösungen zur Abscheidung und Verwertung von CO₂ einsetzen, werden durch die Reduktion von CO₂-Emissionen Kosten einsparen und mit marktfähigen Produkten Gewinne erzielen.

Angesichts steigender CO₂-Steuern ist davon auszugehen, dass sich der ROI (Return on Investment, Anlagenrentabilität) eher früher als später einstellen wird. Darüber hinaus bilden Prozesslösungen wie diese die Grundlage für erschwingliche, rentable und umweltfreundliche Lösungen für die kommenden Generationen.