Carbon Capture and Utilization

Carbon Capture and Utilization (zu deutsch: CO₂-Abscheidung und Verwendung, abgekürzt CCU), auch Carbon Dioxide Utilization (CDU; zu deutsch: CO₂-Nutzung), bezeichnet die Abscheidung von Kohlenstoffdioxid (CO₂) insbesondere aus Verbrennungs-Abgasen und dessen angeschlossene Verwendung bei weiteren chemischen Prozessen. Ein alternativer, selten verwendeter Begriff ist Carbon Capture and Recycling (CCR).

Der Begriff ist eng mit Carbon Capture and Storage (CCS) verknüpft, bei dem das abgeschiedene CO₂ zunächst nur behälterlos gespeichert wird. Im Gegensatz zum CCS ist beim Carbon Capture and Utilization nicht der Entzug von Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre das primäre Ziel, sondern die Bereitstellung chemischer Rohstoffe. Fossile Kraftwerke mit CCU-Technik liefern also zunächst Kohlenstoffdioxid als Rohstoff für andere Anwendungen, das zwischenzeitlich gebunden wird, bei der energetischen Verwendung anschließend aber wieder freigesetzt wird. Damit hat der CCU-Prozess per se keinen Klimaschutzeffekt, kann jedoch in einer Kreislaufwirtschaft eine wichtige Rolle spielen. Wird CCU anstelle von CCS eingesetzt, kommt es zu einem Mehrausstoß an CO₂, da der gebundene Kohlenstoff nach Nutzung der aus dem CO₂ gewonnenen Rohstoffe wieder freigesetzt wird. Wird das genutzte Kohlendioxid jedoch dauerhaft vor Freisetzung geschützt, kann der Prozess eine wichtige Rolle zum Klimaschutz spielen.

Anwendungen

Energiespeicherung und Treibstoffherstellung

CCU gilt als wichtige Basistechnologie für die Herstellung von E-Fuels in vollständig regenerativen Energiesystemen. Wichtige Einsatzgebiete für diese über Power-to-Fuel-Anlagen hergestellten E-Fuels sind kaum zu elektrifizierende Anwendungen im Verkehrsbereich, insbesondere der Flug- und Schiffsverkehr, bei denen auch weiterhin Treibstoffe mit hoher Energiedichte benötigt werden.

Die CCU-Technologie könnte dazu genutzt werden, sogenanntes EE-Gas zur Energiespeicherung herzustellen. Als EE-Gas wird ein Brenngas bezeichnet, das mit sog. Power-to-Gas-Anlagen unter dem Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energien (EE) hergestellt wird.

Ausgangsmaterialien für die Herstellung der Brennstoffe sind Wasser und Kohlendioxid (bei Methan), die in Zeiten überschüssiger erneuerbarer Energie unter anderem zur Netzstabilisierung mittels Wasserelektrolyse in Wasserstoff und anschließend per Methanisierung in Methan umgewandelt werden. Geeignete Kohlenstoffdioxidquellen sind z. B. Biogasanlagen. Bei diesen fällt CO₂ bei der Biogasproduktion an, das zuvor durch die vergorenen Pflanzen aufgenommen wurde, womit ein geschlossener Kreislauf herrscht.

Mineralisierung und Bauwirtschaft

Ein weiteres vielversprechendes Anwendungsgebiet ist die Mineralisierung von CO₂. Durch diese könnte Kohlendioxid langfristig chemisch gebunden und damit dauerhaft aus der Atmosphäre entzogen werden, zugleich aber auch energieaufwändige Rohstoffe wie beispielsweise Zement substituiert werden, wodurch der CO₂-Ausstoß bei der Grundstoffherstellung sinken würde. Auch die Beigabe von in Pflanzenkohle gebundenen Kohlenstoffs in Zement selbst kann dessen konstruktive Eigenschaften verbessern.

Getränkeindustrie

Ein geringer Teil des abgeschiedenen CO₂ könnte für die Getränkeindustrie als „Kohlensäure“ weiter genutzt werden. Bei Chemelot in der niederländischen Provinz Limburg wird dies bereits in einer Pilotanlage getestet.

