CO₂-Elektrolyse: Technisch-wirtschaftliche Analyse der Technologie und marktfähiger CO₂-Produkte

Die elektrochemische CO₂-Reduktion stellt einen vielversprechenden Weg dar, um CO₂ als Rohstoff für Chemikalien und Kraftstoffe nutzbar zu machen. In diesem Artikel gehen wir auf die technisch-wirtschaftlichen Aspekte der CO₂-Elektrolyse ein und beleuchten die Rentabilität einiger Reaktionsprodukte in verschiedenen Szenarien.

Bewertungskriterien der CO₂-Elektrolyse

Für die Bewertung von CO₂-Konversionstechnologien werden in der einschlägigen Literatur verschiedene Kriterien herangezogen. Auf Basis dieser Indikatoren geben wir im Folgenden einen Überblick zur technischen, energetischen und wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit der elektrochemischen CO₂-Reduktion (eCO₂R):

• Stand der Technik
• Energieleistung
• CO₂-Nutzung
• Nachhaltigkeit
• Investitionskosten (CAPEX)
• Betriebskosten (OPEX) 

Stand der Technik und Energieleistung 

Die elektrochemische CO₂-Reduktion ist eine der einfachsten und technisch ausgereiftesten Technologien zur Umwandlung von CO₂ zu Wertprodukten:

• Der technologische Reifegrad (TRL) für C1 Produkte liegt bei 4-8 (Ameisensäure, Synthesegas), für C2+ Produkte bei 1-3.²
• Elektrochemische Umwandlungssysteme sind über Elektrolyseparameter gezielt kontrollierbar, einfach in der Handhabung und skalierbar.
• Das umweltschonende Verfahren nutzt Wasser als Wasserstoffquelle und lässt sich unter milden Bedingungen nahe Raumtemperatur und Umgebungsdruck durchführen.
• Entscheidende Vorteile bietet die Technologie durch ihre hohe Effizienz bei moderaten Prozesstemperaturen und die Möglichkeit, erneuerbare Energiequellen direkt für die CO₂-Konvertierung zu nutzen.

Im Vergleich zu alternativen Konversionstechnologien verzeichnen CO₂-Elektrolyse Systeme einen niedrigen Energiebedarf und arbeiten hocheffizient. Darüber hinaus können CO₂-Produkte als Kraftstoffe oder zur Energiespeicherung (z.B. Ameisensäure-Brennstoffzelle) genutzt werden.

CO₂-Nutzung und rentable Produkte

CO2 lässt sich über elektrochemische Reaktionen zu einfachen Verbindungen, beispielsweise Ameisensäure, CO, Methanol, Propanol oder auch Ethanol und Ethylen umsetzen. Für diese CO₂-Elektrolyse Produkte besteht grundsätzlich ein hohes Marktpotenzial, wobei sich Ameisensäure (HCOOH) und ihre Salze (Formiate) sowie Kohlenmonoxid (CO) als die wirtschaftlich sinnvollsten Produkte herauskristallisiert haben.

1. Marktpreis 

Ausgehend von den normalisierten Marktpreisen (gespeicherte Energie und Marktgröße) sind CO und Ameisensäure die rentabelsten Produkte. Die Normalisierung auf die Anzahl der benötigten Elektronen zur Herstellung der Produkte berücksichtigt die Stromkosten für die Herstellung eines Produkts. 

Der Markt für diese beiden Produkte ist zwar begrenzt, die Möglichkeit der Umwandlung von CO und Ameisensäure in wertvollere Produkte macht sie jedoch zu einem attraktiven Zielprodukt.

Diese Einschätzung basiert auf verschiedenen Analysen, auf welche wir bereits in unserem Artikel zum Marktpotenzial von CO₂-basierten Produkten eingegangen sind.³  

2. Selektivität und Prozessparameter

Abbildung 1: Faraday-Wirkungsgrad und Selektivität der Reduktion von CO₂, Eigendarstellung

3. CO bietet weitere Vorteile für die CO₂-Elektrolyse

Kohlenmonoxid ist derzeit das vielversprechendste Produkt zur CO₂-Reduzierung, ausfolgenden Gründen:

• CO ist bei Umgebungsdruck gasförmig.
• Es ist von wässrigen Elektrolyten abtrennbar.
• Es ist mit Ag-Katalysatoren selektiv herstellbar.
• CO ist ein wichtiges chemisches Edukt, welches in der heutigen chemischen Industrie weit verbreitet ist.
• CO kann mit Hilfe etablierter Fischer-Tropsch-Verfahren in synthetische Kraftstoffe und Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden.

