Nutzung von CO2 aus Luft als Rohstoff für synthetische Kraftstoffe und Chemikalien
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Nutzung von CO2 aus Luft als
Rohstoff für synthetische
Kraftstoffe und Chemikalien
Studie im Auftrag des Ministeriums für Verkehr
Baden-Württemberg
Dezember 2020
Dominik Heß, Michael Klumpp, Roland Dittmeyer
Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT)
Foto: M. Breig und A. Bramsiepe, KIThierfür benutzte „Filter“-Stoff bei erhöhter
Executive Summary Temperatur unter Wärmezufuhr regeneriert
werden, um das CO2 in Reinform zu erhalten
und ihn für den nächsten Zyklus wieder ein-
Kann der CO2- Ausstoß nicht auf null ge- setzbar zu machen. Das Hochtemperatur-
fahren werden, müssen negative Emissi- Verfahren (HT-DAC) benötigt für die Rege-
onen erzeugt werden, damit Deutschland neration eine Temperatur von 900 °C, wäh-
THG-neutral wird rend das Niedertemperaturverfahren (LT-
Um die Klimaziele des Weltklimarates IPCC DAC) mit „nur“ 100 °C auskommt.
einzuhalten, müssen die THG-Emissionen
bis 2050 bilanziell null erreichen. Bis dahin DAC benötigt 1400 bis 2500 kWh an (er-
geschehene Emissionen über dem THG- neuerbarer) Energie, um eine Tonne CO2
Budget, sowie weiter bestehende Ausstöße, aus der Atmosphäre zu gewinnen
müssen aus der Atmosphäre entfernt wer- Neben elektrischer Energie, vorzugsweise
den. Dazu sind einerseits Pflanzen in der erneuerbarem Strom, für Pumpen und Luft-
Lage, andererseits existiert mit DAC eine umwälzung, die etwa 200 bis 400 kWh/tCO2
technische Lösung. Das gewonnene CO2 verursachen, wird vor allem Wärme benötigt,
um die Regeneration durchzuführen. Die
kann entweder eingelagert und so dauerhaft
aufzuwendende Energie pro Tonne CO2 ist
gespeichert werden (CCS) oder in Produkte
bei beiden Verfahren vergleichbar, jedoch
umgewandelt und so weiter genutzt werden bestehen beim LT-DAC-Verfahren wesent-
(CCU). lich mehr Möglichkeiten zur Nutzung von Ab-
wärme für die CO2-Gewinnung, bspw. aus
Direct Air Capture (DAC) - ein Verfahren der Industrie oder der Müllverbrennung. Im
zur Gewinnung von CO2 aus Luft Gegensatz dazu muss für die hohe Tempe-
Zwei Hauptverfahrensvarianten stehen zur ratur beim HT-DAC aktuell Erdgas einge-
Gewinnung von Kohlenstoffdioxid aus der setzt werden, da noch kein vollelektrisches
Atmosphäre zur Verfügung. Beides sind System existiert. Die Emissionen aus der
zweistufige Prozesse, bei denen zuerst bei Verbrennung werden ebenfalls abgeschie-
Umgebungsbedingungen das CO2 aus der den. Auch in puncto Skalierbarkeit gibt es
Luft heraus „gefiltert“ wird. Danach muss der Unterschiede: LT-DAC-Verfahren können
Punktquelle
DAC
Zement Abgas
2020 2050 2020 2050 2020 2050
Konz. % 14-33 7-45 0,04
Kosten €/t 15-140 30-130 125-800 41-82
Energiebe-
kWh/t >600 >330 k.A. 1400-2500
darf
Tabelle 1: Kosten heute und prognostiziert für 2050. Die Zahlen für DAC beruhen auf Aussa-
gen der DAC-Firmen Carbon Engineering, Climeworks und Global Thermostat. Die Daten für
Punktquellen stammen aus der Literatur. Durch die technische Reife der Abscheidetechnolo-
gien wird hier keine weitere Kostensenkung angenommen.
