CO₂ als Rohstoff

Die Chemieindustrie ist heute in hohem Maße auf fossile Kohlenstoffquellen wie Naphtha angewiesen. Als alternative Rohstoffbasis kommen insbesondere Biomasse, kohlenstoffhaltige Abfallströme und abgeschiedenes CO₂ infrage. Biomasse und Recycling werden dabei wichtige Beiträge leisten, ihre nachhaltig verfügbaren Mengen sind jedoch begrenzt: Biomasse konkurriert mit anderen Nutzungen, und Recycling kann vorhandenen Kohlenstoff im Kreislauf halten, aber Verluste nicht vollständig vermeiden. CO₂ eröffnet deshalb eine zusätzliche Kohlenstoffquelle. Kurzfristig kann es beispielsweise aus schwer vermeidbaren Prozessemissionen, etwa aus Zement- oder Kalkwerken, und langfristig zunehmend auch aus biogenen Quellen oder der Umgebungsluft stammen. Insbesondere Letztere können in Verbindung mit erneuerbarer Energie dazu beitragen, Kohlenstoffkreisläufe weitgehend zu schließen.

Um CO₂ in Kohlenwasserstoffe umzuwandeln, stehen verschiedene Syntheserouten zur Verfügung. Eine davon führt über das Herstellen von Synthesegas und die anschließende Fischer-Tropsch-Synthese. Die einzelnen Verfahrensschritte sind grundsätzlich bekannt; die Herausforderung liegt darin, sie effizient zu einem technisch und wirtschaftlich tragfähigen Gesamtprozess zu integrieren und zu skalieren.

CO₂ als Rohstoff zu nutzen, klingt einfacher, als es ist. Konzentrierte Quellen wie Zementwerke oder die Abfallverbrennung weisen deutlich höhere CO₂-Konzentrationen auf als die Umgebungsluft, sodass der Trennaufwand in der Regel geringer ist als bei Direct Air Capture. Entscheidend ist jedoch nicht allein die CO₂-Konzentration. Auch Druck, Temperatur und insbesondere die Zusammensetzung des jeweiligen Abgasstroms bestimmen den Aufwand der Abscheidung und Aufbereitung. Je nach Anforderungen des nachfolgenden Syntheseprozesses müssen Schwefelverbindungen, Feuchtigkeit und andere Spurenstoffe bis auf die jeweils erforderlichen Grenzwerte entfernt werden. Die dafür notwendigen Verfahren sind technologisch weitgehend etabliert; ihr Energiebedarf sowie ihre Investitions- und Betriebskosten müssen beim Bewerten des Gesamtprozesses jedoch berücksichtigt werden.

Yara nimmt CO₂-Abscheideanlage in den Niederlanden in Betrieb

Yara hat im niederländischen Sluiskil die nach eigenen Angaben größte Anlage zur CO₂-Abscheidung in Europa in Betrieb genommen. Es handelt sich um ein Ammoniak- und Düngemittelwerk, in dem das Unternehmen bis zu 800.000 t/a CO₂ abscheiden will.

CO₂-Umwandlung muss flexibel sein

Eine zentrale technologische Herausforderung liegt anschließend darin, CO₂ in geeignete Zwischenprodukte umzuwandeln, beispielsweise beim Herstellen von Synthesegas mit erneuerbar erzeugtem Wasserstoff über die Reverse-Water-Gas-Shift-Reaktion (RWGS). Die konventionelle RWGS wird aufgrund ihrer thermodynamisch ungünstigen Gleichgewichtslage typischerweise bei hohen Temperaturen betrieben. Dennoch bleibt der erreichbare Umsatz begrenzt: Selbst bei 1.000 °C liegt der Gleichgewichtsumsatz bei einem stöchiometrischen H₂/CO₂-Verhältnis nur bei rund 56 %.

Eine zweite Herausforderung kommt hinzu, wenn der benötigte Wasserstoff mit erneuerbarem Strom erzeugt wird. Konventionelle chemische Prozesse sind typischerweise auf einen möglichst stationären Betrieb ausgelegt, während Wind- und Solarstrom naturgemäß schwanken. Diese Volatilität überträgt sich zunächst auf die Wasserstoffversorgung. Um sie vom chemischen Prozess zu entkoppeln, werden zusätzliche Puffer, insbesondere Wasserstoffspeicher, oder andere Flexibilitätsmaßnahmen benötigt. Diese können die Investitionskosten und Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage erheblich beeinflussen. Wie flexibel die chemische Umwandlung selbst betrieben werden kann, wird damit zu einem wichtigen Faktor für die Wirtschaftlichkeit CO₂-basierter Prozesse.

Entsprechend werden unterschiedliche Ansätze entwickelt, um die CO₂-Umwandlung besser mit einer fluktuierenden Energieversorgung zu verbinden. Dazu zählen alternative Reaktorkonzepte, modular aufgebaute Anlagen oder das direkte Nutzen solarer Prozesswärme. Ein weiterer Ansatz ist, die einzelnen Reaktionsschritte zeitlich zu entkoppeln.

Geringerer Wasserstoffspeicher notwendig

Genau hier setzt die von Spark e-Fuels entwickelte Technologie an, die auf dem sogenannten Chemical-Looping-Prinzip basiert: Ein Sauerstoff-Speichermaterial wird abwechselnd mit Wasserstoff reduziert und anschließend mit CO₂ reoxidiert. Wasserstoff und CO₂ müssen dem Reaktor damit nicht gleichzeitig zugeführt werden. Dabei wird das erreichbare Reaktionsgleichgewicht wesentlich durch die Redox-Eigenschaften des eingesetzten Speichermaterials mitbestimmt.

