Klimaneutrale Industrie – was kann Carbon Capture dazu beitragen?

Um Treibhausgasemissionen in Zukunft zu verringern und Klimaschutzziele einzuhalten, wird immer häufiger Carbon Capture, also die Abscheidung von CO₂, diskutiert. Gerade der Industriesektor, wo Emissionen oft nur sehr schwer zu reduzieren sind, setzt große Hoffnung in Carbon Capture, Transport, Utilisation and Storage (deutsch: Abscheidung, Transport, Nutzung und Speicherung von CO₂, kurz CCTUS), um CO₂-Emissionen in die Atmosphäre zukünftig zu verringern bzw. ganz zu vermeiden. Das hört sich erst mal sehr schön und klimafreundlich an, ist allerdings mit enormen Kosten und Unsicherheiten verbunden. In diesem Artikel will ich darauf eingehen, was im Detail hinter dem Kürzel CCTUS steckt und welches Potential es tatsächlich für die Industrie birgt.

CCTUS – Was ist das überhaupt und welche Rolle spielt es im Klimaschutz?

CCTUS steht für Carbon Capture, Transport, Utilisation and Storage, also auf Deutsch: Abscheidung, Transport, Nutzung und Speicherung von CO₂. Vermutlich hast du schon mal von CCTS (kurz für Carbon Capture, Transport and Storage; deutsch: Abscheidung, Transport und Speicherung von CO₂) oder CCTU (kurz für Carbon Capture, Transport and Utilisation; deutsch: Abscheidung, Transport und Nutzung von CO₂) gehört. CCTUS ist quasi die Kombination aus diesen beiden Konzepten. Das heißt, das abgeschiedene CO₂ wird nach dem Transport entweder für die Produktion weiterer Produkte genutzt oder für (hoffentlich) immer unter der Erde gespeichert. Was da genau dahinter steckt, erfährst du in den Kapiteln weiter unten. Unter Umständen kann zu einem späteren Zeitpunkt das gespeicherte CO₂ für die Herstellung von Produkten wieder entnommen werden. Die einzelnen Prozessschritte einer CCTUS-Kette zeigt zusammengefasst die folgende Abbildung:

CCTUS ist nicht ganz unumstritten, allerdings könnte darin ein großes Potential stecken, zukünftig CO₂-Emissionen zu verringern. Die Europäische Union zum Beispiel betrachtet die CO₂-Nutzung und Speicherung als einen notwendigen Teil ihrer Green-Deal-Strategie, um bis 2050 klimaneutral zu werden [3]. Und auch die Internationale Energieagentur (IEA) sieht in CCTUS einen wichtigen Beitrag für eine klimaneutrale Welt und setzt große Hoffnungen in die CO₂-Abscheidung, insbesondere im Industriesektor [4]. Was den Industriesektor betrifft, hält es sogar der Weltklimarat (IPCC) für unwahrscheinlich, dass das 1,5°C-Ziel allein durch Effizienzverbesserungen erreicht werden kann, und geht daher davon aus, dass eine Kombination von Technologien – einschließlich CCTUS – erforderlich ist, um die gesteckten Klimaziele zu erreichen [5].

Das verlorene Jahrzehnt

Bereits 2005 veröffentlichte der IPCC einen Sonderbericht über CO₂-Abscheidung und Speicherung, woraufhin eine rege Diskussion folgte [6]. Martin-Roberts et al. (2021) beschreiben die darauffolgende Zeit als „Euphorie” [7], insbesondere als 2010 das sehr CCTS-optimistische Blue Map Szenario der IEA [8] veröffentlicht wurde. Darauf folgte allerdings eine Phase der Ernüchterung, in der nur sehr geringe Fortschritte bei CCTS-Anlagen und Projekten zu beobachten waren [7]. Die Hauptgründe für dieses “verlorene Jahrzehnt” liegen unter anderem im breiten gesellschaftlichen Widerstand, den unterschätzten Kosten sowie der Vernachlässigung des Aufwandes von CO₂-Transport und Speicherung [1].