* PtL: Power-to-Liquid (sinngemäß: Energie zu Flüssigkraftstoff) bezeichnet Prozesse, in wel-
chen aus elektrischem Strom, Wasser und CO2 oder CO Flüssigkraftstoff generiert wird.
**CCS: Carbon Dioxide Capture and Storage (sinngemäß: CO2-Abscheidung und Speicherung)
bezeichnet die Abtrennung von CO2 aus Luft oder Abgas und eine dauerhafte (meist geologi-
sche) Speicherung
***CCU: Carbon Dioxide Capture and Utilization (sinngemäß: CO2-Abscheidung und Nutzung)
bezeichnet die Abtrennung von CO2 wie bei CCS, allerdings hier mit anschließender Weiterver-
wertung für bspw. synthetische Kraftstoffe (PtL).
-2-Executive Summary
auch bei kleinen und mittleren Anlagenkapa-
zitäten sinnvoll umgesetzt werden, ohne Wirtschaftlichkeit von DAC kann schon
dass die spezifischen Anlagen- und Be- heute erreicht werden.
triebskosten überproportional steigen, wo- Die DAC-Anlagen können aktuell dann wirt-
hingegen HT-DAC-Verfahren nur im großen schaftlich arbeiten, wenn ein funktionieren-
Maßstab einsetzbar sind. der Emissionshandel vorliegt. So finanziert
Carbon Engineering seine Anlage mittels
Drei Wettbewerber teilen sich den Groß- des kalifornischen „low carbon fuel stan-
teil des derzeitigen DAC-Marktes dard“, der aktuell CO2-Preise um
Die drei Firmen Carbon Engineering aus Ka- 200 USD/tCO2 bewirkt. Dieser Preis ergibt
nada, Climeworks aus der Schweiz und Glo- sich aus der gesamten CO2-Intensität des
bal Thermostat aus den USA sind die größ- Kraftstoffs im Vergleich zu einem gesetzli-
ten Wettbewerber in der DAC-Sparte. Wäh- chen Referenzwert. Durch Entfernen von
rend Carbon Engineering eine HT-DAC-Lö- CO2 aus der Atmosphäre können Zertifikate
sung entwickelt, konzentrieren sich die ande- generiert werden, welche zum aktuellen
ren beiden auf LT-DAC-Systeme. Alle Fir- Marktpreis gehandelt werden. Dadurch
men sind an der Schwelle zum kommerziell könne die Anlage nach Aussage von Carbon
einsetzbaren System und beginnen damit Engineering wirtschaftlich betrieben werden.
ihre Lösungen in Großprojekten zu demonst- Generell ist bis 2050 eine starke Kostenre-
rieren, die sowohl CCU***, als auch CCS**- duktion zu erwarten. In Tabelle 1 sind die er-
Anwendungen umfassen. warteten Kosten aufgelistet, welche von den
jeweiligen Firmen zur Verfügung gestellt
Eine Tonne CO2 aus Luft kostet derzeit wurden. In der Literatur finden sich für Sys-
zwischen 150 und 800 USD/tCO2 teme, welche heute eingesetzt würden, et-
Innerhalb der erwähnten Großprojekte wer- was höhere Zahlen von 200-300 €/tCO2 als
den durch die Skalierung geringere Kosten die geringsten Schätzungen der Firmen. Bis
ermöglicht. Diese sind durch energieopti- 2050 werden allerdings auch hier Kosten un-
mierten und massenproduzierten bzw. groß- ter 100 €/tCO2 erwartet. (Fasihi et al., 2019)
skaligen Aufbau der Verfahren erreichbar.
Durch weitere Verbesserungen sollen die
Kosten nach Aussage der Firmen bis 2050
auf unter 50-100 USD/tCO2 sinken.