CAPEX & OPEX: Detailanalyse für verschiedene CO₂-Produkte

Um einen langfristigen Überblick zu erhalten, haben wir verschiedene technisch-wirtschaftliche Ergebnisse der CO₂-Elektrolyse aus der Literatur für verschiedene Produkte und verschiedene Prozessannahmen analysiert. Besonders aussagekräftig sind die Ergebnisse nachfolgender Analyse, die für verschiedene Umwandlungsprodukte die Prozesskosten einschließlich Materialverbrauch, Kapital- und Stromkosten untersucht.⁴

1. Prozess-Annahmen für das CO₂-Elektrolyse Modell

Tabelle 1: Prozess-Annahmen CO₂ Elektrolyseur Modell, adaptiert nach ⁴

• Produktionsrate: Die Produktionsrate von 100 Tonnen pro Tag entspricht einer Produktion in großem Maßstab. Die Kapitalkosten sind günstiger und die Unterschiede zwischen den Produkten besser erkennbar, während der Leistungsbedarf des Elektrolysesystems in der Größenordnung der größten kommerziellen Systeme (∼100 MW) liegt.
• Lebensdauer und Betriebszeit: Die Lebensdauer des Elektrolysesystems wurde mit 20 Jahren angenommen, wobei zwei Wochen pro Jahr für Wartungsarbeiten vorgesehen sind.
• Strompreis: Der Strompreis von 0,05 $/kWh für das Basis Szenario entspricht dem günstigsten verfügbaren Strompreis zum Zeitpunkt der Analyse (2018). Unter der Prämisse, dass erneuerbare Energiequellen billiger werden, wurde im optimistischen Szenario ein Strompreis von 0,03 $/kWh gewählt.
• Stromdichte/Zellspannung: Die Gesamtstromdichte des Elektrolyseurs von 200 mA/cm² wurde in zahlreichen Laborreaktoren bei etwa 2,3 V nachgewiesen. Für den optimistischen Fall wurde eine Stromdichte von 300 mA/cm² bei einer Zellspannung von 2 V angenommen, was in den Bereich kommerzieller Wasserelektrolyseure fällt.
• Produktselektivität: Für zahlreiche CO₂-Reduktionsprodukte wurden Faradaysche-Wirkungsgrade von 90 % nachgewiesen (z.B. CO, Ameisensäure, Methanol).
• Umwandlung: Für die Analyse wurde ein Basisreaktorumsatz von 50 % gewählt, wobei davon ausgegangen wurde, dass eine hohe Selektivität bei diesem Umsatz erreicht werden kann. Ein verbessertes Elektrolyseur-Design könnte die CO₂-Konvertierung potenziell auf weit über 50 % steigern.
• Kapitalwert: Im Finanzmodell der Analyse wurde der Kapitalwert (net present value, NPV) der Anlage am Ende der Lebensdauer berechnet. Es wurde angenommen, dass der Bau der Anlage im ersten Jahr abgeschlossen wird und die Produktion im zweiten Jahr beginnt. Das Betriebskapital wurde mit 5 % der Kapitalinvestition angenommen sowie ein effektiver Gesamtsteuersatz von 38,9 %. Der Gewinn wurde berechnet als das Einkommen aus Produktverkauf abzüglich der jährlichen Betriebskosten der Anlage. 

2. Kapitalwert

Die Analyse des Kapitalwerts (NPV) für die wichtigsten Produkte zeigt, dass unter den Bedingungen des Basis Szenarios CO und Ameisensäure die einzigen rentablen Produkte für das CO₂-Elektrolyse System wären. Dies liegt daran, dass CO und Ameisensäure den höchsten Marktwert pro Elektron aufweisen. Für die Rentabilität von Alkoholen ist eine verbesserte katalytische Leistung notwendig.