Im Jahr 2011 befanden sich fast alle der bis dahin entwickelten Abscheidungstechnologien in der Pilotphase, keine der Technologien wurde zu diesem Zeitpunkt in irgendeiner Branche kommerziell genutzt [9]. Bis 2020 hat sich an dieser Situation kaum etwas geändert, die meisten Technologien zur CO₂-Abscheidung befinden sich nach wie vor in der Prototyp- und Demonstrationsphase [10]. In den letzten zehn Jahren wurden in Europa zwar mehr als 30 Projekte im Industrie- und Stromsektor angekündigt, keines davon wurde bis 2021 allerdings realisiert [11]. Im Jahr 2022 waren weltweit schließlich insgesamt 35 CCTUS-Anlagen in Betrieb, zwölf im Bau und weitere 247 sind angekündigt. Ankündigungen gibt es also bereits zahlreiche, ob all diese Projekte auch jemals realisiert und kommerziell betrieben werden können, bleibt hingegen fraglich. Die Vergangenheit hat jedenfalls gezeigt, dass viele Ankündigungen und eine große Euphorie alleine nicht unbedingt Erfolg versprechen.

Wie kann CO₂ eigentlich transportiert werden?

Wenn es um eine CCTUS-Infrastruktur geht, spielt der Transport von CO₂-Quellen (also der Industrie) zu den Senken (Speicherstätten oder Industriestandorte für die Nutzung) eine wesentliche Rolle. CO₂ kann grundsätzlich per Pipeline, Schiff, Zug und LKW transportiert werden [2][12][13][14]. Die Wahl des am besten geeigneten Transportmittels hängt hauptsächlich von Faktoren wie der Menge, der Entfernung und der geografischer Lage der jeweiligen Standorte ab [2][6][14]. In den meisten Fällen aber wird die Pipeline als die wirtschaftlich günstigste Option für den CO₂-Transport angesehen, insbesondere bei großen Mengen und großen Entfernungen [2][15][16][17][18]. CO₂-Pipelines sind heutzutage bereits auf der ganzen Welt zu finden. Mit einer Länge von 352 km war die 1970 gebaute Canyon Reef Carriers in den USA die erste groß angelegte CO₂-Pipeline [6]. Inzwischen umfasst das CO₂-Pipelinenetz in Nordamerika mehr als 8.000 km und transportiert 70 Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr, das vor allem für die tertiäre Ölgewinnung (Enhanced Oil Recovery – EOR) verwendet wird, um damit die Ausbeute der Erdölförderung zu erhöhen [2]. Die CO₂-Pipelinenetze in Europa sind mit etwa 300 km in Frankreich, den Niederlanden und Norwegen viel kleiner [19]. Auch in Deutschland könnte bald ein CO₂-Pipelinenetz entstehen. Der Übertragungsnetzbetreiber Open Grid Europe (OGE) hat erst kürzlich angekündigt, ein CO₂-Pipelinenetz in Deutschland bauen zu wollen. In einer ersten Ausbaustufe soll es rund 1.000 km umfassen und jährlich etwa 18 Millionen Tonnen CO₂ von Zement- und Kalkfabriken zu Standorten der chemischen Industrie für die weitere Nutzung transportieren. In Betrieb gehen soll die Pipeline schließlich im Jahr 2028.

Um CCTUS im großen Maßstab zu etablieren, müsste global gesehen ein riesiges CO₂-Pipelinenetz gebaut werden. Peletiri et al. (2018) gehen davon aus, dass im Jahr 2050 weltweit Pipelines mit einer Länge von 200.000 km benötigt würden, um damit insgesamt 10 Gt pro Jahr (zum Vergleich: 2021 wurden weltweit etwa 36 Gt CO₂ in die Atmosphäre emittiert) von den Quellen zu den Senken zu transportieren [19]. Um kleine Mengen CO₂ über kurze Distanzen zu transportieren, kann auch der Straßentransport eine Rolle spielen und sogar die kostengünstigere Option für den CO₂-Transport sein [16]. Ein bedeutender Unterschied im Vergleich zum Pipelinetransport ist hier jedoch die Notwendigkeit der Verflüssigung und der anschließenden Zwischenlagerung von CO₂. Das ist notwendig, da der Transport in gasförmigem Zustand aufgrund der geringen Dichte viel zu teuer wäre [20].

