Die Wertschöpfungskette von CCUS

Die CO₂-Abscheidung spielt in verschiedenen industriellen Prozessen eine entscheidende Rolle. Technologien zur Abtrennung oder Abscheidung von CO₂ aus Rauchgasströmen sind seit vielen Jahrzehnten kommerziell verfügbar. Die fortschrittlichsten und am weitesten verbreiteten Verfahren sind die chemische Absorption und die physikalische Trennung.

Das CO₂ wird aus dem Ausgangsstrom mit Hilfe geeigneter Technologien abgetrennt, z. B. mit chemischen Lösungsmitteln oder Membranen, je nach Art des Stroms. Es wird auch von anderen Gasen oder der Luft abgetrennt, was auch als Direct Air Capture bezeichnet wird, oder von einer konzentrierten Quelle. Je nach Produktionsquelle weist das CO₂ unterschiedliche Eigenschaften auf, die in folgende Kategorien eingeteilt werden können:

• Produktion von CO₂-Strömen mit hohem Reinheitsgrad (z. B. aus Bioethanol- oder Bierproduktionsprozessen), die direkt einen Ausgangsstrom mit einem CO₂-Reinheitsgrad von 96–100 % erzeugen
• CO₂-Ströme mittlerer Reinheit (z. B. aus der Eisen- und Stahlindustrie oder der Zementherstellung), die direkt einen Ausgangsstrom von 20–50% erzeugen. CO₂ aus der Wasserstofferzeugung aus Synthesegas oder aus Raffinerieprozessen liegt im Reinheitsbereich von 30–45%
• CO₂-Ströme mit niedrigem Reinheitsgrad (z. B. aus Papier- und Zellstoff- oder Glasherstellungsprozessen), die direkt einen Ausgangsstrom von < 20% erzeugen. In Raffinerien erzeugen Prozesswärme und FCC-Anlagen CO₂-Ströme mit niedrigem Reinheitsgrad (3–20%)

Die CO₂-Abscheidung spielt in verschiedenen industriellen Prozessen eine entscheidende Rolle. Technologien zur Abtrennung oder Abscheidung von CO₂ aus Rauchgasströmen sind seit vielen Jahrzehnten kommerziell verfügbar. Die fortschrittlichsten und am weitesten verbreiteten Verfahren sind die chemische Absorption und die physikalische Trennung.

Das CO₂ wird aus dem Ausgangsstrom mit Hilfe geeigneter Technologien abgetrennt, z. B. mit chemischen Lösungsmitteln oder Membranen, je nach Art des Stroms. Es wird auch von anderen Gasen oder der Luft abgetrennt, was auch als Direct Air Capture bezeichnet wird, oder von einer konzentrierten Quelle. Je nach Produktionsquelle weist das CO₂ unterschiedliche Eigenschaften auf, die in folgende Kategorien eingeteilt werden können:

• Produktion von CO₂-Strömen mit hohem Reinheitsgrad (z. B. aus Bioethanol- oder Bierproduktionsprozessen), die direkt einen Ausgangsstrom mit einem CO₂-Reinheitsgrad von 96–100 % erzeugen
• CO₂-Ströme mittlerer Reinheit (z. B. aus der Eisen- und Stahlindustrie oder der Zementherstellung), die direkt einen Ausgangsstrom von 20–50% erzeugen. CO₂ aus der Wasserstofferzeugung aus Synthesegas oder aus Raffinerieprozessen liegt im Reinheitsbereich von 30–45%
• CO₂-Ströme mit niedrigem Reinheitsgrad (z. B. aus Papier- und Zellstoff- oder Glasherstellungsprozessen), die direkt einen Ausgangsstrom von < 20% erzeugen. In Raffinerien erzeugen Prozesswärme und FCC-Anlagen CO₂-Ströme mit niedrigem Reinheitsgrad (3–20%)

Für eine effiziente Speicherung und Wiederverwendung des abgeschiedenen CO₂ sind Reinigungs- und Verflüssigungsprozesse von Vorteil. Der Reinigungsschritt umfasst einen Reinigungsprozess, um hochreine CO₂-Ströme zu erhalten. Der Verflüssigungsprozess umfasst mehrere Kompressions- und Kühlstufen. Als Ergebnis liegt das CO₂ als gekühlte Flüssigkeit vor (jetzt auch als verflüssigtes CO₂ / LCO₂ bezeichnet) und kann nun leicht in einen Lagertank umgefüllt werden.

Die Verfügbarkeit einer Infrastruktur für den sicheren und zuverlässigen Transport von LCO₂ ist für den Einsatz von CCUS unerlässlich. Die gängigsten Optionen für den Transport von CO₂ in großem Maßstab sind Onshore-/Offshore-Pipelines und Schiffe. Für kurze Entfernungen und kleine Mengen kann es auch per LKW oder Bahn transportiert werden, allerdings zu höheren Kosten pro Tonne CO₂.

Der Transport über Pipelines wird seit vielen Jahren praktiziert und ist bereits in großem Umfang im Einsatz. Während LCO₂ derzeit in kleinen Mengen für die Verwendung in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie per Lkw oder Schiff transportiert wird, hat man mit dem Transport von LCO₂ per Schiff in großem Maßstab noch nicht viel Erfahrung, aber es scheint Ähnlichkeiten mit der Verschiffung von Flüssiggas (LPG) und Flüssigerdgas (LNG) zu haben.

Biogenes, verflüssigtes CO₂ kann in vielen Bereichen eingesetzt werden. Wir haben 3 potenzielle Anwendungen ausgewählt.

