Technische und politische Perspektiven des Carbon-Managements
Der Klimaschutz ist nach wie vor einer der Faktoren, der die technische und wirtschaftliche Entwicklung in der EU und in weiten Teilen der Welt maßgeblich bestimmt. Den Vorgaben der Europäischen Union zufolge dürfen vom Jahr 2050 an in der EU nettobilanziert keine Treibhausgase mehr ausgestoßen werden, und Deutschland peilt sogar schon für 2045 Klimaneutralität an. Dabei soll die Transformation hin zur Nutzung regenerativer Ressourcen weder den Industriestandort noch den Wohlstand in der EU beeinträchtigen.
Ein wichtiger Baustein für die Umsetzung dieser Ziele ist das Kohlenstoffmanagement. Prof. Dr. Roland Span, Leiter des Lehrstuhls für Thermodynamik an der Ruhr-Universität Bochum, plädiert dafür, Kohlendioxid (CO2) nicht ausschließlich als Klimaschadstoff zu betrachten, sondern auch sein Potenzial als Rohstoff zu erkennen. Er und sein Team suchen in einem globalen Verbund von Forschungsstellen nach Wegen, im Rahmen eines umfassenden Kohlenstoffmanagements Konzepte und Ökosysteme für die Kohlenstoffspeicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) und -nutzung (Carbon Capture and Utilisation, CCU) im großindustriellen Maßstab zu etablieren.
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Roland Span ist für sein Engagement und seine grundlegenden Arbeiten im Bereich der Reduktion atmosphärischer CO2-Emissionen durch Abscheidung, Transport und Speicherung von Kohlendioxid (Carbon Capture, Transport and Storage) bekannt.
Professor Span studierte Maschinenbau an der Ruhr-Universität Bochum, an der er 1992 seine Promotion und 1999 seine Habilitation abschloss. 2001 wechselte er als Projekt- und Gruppenleiter für die Gasturbinenforschung zu ALSTOM Power Technology in die Schweiz. Von 2002 bis 2006 hatte er an der Universität Paderborn den Lehrstuhl für Thermodynamik und Energietechnologien inne. 2006 folgte er dem Ruf auf den Lehrstuhl für Thermodynamik an die Ruhr-Universität Bochum.
Roland Span beschäftigt sich seit nun mehr 35 Jahren mit der theoretischen und experimentellen Beschreibung der thermodynamischen Eigenschaften von Stoffen, die vor allem für die Energietechnik relevant sind. Dazu gehören Kohlendioxid und Kohlendioxid enthaltende Gemische, Erdgase und deren Komponenten, verflüssigte Erdgase, Wasserstoff und Gemische, die bei der Verflüssigung von Wasserstoff eine Rolle spielen, sowie Arbeitsfluide in Kühlaggregaten und Wärmepumpen. Gemeinsam mit seinem Team wendet er die entwickelten Eigenschaftsmodelle zur Simulation innovativer energietechnischer Prozesse an, stellt sie aber vor allem über ein umfangreiches wissenschaftliches Netzwerk Anwendern weltweit zur Verfügung.
Wie Span in seinem Keynote-Vortrag auf der FVV-Frühjahrstagung betonte, muss nach wie vor die Vermeidung von CO2-Emissionen im Vordergrund der politischen, gesellschaftlichen und industriellen Aktivitäten stehen. Dabei ist die Erzeugung von Energie aus regenerativen Quellen der Schlüssel zu den notwendigen Entwicklungen, denn die Elektrifizierung ist für große Teile der Energienutzung für die Mobilität, in Privathaushalten und in der Industrie der wirtschaftlichste und damit beste Weg zur CO2-Minderung. »Aber in Wirklichkeit ist das Bild vielschichtiger, da Kohlenstoff ein zentrales Element der industriellen Produktion bleiben wird. Wir sprechen also von einer Defossilisierung, nicht von einer Decarbonisierung«, so Span. Von den heute in Deutschland jährlich emittierten rund 650 Millionen Tonnen CO2 halten Forscher etwa 80 Millionen Tonnen für wirtschaftlich unvermeidbar, davon entfallen 45 Millionen Tonnen CO2 auf die Industrie. Für diese Emissionen führt laut Span kein Weg an CCS/CCU-Konzepten vorbei. Im Bereich des Industrial Carbon Managements (ICMs) gäbe es in diesem Zusammenhang schon viele politische Aktivitäten, aber dieser Betrachtungshorizont sei nicht umfassend genug, da Carbon-Management auch für Teile der Mobilität, die nicht sinnvoll elektrifiziert werden können, relevant sei – beispielsweise also für Teile des Schwerlast-, Schiff- und Flugverkehrs.