Utilisation: CO₂ kann auch recycelt werden

Das U in CCTUS steht für Utilisation, also die Nutzung von CO₂. CO₂ dient dabei als Rohstoff und wird für die Herstellung von Produkten, vorwiegend Chemikalien, verwendet. Schon heute gibt es einen – wenn auch noch eher überschaubaren – Markt für die Nutzung von abgeschiedenem CO₂. Weltweit werden 230 Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr (etwa 0,6 % der jährlichen globalen CO₂-Emissionen) in verschiedenen Industrien genutzt, der größte Teil davon für die Harnstoffproduktion (130 Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr), gefolgt von der Nutzung für EOR zur Erdölgewinnung mit 70-80 Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr [21]. Nachhaltig ist letzteres jedoch nicht, da durch diese „Nutzung“ Erdöl gewonnen wird, welches bei der Verbrennung zu weiteren CO₂ Emissionen führt. CO₂ kann aber auch für die Umwandlung von Wasserstoff zur Herstellung von CO₂-basierten Kraftstoffen verwendet werden. Für die Herstellung von Wasserstoff wird allerdings sehr viel Energie benötigt [21] . Umweltfreundlich kann dieses Verfahren daher erst sein, wenn es sich um grünen, d.h. aus erneuerbaren Quellen erzeugter, Wasserstoff handelt. Allerdings werden auch CO₂-basierte Kraftstoffe bei ihrer Verbrennung CO₂ wieder in die Atmosphäre abgeben. Dadurch wird CO₂ zwar recycelt und bekommt ein zweites Leben, am Ende des Tages gelangt es aber doch in die Atmosphäre und treibt die Klimakrise weiter voran.  

Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, abgeschiedenes CO₂ zu nutzen – die direkte Nutzung oder durch eine nachgelagerte CO₂-Umwandlung:

Die direkte Nutzung umfasst EOR, die Getränkeherstellung (Kohlensäure) und die Verwendung in Gewächshäusern für optimale Bedingungen für Pflanzen. In diesen Fällen kann CO₂ ohne weitere Verarbeitung verwendet werden [22]. Auf die zukünftige Nutzung von CO₂ durch eine Umwandlung hingegen setzt vor allem die Industrie, um ihre Emissionen in die Atmosphäre reduzieren zu können [23]. Schmid und Hahn (2021) analysierten das theoretische Potenzial der CO₂-Nutzung für Deutschland bis 2030 und schätzen eine Gesamtmenge von 262 bis 423 Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr (das entspräche mehr als die jährlichen Industrieemissionen in Deutschland), wobei der größte Teil (75-80 %) auf die Produktion synthetischer Energieträger fällt. Der Rest fällt unter anderem auf die Herstellung von Massenchemikalien [24]. Diese enormen Mengen an einer CO₂-Nachfrage stellen jedoch nur ein theoretisches Potential dar und würden vollständige Prozessänderungen in den jeweiligen Industrien erfordern, was wiederum mit viel Zeit und hohen Kosten verbunden ist.

Geologische Speicherung von CO₂

Im Vergleich zur CO₂-Nutzung ist die CO₂-Speicherung bisher weitaus besser erforscht. CCTS gibt es bereits seit 1972, als CO₂ zum ersten Mal in einen unterirdischen Speicher gepresst wurde [25]. CO₂-Speicherstätten können theoretisch sowohl an Land als auch an der Küste liegen, zum Beispiel in salinen Aquiferen oder erschöpften Öl- und Gasfeldern [14]. In Deutschland wie in Österreich gibt es derzeit allerdings keine Möglichkeit, geologisch CO₂ legal zu speichern. Die geologische Speicherung ist lediglich zu Forschungs- und Versuchszwecken erlaubt, wie etwa in einem Pilotprojekt in Ketzin, Deutschland. Trotz Interesses, insbesondere der Industrie, an einer dauerhaften Speicherung von großen CO₂-Mengen gibt es derzeit keine weiteren Gesetzesentwürfe, die eine unterirdische Speicherung von CO₂ zu kommerziellen Zwecken erlauben würden. Die Zukunft der CO₂-Speicherung in Österreich und Deutschland bleibt daher weiterhin ungewiss. In vielen anderen Ländern sieht die Rechtslage übrigens anders aus. In Norwegen wird zum Beispiel gerade an dem Projekt Northern Lights gebaut. Damit sollen ab 2024 bis zu 1,5 Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr in einer Tiefe von 2.600 Metern unter dem Meeresboden permanent gespeichert werden. Industriestandorte aus ganz Europa sollen dann in der Norwegischen Nordsee ihre Emissionen speichern können.