Lebensmittel und Getränke
Die weltweite Lebensmittel- und Getränkeindustrie verbraucht jährlich etwa 11 Mio. Tonnen CO₂. Dies ist eine der bekanntesten und häufigsten Endanwendungen von LCO₂. 

Einige Anwendungen sind Erfrischungsgetränke, Wasser, Bier-Karbonisieren oder die Herstellung von sauerstofffreiem Wasser. Diese Industrien erfordern eine sehr hohe CO₂-Reinheit.

Gewächshäuser

Bei dieser Anwendung wird CO₂ in einem System zur künstlichen Lufterneuerung verwendet. Das CO₂ kann dazu beitragen, die Wachstumsrate der Pflanzen um 15 bis 40% zu steigern. Der CO₂-Verbrauch hängt von der Art der Pflanzen und von der Beleuchtungssteuerung ab.

Eine weitere wichtige Anwendung in der Landwirtschaft ist die Schädlingsbekämpfung, wo CO₂ als Alternative zu Produkten wie Methylbromid, Phosphin und Insektiziden gilt. Es hat den Vorteil, dass es nach der Behandlung keine Rückstände hinterlässt. Die Begasungswirkung von Kohlendioxid ermöglicht eine Behandlung nach der Ernte, insbesondere im ökologischen Landbau, wodurch die Lebensmittelsicherheit erhöht und Produktionsrückstände verringert werden.

Düngemittel

Die industrielle Produktion von Düngemitteln in der EU-27 belief sich im Jahr 2019 auf 18.100 kt. Etwa 72% dieser Produktion entfallen auf stickstoffhaltige Düngemittel, zu denen Harnstoff und Ammoniumnitrat gehören.

Um den gesamten Kohlenstoff-Fußabdruck der globalen Biomasseproduktion zu minimieren, ist eine effiziente Flächennutzung durch die Einführung moderner und nachhaltigerer landwirtschaftlicher Praktiken entscheidend.

Harnstoff ist eines der bekanntesten chemischen Produkte. Er kann als chemisches Düngemittel in Harnstoffharzen, Harnstoff-Melaminharzen und als Futtermittelzusatz verwendet werden. Das gängigste Verfahren zur Herstellung von Harnstoff ist die Reformierung von Erdgas, wobei Kohlendioxid und Ammoniak entstehen. Im Vergleich zur Nitratproduktion emittiert Harnstoff weniger CO₂, aber bei der Ausbringung kehrt sich die Situation um, da Harnstoff das in seinem Molekül enthaltene CO₂ freisetzt. Harnstoff setzt auch oft mehr N₂O frei. Daher ist der Kohlenstoff-Fußabdruck im Lebenszyklus von Harnstoff höher als der von Nitraten. Da bei der Harnstoffproduktion CO₂ verbraucht wird, stellt biogenes LCO₂ eine umweltfreundliche Alternative dar.

LCO₂ wird gespeichert, indem das abgeschiedene LCO₂ in ein tiefes unterirdisches geologisches Reservoir aus porösem Gestein eingeleitet wird. Diese Reservoirs sind durch eine undurchlässige Gesteinsschicht versiegelt, die eine Migration nach oben oder ein Entweichen in die Atmosphäre verhindert. Für die CO₂- Speicherung eignen sich verschiedene Arten von Lagerstätten, wobei tiefe salzhaltige Formationen und erschöpfte Öl- und Gaslagerstätten die größte Kapazität aufweisen. Diese Formationen bestehen aus porösen und durchlässigen Gesteinsschichten, die mit Salzwasser (Sole) gesättigt sind, und befinden sich sowohl in Onshore- als auch in Offshore-Sedimentbecken. Erschöpfte Erdöl- und Erdgaslagerstätten sind poröse Gesteinsformationen, in denen Erdöl oder Erdgas über Millionen von Jahren eingeschlossen war, bevor es extrahiert wurde.

Das injizierte LCO₂ füllt den Porenraum der Lagerstätte. In der Regel wird das Gas zunächst komprimiert, um seine Dichte zu erhöhen. Die Lagerstätte muss sich in einer Tiefe von mehr als 800 Metern befinden, damit das CO₂ in einem dichten, flüssigen Zustand verbleibt. Das LCO₂ wird durch mehrere Mechanismen dauerhaft in der Lagerstätte eingeschlossen:

• struktureller Einschluss durch die Abdichtung
• Löslichkeitseinschluss, bei dem sich das CO₂ im Salzwasser auflöst
• Residualeinschluss, bei dem das CO₂ in den Porenräumen zwischen den Gesteinen eingeschlossen bleibt
• Mineralieneinschluss, bei dem das CO₂ mit den Gesteinen der Lagerstätte reagiert und Karbonat Minerale bildet (Mineralisierung)

Der Einfangmechanismus hängt von der Lebensdauer des Standorts und den geologischen Bedingungen ab. Die jahrzehntelange Erfahrung mit der LCO₂-Injektion und -Speicherung trägt dazu bei, die Eigenschaften besser zu verstehen und die richtige Einschlussmethode zu wählen.

Es ist auch möglich, CO₂ in Basalten (Eruptivgestein) zu speichern, die hohen Konzentrationen reaktiver Chemikalien aufweisen. Diese Methode befindet sich jedoch noch in einem frühen Stadium der Entwicklung. Das eingeleitete CO₂ reagiert mit den chemischen Komponenten und bildet stabile Mineralien, in denen das CO₂ eingeschlossen wird.

Es wird davon ausgegangen, dass die weltweiten CO₂-Speicherressourcen den voraussichtlichen künftigen Bedarf bei weitem übersteigen. Dennoch sind in vielen Regionen noch erhebliche Bewertungsarbeiten erforderlich, um die theoretische Speicherkapazität in eine effektive Speicherung umzuwandeln.