Strom- PtL-
CO2 Anteil CO2 Anteil Strom Referenz
preis Kosten
€/t €/L % €/MWh €/L % €/L
37,75 0,085 3,1 105 1,85 67,5 2,74 (Albrecht et al. 2017)
11,29 0,060 2,3 105 1,87 73,1 2,56 (Becker et al. 2012)
37,59 0,1 2,9 140 2,31 68,1 3,39 (König et al. 2015)
37,59 0,1 3,6 105 1,73 62,5 2,77
Eigene Berechnung
37,59 0,1 7 20 0,33 24 1,37 basierend auf (König
100 0,27 17 20 0,33 22 1,53 et al. 2015; Albrecht et
al. 2017)
250 0,67 34 20 0,33 17 1,93
Tabelle 2: Kostenstruktur von PtL-Kraftstoffen für beispielhafte Standortszenarien mit unter-
schiedlichen Beschaffungspreisen für CO2 und erneuerbarem Strom. Berechnungen basieren
auf König et al. und deren simuliertem FTS-Prozess. Die Kosten wurden ausgehend von den
Literaturdaten neu berechnet, indem die Kosten für Strom und CO2 entsprechend umgerechnet
wurden. Sämtliche Kosten sind reine Produktionskosten ohne Abgaben wie Steuern oder
Transport.
-3-Executive Summary
temperier-
Mais Regenwald DAC BECCS*
ter Wald
Landbedarf
329 270 390 7-8,4 424-450
km2/MtCO2
Fläche für
424.000-
1 GtCO2/a in 328.785 270.000 390.000 7.000-8.400
450.000
km2
Fläche ent- Großbritan- Großraum Kalifornien/
Finnland Deutschland
spricht ca. nien London Schweden
(Deutsches
Maiskomitee
e.V. (DMK); (National Academies Press
Referenz (Creutzig et al. 2019)
Wördehoff (US) 2018)
et al. 2012;
Schink)
Tabelle 3: Flächenverbrauch verschiedener Möglichkeiten, CO2 aus der Atmosphäre zu ent-
nehmen. Die Daten basieren auf den jeweils angegebenen Referenzen mit eigenen Um-
rechnungen, um die Zahlen vergleichbar zu gestalten.
verbreitet sind die erwähnten Gaswäschen
CO2 aus Punktquellen kann mit 15- oder die Druck- bzw.- Temperaturwech-
30 €/tCO2 deutlich günstiger sein als DAC seladsorption.
CO2 kann neben der Entnahme aus der At-
mosphäre auch aus konzentrierten Punkt- CO2-Bilanz von Punktquellen hängt stark
quellen stammen. Dabei wird produziertes von der Weiterverwendung ab
CO2 aufgefangen, anstatt es in die Atmo- Bei der Entnahme von CO2 aus Punktquellen
sphäre zu entlasten, beispielsweise bei Ze- ist im Hinblick auf den Klimawandel zu be-
ment- oder Stahlwerken. Zu beachten ist hier denken, dass gefangenes CO2 aus fossilen
auch, dass die CO2-Emissionen aus Quellen Quellen bei stofflicher Nutzung lediglich ein-
wie dem Zementbrennen zu zwei Dritteln aus mal wiederverwendet wird, ehe es endgültig
der chemischen Reaktion stammen und pro- in die Atmosphäre gelangt. Ein Netto-Null-
zessbedingt unvermeidbar sind. Dem gegen- Zustand oder gar negative CO2-Emissionen
über stehen vermeidbare Emissionen aus stellen sich somit nicht ein. Stammt das CO2
der Energiebereitstellung z.B. für Hochtem- aus biogenen Quellen, wie beispielsweise
peraturwärme in der Industrie. Die höhere Biogasanlagen ist ein geschlossener Koh-
Konzentration und die technische Reife der lenstoffkreislauf möglich.