Harnstoffproduktion

BASF und Linde KCA Dresden kündigten im Januar 2010 eine Zusammenarbeit im Bereich der CO₂-Abscheidung an. Das gewonnene und konzentrierte CO₂ soll dann zum Beispiel in der Harnstoff-Produktion genutzt werden.

Funktionswerkstoffe

Beispielsweise durch Verkohlung per PyCCS gebundener Kohlenstoff könnte künftig zur Herstellung von carbonverstärkten Filamenten für die additive Fertigung (3D-Druck), Filtern oder Dämmstoffen verwendet werden.

Bodenkultivierung

Durch CO₂-Sequestrierung fest gebundener Kohlenstoff kann auch zur Herstellung von Pflanzenkohle verwendet werden und als Ausgangsstoff zur Bodenkultivierung mittels künstlicher Nachahmung von Schwarzerde oder Terra Preta Nova dienen. Damit können situationsabhängig Flora und Ernährungssicherheit unterstützt werden. Im Unterschied zur Verwendung im industriellen Kontext scheint Rebound-Effekten hierbei leichter vorzubeugen zu sein.

Siehe auch

• CCUS

Weblinks

• IASS Potsdam:
• Lars Fischer: „Wie Kohlendioxid Erdöl ersetzen soll“ bei spektrum.de
• Institute for Advanced Sustainability Studies e.V.: co2inside.de

Literatur

Populärwissenschaftliches

• Barbara Olfe-Kräutlein: CO₂-Nutzung für Dummies. Wiley-VCH, Weinheim 2022. Online verfügbar

Wissenschaftliche Arbeiten

• Ahmed Al-Mamoori et al.: Carbon Capture and Utilization Update. In: Energy Technology. Band 5, 2017, S. 834–849, doi:10.1002/ente.201600747. 

Einzelnachweise

1. Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Berlin - Heidelberg 2014, S. 336.
2. David Connolly, Henrik Lund, Brian Vad Mathiesen: Smart Energy Europe: The technical and economic impact of one potential 100% renewable energy scenario for the European Union. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Band 60, 2016, S. 1634–1653, doi:10.1016/j.rser.2016.02.025. 
3. Michael Sterner, Mareike Jentsch und Uwe Holzhammer: Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes (PDF; 2,1 MB). Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) Kassel, Feb. 2011.
4. Ulrich Eberle, Rittmar von Helmolt: Sustainable transportation based on electric vehicle concepts: a brief overview. In: Energy and Environmental Science. Band 3, Nr. 6, 2010, S. 689–699, doi:10.1039/C001674H. 
5. Bernd Pitschak, Jürgen Mergel, Elektrolyse-Verfahren, in: Johannes Töpler, Jochen Lehmann (Hrsg.), Wasserstoff und Brennstoffzelle. Technologien und Marktperspektiven, Berlin Heidelberg 2014, 189–208, S. 203.
6. Hesam Ostovari et al.: Rock ‘n’ use of CO2: carbon footprint of carbon capture and utilization by mineralization. In: Sustainable Energy & Fuels. 2020, doi:10.1039/d0se00190b. 
7. Daniel Suarez-Riera, Luca Lavagna, Mattia Bartoli, Mauro Giorcelli, Matteo Pavese: The influence of biochar shape on cement-based materials. In: Magazine of Concrete Research. 22. Juni 2022, ISSN 0024-9831, S. 1–6, doi:10.1680/jmacr.21.00237 (icevirtuallibrary.com [abgerufen am 27. Juni 2022]). 
8. Carbon Capture Journal: CCS perspectives in energy intensive industries, 10. Januar 2011.
9. BASF: BASF and Linde cooperate: Flue gas carbon dioxide capture, Pressemitteilung vom 15. Januar 2010.
10. NET Materials® — minus CO2 by carbonauten. Abgerufen am 24. Juni 2022 (deutsch). 
11. BioCAP-CCS — Potsdam Institute for Climate Impact Research. Abgerufen am 24. Juni 2022.