CO2 speichern und nutzen
Generell muss im Rahmen des Carbon-Managements zwischen CCS und CCU unterschieden werden, da dies Ansätze mit differierenden Wertschöpfungsketten sind. CCS zielt direkt auf die Verringerung der atmosphärischen klimarelevanten Emissionen durch die dauerhafte geologische Speicherung von abgeschiedenem CO2 ab. CCU umfasst in erster Linie die Bereitstellung von Kohlenstoff in einer entfossilisierten Gesellschaft. Ob CCU wirksam zur Verringerung der atmosphärischen CO2-Emissionen beiträgt, hängt weitgehend von der Quelle des CO2, von der Art der damit hergestellten Produkte und davon, ob diese überhaupt in einem Kohlenstoffkreislauf gehalten werden können, ab.
Um CO2 abzuscheiden, sind grundsätzlich drei Arten von Verfahren bekannt, die Pre-Combustion-Abscheidung, die Post-Combustion-Abscheidung und das Oxyfuel-Verfahren. Die Post-Combustion-Abscheidung ist eine etablierte Technologie, allerdings ist die Systemintegration insbesondere bei mobilen Anwendungen wie Schiffen mit Herausforderungen verbunden, sodass Span hier noch Forschungsbedarf anmahnte. »Auch das Pre-Combustion-Verfahren wirft Fragen der Systemintegration auf, die noch gelöst werden müssen. Prozessseitig führt dieses Konzept immer zur Verbrennung von Wasserstoff, sodass hier unter anderem Forschungsaktivitäten zur Nutzung von Wasserstoff als Energieträger, beispielsweise in Wasserstoffmotoren, relevant sind«, meinte Span. Das dritte Verfahren, die Oxyfuel-Verbrennung, sei in Bezug auf den Abscheidungsprozess selbst vergleichsweise unkritisch, erfordere allerdings erheblichen Änderungen der Motor-/Turbinenkonstruktion, da das Brennverfahren auf das stickstofffreie Gas umgestellt werden müsse. Ein Sonderfall ist das Direct Air Capture (DAC). Dieses Verfahren ist energetisch sehr uneffektiv, aber Voraussetzung für die großtechnische Produktion von kohlenstoffbasierten nachhaltigen Kraftstoffen wie Methanol, daher wird es auch künftig seinen Stellenwert haben. »Die Prozessindustrialisierung fokussiert sich heute auf den Post-Combustion-Capture-Ansatz mit Absorption, sprich die Aminwäsche. Um dabei optimale Ergebnisse im Gesamtsystem zu erzielen, müssen Abscheidung und Verfahren integriert entwickelt werden. Derzeit formen sich die Märkte für die dafür erforderliche Verfahrens- und Anlagentechnik«, fasste Span den derzeitigen Stand zusammen.
Transportnetze und Infrastruktur
Ein wichtiger und lange unterschätzter Aspekt des Carbon-Managements ist der CO2-Transport. Ursprüngliche CCS-Konzepte basierten auf einem Punkt-zu-Punkt-Transport: An einem Ende steht die CO2-Quelle, die über eine Pipeline mit einer Speicherstätte am anderen Ende verbunden ist. Die Einlagerung des CO2 erfolgt in erster Linie in Off-Shore-Reservoirs vor der Küste. Unter anderem Norwegen, Dänemark, Schweden, Großbritannien und die Niederlande haben entsprechende Anlagen in Betrieb bzw. haben erste kommerzielle Speicherprojekte auf den Weg gebracht. Als Speicherreservoir eignen sich unter anderem saline Aquifere, die sich häufig unter Öl- und Gaslagerstätten befinden. Für CO2-Emittenten in küstenfernen Industriestandorten, beispielsweise in Mitteleuropa, ergeben sich aus einer Off-Shore-Speicherung erhebliche Nachteile. »Daher werden Konzepte zur günstigeren Speicherung an Land geprüft, mit denen sich im Gesamtsystem schätzungsweise 60 % der Kosten einer Off-Shore-Speicherung einsparen lassen. Darüber hinaus plant die EU die Errichtung eines europaweiten ›Pipeline-Backbones‹ für den CO2-Transport«, erklärte Span. Allerdings wird das Netzwerk nicht so breitflächig sein, dass alle Emittenten und Speicherstätten direkt an eine Langstreckenpipeline angeschlossen werden können. Abhilfe soll ein multimodales Transportnetz schaffen, das den CO2-Transfer in dichter und gasförmiger Form in Pipelines sowie den Transport von Flüssigkeiten in Tanks auf Zügen und Schiffen umfasst.
Prof. Dr. Roland SpanDie Politik beginnt zu begreifen, dass der Ausbau der CO2-Transportinfrastruktur weitgehend eine öffentliche Aufgabe ist – sonst ist das ›Henne-Ei-Problem‹ kaum zu lösen.