Abscheideprozesse führt dabei zu deutlich
geringeren Kosten und einem potenziell Landbedarf von biogenen Lösungen zur
niedrigeren Energiebedarf. Diese werden CO2-Entfernung aus der Atmosphäre im
sich im Gegensatz zu DAC in den nächsten Vergleich zu DAC bis zu 65-fach höher
Jahren voraussichtlich nicht gravierend ver- Die verschiedenen Gewinnungsmöglichkei-
ändern, da Technologien wie Gaswäschen ten von CO2 aus der Atmosphäre unterschei-
bereits großindustriell eingesetzt werden und den sich neben den wirtschaftlichen und
in der Regel lediglich für das spezifische Ab- technischen Aspekten auch in ihrem Platz-
gas validiert werden müssen. Die Technolo- bedarf. Im Vergleich zu DAC benötigen bio-
gien zur Abtrennung von CO2 aus kon- gene Lösungen, beispielsweise BECCS*,
zentrierten (Ab-) Gasen sind vielfältig. Weit
*BECCS: Bioenergy with Carbon Dioxide Capture and Storage (deutsch ca.: Bioenergie mit
CO2- Abscheidung und Speicherung), bezeichnet das Abscheiden und Speichern (CCS) von
CO2 aus Abgasen der Energiegewinnung mittels biogener Energieträger, bspw. Biogas/-masse.
-4-Executive Summary
viel größere Flächen, die außerdem ausrei-
chend fruchtbar sein müssen. Je nach Methanol aus PtL-Prozessen kann zu
Schätzung ist DAC zwischen 40 und 65 Mal Kraftstoffsubstituten umgesetzt oder als
flächeneffizienter als Wälder oder der Anbau Grundchemikalie verwendet werden
von Energiepflanzen. Methanol wird analog zur FTS aus Synthe-
segas produziert. Die Schritte vor der eigent-
Power-to-Liquid (PtL) lichen Synthese sind dementsprechend
Unter Power-to-Liquid (kurz PtL) wird die identisch. Methanol kann direkt als Einsatz-
Herstellung von synthetischen Kraftstoffen stoff für chemische Verfahren verwendet
auf Basis von erneuerbarem Strom, Wasser werden. Auch eine Nutzung als Kraftstoff ist
und einer Kohlenstoffquelle verstanden. möglich, entweder direkt oder nach Um-
Über eine Elektrolysestufe zur Wasserstoff- wandlung über den Methanol-to-Gasoline
herstellung und verschiedene Reaktions- (MtG)-Prozess.
schritte können so energiereiche Kohlen-
wasserstoffe hergestellt werden, die sich in Prozessintegration von DAC mit der PtL-
existierenden Produktionsprozessen und Inf- Synthese kann den Wärmebedarf für die
rastrukturen als klimaneutraler Ersatz für fos- CO2-Gewinnung deutlich senken
sile Erdölprodukte einsetzen lassen. Die vier Prozesskonfigurationen, also die
beiden Synthesegasvarianten verknüpft mit
Fischer-Tropsch-Synthesen (FTS) kön- den beiden Synthesen, wurden auf grundle-
nen Kohlenwasserstoffe äquivalent zu gender Basis simuliert. Ziel dieser Prozess-
Raffinerieprodukten liefern simulationen war es die Frage zu klären, ob
Die FTS liefert Kohlenwasserstoffketten, die Abwärme der exothermen Synthesen
welche aus Synthesegas, also einem Ge- ausreicht, um die Regenerationswärme für
misch aus Kohlenmonoxid (CO) und Was- die DAC bereitzustellen. Diese Synergie
serstoff, hergestellt werden. Das CO2 wird würde DAC im Vergleich zu CO2 aus Punkt-
dabei unabhängig von der Quelle mittels quellen deutlich attraktiver machen. Es hat