Abbildung 2: Kapitalwerte verschiedener Chemikalien am Ende des Lebenszyklus, die durch eCO₂R unter Basis- und optimistischen Bedingungen hergestellt wurden. „X“ bedeutet, dass der Kapitalwert nicht berechnet wurde, da der jährliche Nettoertrag negativ und damit die Produktion unrentabel wäre. Adaptiert nach ⁴

3. Investitions- und Betriebskosten 

In der detaillierten Aufschlüsselung der Prozesskosten für jedes Produkt wird deutlich, dass Ameisensäure und CO den geringsten Strombedarf pro kg des Produkts verzeichnen, wodurch sich die Stromkosten und Größe des Elektrolyseurs reduzieren. Im Vergleich dazu wird beispielsweise die geringe Rentabilität von Ethylen durch den hohen Stromverbrauch und hohen Bedarf an CO₂-Rohstoffen verursacht. 

Abbildung 3: Investitions- und Betriebskosten zur Herstellung verschiedener Chemikalien unter optimistischen Bedingungen. Adaptiert nach ⁴

Die Kosten für die Anlagenbilanz (Balance of Plant, BoP) wurde mit 35 % der Gesamtkosten des Elektrolyse-Systems angenommen. Die BoP umfasst alle unterstützenden Komponenten und Hilfssysteme des CO₂-Elektrolyse Systems. 

Anzumerken ist auch, dass die Destillations- und PSA-Systeme zur Auftrennung von flüssigen bzw. gasförmigen Produkten zwar ähnliche Investitionsanforderungen aufweisen, die Druckwechsel-Adsorption (PSA) jedoch deutlich niedrigere Betriebskosten hat. Obwohl PSA das günstigere Verfahren darstellt, würde voraussichtlich die zusätzlich erforderliche Kompression der Gasprodukte für Transport und Lagerung die Kosten erheblich in die Höhe treiben. 

4. Sensitivitätsanalyse: Einfluss von Parametern auf den Kapitalwert

Tabelle 2: Wertebereich für die Sensitivitätsanalyse des Kapitalwerts. Adaptiert nach ⁴

Die wichtigsten Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse zeigen folgendes Bild:

• Bei allen Produkten hatte eine Abweichung des Verkaufspreises von 15 % eine erhebliche Auswirkung auf den Kapitalwert am Ende der Lebensdauer. CO, n Propanol und Ameisensäure blieben jedoch trotz sinkender Verkaufspreise profitabel.
• Weiters stellt Strom bei allen Produkten, mit Ausnahme von CO und Ameisensäure, die wichtigsten Betriebskosten dar, wodurch eine starke wirtschaftliche Abhängigkeit vom Strompreis besteht.
• Bei allen übrigen Parametern ist ersichtlich, dass CO und Ameisensäure im Vergleich zu anderen Produkten eine deutlich geringere Sensitivität aufweisen. Ethylen ist zum Beispiel stark abhängig von der Stromdichte: Eine Verringerung auf 100 mA/cm² würde zu einer Verringerung des Kapitalwerts um 42 Mio. $ führen, während eine Erhöhung auf 500 mA/cm² nur zusätzliche 8 Mio. $ einbringen würde.
• Aus wirtschaftlich-technischer Sicht stellen Kohlenmonoxid und Ameisensäure die aussichtsreichsten Kandidaten für die großtechnische Herstellung von Chemikalien dar. 

Abbildung 4: Sensitivitätsanalyse des Kapitalwerts unter optimistischen Bedingungen am Ende des Lebenszyklus für Produkte aus der CO₂-Konversion (vgl. Abb. 2). Die Mittellinie repräsentiert den Kapitalwert auf Grundlage der Basis-Sensitivitätsparameter. Die dunkelblauen Balken zeigen die Auswirkungen der Parameter auf den Kapitalwert im „besseren“ Szenario, die hellblauen Balken die Auswirkungen im „schlechteren“ Szenario (vgl. Tab.2). Adaptiert nach ⁴

Wohin geht der internationale Trend?