Case Study: CO₂-Infrastruktur in Deutschland

Im Zuge meiner Masterarbeit an der Technischen Universität Berlin stellte ich mir mit meinem Kollegen Louis Kolbeck folgende Fragen: Wie könnte eine CO₂-Transportinfrastruktur in Deutschland aussehen und unter welchen Bedingungen wäre es ökonomisch überhaupt sinnvoll? Um das zu beantworten, entwickelten wir ein Optimierungsmodell, das uns für bestimmte Szenarien die Kosten sowie das benötigte CO₂-Transportnetzwerk sowohl für den Pipeline- als auch für den Straßentransport im Jahr 2030 aufzeigte. Kurz gesagt: Das Modell entscheidet, ob an den jeweiligen Industriestandorten entweder CO₂ emittiert oder in eine CCTUS Infrastruktur investiert wird. Ist ersteres der Fall, also gelangt CO₂ in die Atmosphäre, fallen im Gegenzug Kosten für den Kauf von CO₂-Zertifikaten an. Ziel des Modells ist es, die gesamtheitlich kostenoptimalste Lösung zu finden und ein mögliches CO₂-Transportnetz aufzuzeigen. Die konkreten Entscheidungen des Modells und die damit verbundenen Kosten stellt die folgende Grafik dar:

Unsere Modellergebnisse zeigen, dass erst bei einem CO₂-Zertifikatspreis zwischen 105€ und 150€ pro Tonne CO₂ sowie einer hohen Nachfrage an CO₂ von 68 Millionen Tonnen pro Jahr so viel CO₂ abgeschieden wird, um damit theoretisch die Klimaziele für die deutsche Industrie bis 2030 zu erreichen. Eine mögliche Infrastruktur für dieses Szenario zeigt die Abbildung unten. Dass tatsächlich die Nachfrage 68 Millionen Tonnen pro Jahr bis 2030 erreicht wird, ist jedoch unwahrscheinlich. Bei einer geringeren CO₂-Nachfrage können alleine durch CCTUS die gesetzten Klimaziele jedenfalls nicht erreicht werden.

Neben der Nachfragemenge spielt auch der CO₂-Zertifikatspreis eine ganz entscheidende Rolle. Denn bei einem CO₂-Zertifikatspreis von weniger als 75€ pro Tonne CO₂ würde sich Carbon Capture kaum finanziell lohnen. In diesem Fall wäre es laut Modell bis auf ganz wenige Ausnahmen günstiger, CO₂ in die Atmosphäre zu emittieren und im Gegenzug CO₂-Zertifikate einzukaufen.

Fazit

CCTUS als Möglichkeit, Industrieemissionen in Zukunft zu verringern oder gar zu vermeiden, klingt zwar schön, ist aber mit erheblichem Aufwand und Kosten verbunden. Gerade aufgrund der Tatsache, dass bis dato kaum kommerziell genutzte Anlagen in Betrieb sind und in den letzten 20 Jahren trotz großer Euphorie nur wenige Fortschritte erzielt wurden, darf angezweifelt werden, dass in CCTUS wirklich die Zukunft der klimaneutralen Industrie liegt. Unsichere Kostenentwicklungen für CO₂-Abscheidungsanlagen und Transportinfrastruktur sowie fehlende rechtliche Rahmen für die Speicherung erschweren eine schnelle Entwicklung zusätzlich. Häufig dient CCTUS als Begründung, weiter zu wirtschaften wie bisher, anstatt tatsächlich emissionsfreie Alternativen zu implementieren. Für viele Industriebranchen existieren bereits erprobte Möglichkeiten, um CO₂-Emissionen gänzlich zu vermeiden, z.B. die Stahlherstellung mit Wasserstoff anstatt mit Kohle. CCTUS sollte lediglich für Industriebranchen mit keiner emissionsfreien Alternative, etwa der Zementindustrie, eine Rolle spielen. Allerdings müssten dafür so schnell wie möglich ein rechtlicher Rahmen geschaffen und erste Schritte eingeleitet werden. Denn jedes Jahr werden weltweit Milliarden Tonnen Treibhausgase emittiert, die die ohnehin schon fortgeschrittene Klimakrise weiter anheizen. Die Zeit, in der die Industrie klimaneutral werden muss, ist begrenzt. Und die sollte nicht damit verschwendet werden, auf Technologien zu setzen, deren Zukunft höchst ungewiss ist.

Thomas Mitterecker

Thomas studierte an der TU Berlin im Master Wirtschaftsingenieurwesen mit Schwerpunkt Energie- und Ressourcenmanagement. Seit 2018 arbeitet Thomas mit Umblick vor allem zu Energie, Mobilität und Abfall. Mehr über Thomas erfährst du hier.

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