Die technischen Hürden bei der Umsetzung des Pipeline- und Transportsystems umfassen einerseits die Schnittstellen zwischen den verschiedenen Verkehrsträgern, andererseits die Handhabung des abgeschiedenen Roh-CO2, beispielsweise dessen Verdichtung, Expansion, Verflüssigung und Reinigung. Größere Verunreinigungen, typischerweise N2, Ar und O2, wirken sich auf die Dampfdruckkurve aus, was bei der Auslegung der Pipelines und der Lagertanks berücksichtigt werden muss. Geringfügige Kontaminationen im ppm-Bereich mit SOx, NOx oder H2O haben bei homogenen Zuständen keinen signifikanten Einfluss auf die Dichte oder andere Eigenschaften, können aber die Bildung einer hochkorrosiven zweiten Phase auslösen. Auch werden beim Transport zwangsläufig die CO2-Abscheidungen von verschiedenen Emittenten vermischt, was zu Verunreinigungen mit schwankender Konzentration führt und chemische Reaktionen verursachen kann. »An dieser Stelle müssen noch Grenzwerte definiert werden, um einen reibungslosen und sicheren Stofftransport zu gewährleisten. Über den zulässigen Gehalt an Verunreinigungen gibt es intensive Diskussion auf CEN-Ebene, sodass ich bis Ende des Jahres zumindest von einer vorläufigen Lösung ausgehe«, so Span.
Angesichts der Probleme mit der Transportinfrastruktur ziehen viele Unternehmen zum Beispiel in der Zementindustrie, die die Kohlenstoffabscheidung anwenden wollen, CCU als Alternative in Betracht. Wie Span ausführte, ist die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bei CCU allerdings weitaus komplexer als bei CCS. Die CO2-Speicherung wird rentabel, wenn die Zertifikatspreise höher als die Einlagerungskosten sind. Bei CCU hängt die Wirtschaftlichkeit von der Prozesskette sowie dem Marktpreis und dem Marktvolumen des Endprodukts ab. Ohnehin ist CCU nur nachhaltig, wenn der Kohlenstoff aus biologischen Quellen oder DAC stammt, oder wenn das Produkt recycelt wird. Nach Spans Einschätzung wird der Erwerb von CO2-Zertifikaten bei CCU daher in den meisten Fällen schwierig sein. Auch müsse zusätzlich der hohe Verbrauch an Wasserstoff und Ökostrom berücksichtigt werden.
Ausblick: Wo CCS zum Einsatz kommen kann
Prof. Dr. Roland SpanDeutschland sieht CCS als kurzfristige Option für Gasturbinenkraftwerke der Netzreserve vor, langfristig soll grüner Wasserstoff dann das fossile Erdgas ersetzen. Für mobile Anwendungen wie Schiffe ist CCS eine Alternative zur Verwendung synthetischer Kraftstoffe, Ammoniak oder Wasserstoff.
Span schätzte, dass CCS in erster Linie für anderweitig nicht klimaneutral zu gestaltende Verfahren eingesetzt wird, wie in der Zement- und Kalkproduktion und wahrscheinlich auch bei der Stahlerzeugung. Einige Länder ziehen CCS in Verbindung mit der Grundlastversorgung durch Kohleverstromung in Betracht. »Das ist kein kluger Weg, da die CO2-Menge sehr hoch wird und es schon heute wettbewerbsfähigere Alternativen gibt«, so Span. Deutschland sieht CCS als kurzfristige Option für Gasturbinenkraftwerke der Netzreserve vor, langfristig soll grüner Wasserstoff dann das fossile Erdgas ersetzen. Für mobile Anwendungen wie Schiffe ist CCS eine Alternative zur Verwendung synthetischer Kraftstoffe, Ammoniak oder Wasserstoff. Da sich die einzelnen Anwendungen sehr stark unterscheiden, fällt auch die Technologiebewertung jeweils unterschiedlich aus, sodass sich kein Verfahren als grundsätzlich überlegen herauskristallisieren wird. Am Ende seiner Ausführungen machte Span nochmals auf die Dringlichkeit aufmerksam, mit der sich betroffene Unternehmen des Themas CCS annehmen müssen. »Aufbau und Integration der notwendigen Infrastruktur führen zu Herausforderungen, bieten aber auch Marktpotenziale. Darüber hinaus ist vorhersehbar, dass die Nachfrage nach CO2-Speicherkapazitäten das Angebot in wenigen Jahren übersteigen wird – grundsätzlich sind große Speicherkapazitäten vorhanden, in einer Übergangszeit wird deren Erschließung aber dem Bedarf hinterhereilen. Industrieunternehmen sollten deshalb schon heute ein Carbon-Managementkonzept erstellen und sich bei Bedarf um den Zugang zur CCS-Infrastruktur kümmern, um nicht ins Hintertreffen zu geraten«, so der Appell von Span.