Die elektrochemische CO₂-Reduktion ist eine aufstrebende Technologie, die in Zukunft mit hoher Wahrscheinlichkeit sowohl zur Energiespeicherung als auch zur Versorgung mit Basischemikalien beitragen wird.¹ Vor allem die Reduktion von CO₂ zu CO mit nachfolgenden Prozessen zur Herstellung von weiteren Mehrwertprodukten, beispielsweise Fischer-Tropsch-Verfahren, kann ein profitabler Weg sein.

Um das „Valley of Death“ zu überbrücken und die wirtschaftliche Zukunft dieser Verfahren zu ermöglichen, muss sich der Schwerpunkt der Forschung auf großtechnisch einsetzbare und erschwingliche Materialien verlagern. Eine enge und interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie ist erforderlich, um den technologischen Fortschritt auf dem Gebiet der CO₂-Elektrolyse zu gewährleisten. 

Auch die Produktabtrennung ist ein komplexes und kostenintensives Verfahren, weshalb es wünschenswert ist, hochkonzentrierte Einzelprodukte zu erhalten. Im Falle von CO und Ameisensäure kann dieses Kriterium bereits im großen Maßstab erfüllt werden. 

GIG Karasek sucht Kooperationspartner

Die Zukunft gestalten kann niemand alleine. Deshalb sucht GIG Karasek Partner aus Forschung und Industrie, um die Leistungsfähigkeit der CO₂-Umwandlungstechnologie in größerem Maßstab zu demonstrieren.

• Mit Forschungskooperationen und Pilot-Anlagen wollen wir den technologischen Fortschritt und die Markteinführung der CO₂-Elektrolyse beschleunigen.
• GIG Karasek ist als im Anlagen- und Apparatebau tätiges Unternehmen in der Lage, Forschungsergebnisse zu „übersetzen“ und im industriellen Maßstab zu realisieren.
• Als Spezialist im Bereich der thermischen Trenntechnik bringen wir das erforderliche Know-how mit, um CO₂-Konversionsprodukte in hoher Qualität und Konzentration herzustellen.

Wir übernehmen die gesamte Projektabwicklung, unterstützen im operativen Bereich und sorgen für den Kompetenzaufbau der Mitarbeiter. GIG Karasek bietet damit Wertschöpfung über die gesamte Lebensdauer der Anlage.

Abbildung 5: Exemplarischer Projektablauf für Forschungskooperationen und Pilot-Anlagenprojekte, © GIG Karasek.

Fazit: CO₂-Elektrolyse

Einfache Produkte wie CO und Ameisensäure sind unter den derzeitigen wirtschaftlichen Bedingungen und auf Grundlage des aktuellen Stands der Technik bei Elektrokatalysatoren am rentabelsten. Um die industrielle Anwendung der CO₂-Elektrolyse zur Marktreife zu bringen, sind jedoch weitere Forschungs- und Pilotprojekte in einem realen industriellen Umfeld erforderlich. 

¹ Mohammad Rezaei, M. B. A. (2023). CO2 Verwertung: Methoden & Herausforderungen. Gigkarasek.com. Abgerufen 22. Februar 2023, von https://www.gigkarasek.com/de-at/blog/co2-verwertung-methoden-herausforderungen

² Nishikawa, E. (2022). CO₂ conversion & utilization pathways: Techno-economic insights. PreScouter. Abgerufen 22. Februar 2023, https://www.prescouter.com/2022/04/co2-conversion-utilization-pathways/

³ Mohammad Rezaei, M. B. A. (2022). CO₂ Verwertung: 5 Gründe, warum sich Unternehmen jetzt beteiligen sollten. Gigkarasek.com. Abgerufen 22. Februar 2023, von https://www.gigkarasek.com/de-at/blog/co2-verwertung-0

⁴ Jouny, M., Luc, W., & Jiao, F. (2018). General techno-economic analysis of CO₂ electrolysis systems. Industrial & Engineering Chemistry Research, 57(6), 2165–2177. American Chemical Society. General Techno-Economic Analysis of CO2 Electrolysis Systems | Industrial & Engineering Chemistry Research (acs.org)