Das Verfahren arbeitet bei etwa 600 bis 750 °C und damit deutlich unter den Temperaturen konventioneller Hochtemperatur-RWGS-Konzepte. Im Labor wurden CO-Ausbeuten von über 95 %, unter optimierten Bedingungen von über 99 %, bei sehr geringer Nebenproduktbildung erreicht. Gleichzeitig lässt sich die Wasserstoffzufuhr über die Zyklusführung an ein schwankendes Angebot anpassen. Systemsimulationen zeigen, dass sich der erforderliche Wasserstoffspeicher gegenüber einem kontinuierlich betriebenen Referenzprozess unter den untersuchten Bedingungen um bis zu 90 % reduzieren lässt. Die hohe CO-Ausbeute reduziert zugleich den Bedarf an Aufbereitungs- und Rückführungsströmen und trägt damit zusätzlich zur Flexibilität und Effizienz der Gesamtverfahrenskette bei.

Über den Pilot- in den Demonstrationsmaßstab

Die seit Anfang des Jahres betriebene Pilotanlage des Unternehmens überträgt dieses Prinzip auf einen technisch relevanteren Maßstab. Der bisherige Betrieb zeigt, dass sich das grundlegende Verfahrenskonzept aus dem Labor übertragen lässt und auch unter wechselnden Betriebsbedingungen funktioniert. Damit verschiebt sich die Fragestellung zunehmend vom grundsätzlichen Funktionsnachweis hin zum Scale-up.

Der nächste Schritt ist deshalb der Demonstrationsmaßstab. Dort muss das Verfahren über längere Betriebszeiten, mit größeren Stoffströmen und unter zunehmend industriellen Randbedingungen validiert werden. Mit wachsender Reaktorgröße gewinnen verfahrenstechnische Effekte wie Strömungsverteilung, Wärme- und Stofftransport, Druckverlust und Temperaturprofile weiter an Bedeutung. Die Erkenntnisse aus dem laufenden Pilotbetrieb fließen direkt in das Auslegen der nächsten Anlagengeneration ein. Für die geplante Demonstrationsanlage im Hundert-Tonnen-Maßstab hat das Unternehmen bereits Partner und einen Standort identifiziert und arbeitet derzeit an der Finanzierung.

Carbon Bridge erhält Genehmigung für Deutschlands erstes CO₂-Exportterminal

Ambrian Energy und Messer geben bekannt, dass das geplante Joint Venture Carbon Bridge die kartellrechtliche Genehmigung der Europäischen Kommission erhalten hat. Der Schritt ebnet den Weg für die Entwicklung des deutschlandweit ersten CO₂-Exportterminals.

Mit dem Skalieren rückt zugleich die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses stärker in den Vordergrund. Entscheidend sind insbesondere die Kosten und Verfügbarkeit erneuerbaren Stroms, die Anlagenauslastung, die Kosten für Wasserstoff und CO₂, die Prozesseffizienz sowie Investitions- und Finanzierungskosten. Damit gewinnt auch die Standortwahl an Bedeutung. Während bei Pilotanlagen vor allem Entwicklungsinfrastruktur und die Nähe zum Team zählen, werden bei Demonstrations- und kommerziellen Anlagen günstige erneuerbare Energie, eine geeignete CO₂-Quelle, Genehmigungsbedingungen sowie die Anbindung an Energie- und Produktinfrastruktur entscheidend. Besonders attraktiv sind daher Regionen, in denen diese Faktoren zusammenkommen.

Luftfahrt als früher Markt für CO₂-basierte Kohlenwasserstoffe

Neben technischem Scale-up und geeigneten Standorten braucht eine neue Technologie jedoch auch einen Abnehmermarkt, der den Aufbau erster kommerzieller Produktionskapazitäten ermöglicht. Ein früher Treiber für CO₂-basierte Kohlenwasserstoffe ist derzeit der Kraftstoffsektor. Mit Refuel-EU-Aviation schafft die EU verbindliche Nachfrage nach nachhaltigen Flugkraftstoffen (SAF) und ab 2030 gezielt auch nach synthetischen Flugkraftstoffen (ESAF).

Für die Chemieindustrie ist das zunächst keine direkte Rohstoffquote – kann aber dennoch eine wichtige Rolle spielen. Fischer-Tropsch-basierte Prozesse erzeugen ein Spektrum verschiedener Kohlenwasserstoffe, aus dem neben Kerosin auch Naphtha-Fraktionen für die weitere chemische Verarbeitung gewonnen werden können. Der regulatorisch getriebene Hochlauf von ESAF kann deshalb helfen, Produktionskapazitäten, Lieferketten und Anlagenkonzepte auf einen industriellen Maßstab zu bringen und technologische Lernkurven zu beschleunigen. Größere Anlagen, zunehmende Betriebserfahrung und optimierte Standorte schaffen wiederum Potenzial, die Produktionskosten weiter zu senken.

Damit könnte die Luftfahrt zu einem frühen Markt werden, über den CO₂-basierte Kohlenwasserstoffe den Schritt in den industriellen Maßstab schaffen. Davon kann langfristig auch die Chemieindustrie profitieren. CO₂ wird Biomasse und Recycling als alternative Kohlenstoffquellen dabei nicht ersetzen. Es kann sie jedoch dort ergänzen, wo nachhaltig verfügbare Mengen an ihre Grenzen stoßen. CO₂-basierte Kohlenwasserstoffe können so zu einem wichtigen Baustein einer neuen, zunehmend defossilisierten Rohstoffbasis der Chemie werden.