rückwärtiger Wassergas-Shift-Reaktion sich gezeigt, dass vor allem die ineffiziente-
(rWGS) oder direkt in einer Dampf/CO2-Co- ren Prozesse mit vorgeschalteter PEM-
Elektrolyse in CO umgesetzt. Elektrolyse im Syntheseteil ausreichend
abgedeckter Anteil
des DAC-Wärme-
bedarfs durch die
Abwärme der
Synthese
Energetische Effizi-
enz des Prozesses
(Output an chemi-
scher Energie be-
zogen auf einge-
brachte Leistung)
Abbildung 1: Effizienz der verschiedenen Prozessvarianten gemäß vereinfachter Prozesssi-
mulationen mit je einer Synthesegaserzeugung (rWGS= reverse Watergasshift;
SOEC= Solid Oxide Co-Electrolysis Cell) und einer PtL-Synthese (MeOH= Methanolsyn-
these; FTS= Fischer-Tropsch-Synthese)
-5-Executive Summary
Wärme auf einem Temperaturniveau höher Markthochlauf: Um den erwarteten DAC-Be-
als 100°C auskoppeln können, während die darf der nächsten Jahrzehnte für PtL und die
effizienteren Prozesse mit Dampfelektrolyse chemische Industrie zu decken, müssen In-
weniger Abwärme generieren. Alle Varianten vestitionen in DAC getätigt werden. Die Ze-
können mindestens die Hälfte der für den mentindustrie allein könnte mit ihren aktuel-
DAC-Prozess benötigten Wärme zur Verfü- len Emissionen von 22 MtCO2/a den erwarte-
gung stellen. ten industriellen Bedarf an CO2 als Rohstoff
im Jahr 2050 bei weitem nicht decken. Allein
Die CO2-Kosten haben im Vergleich zu für die chemische Industrie erwartet man
den Stromkosten einen geringen Hebel auch bei stofflicher Nutzung der eigenen
auf den Preis des fertigen PtL-Produkts CO2-Emissionen einen zusätzlichen Bedarf
Die Kosten für Kraftstoffe aus PtL-Verfahren an CO2 als Kohlenstoffquelle in Höhe von
hängen von verschiedenen Faktoren ab. In 41 MtCO2/a, um das Ziel der CO2-Neutrlität zu
die Kosten fließen der Strompreis, der CO2- erreichen. (Heinzmann et al., 2020, Roland
Preis, sowie fixe Anlagenkosten für Invest- Geres et al., 2019). DAC sollte daher so
ment und Betrieb ein. König et al. bestimmen schnell wie möglich ausgebaut und so Pro-
mit 105 €/MWh Strompreis und 38 €/tCO2 ei- duktionskapazitäten geschaffen werden. Die
nen Kraftstoffpreis von 2,74 €/L für ein Fi- Investitionssumme steigt für die von
scher-Tropsch-Produkt. 70% entfallen dabei Deutschland verursachten CO2-Emissionen
auf Energie und nur 3% auf CO2. Bei An- dabei schätzungsweise bis ins Jahr 2050 auf
nahme einer CO2-Gewinnung per DAC für knapp über 6 Mrd. €/a an. Um die erforderli-
100€/tCO2 und günstigem erneuerbaren che Kostensenkung auf optimalem Weg zu
Strom von 20 €/MWh steigt zwar der Anteil erreichen, ist es wichtig, schon heute DAC-
der CO2-Kosten auf 17 %, dennoch fallen die Kapazitäten zu schaffen. Nur bei einem ste-
Gesamtkosten auf 1,53 €/L. Es kann also tigen Hochlauf, weder zu langsam noch zu
sinnvoll sein atmosphärisches CO2 an Orten schnell, können die Bedarfe in einigen Jahr-
mit großem Potential an Erneuerbaren zu zehnten zu den dann gesunkenen Preisen
verwenden, statt Punktquellen-CO2 mit teu- gedeckt werden.
rer Energiebeschaffung zu verknüpfen.
CO2-Quellen im direkten Vergleich: Je
nach Szenario kann sowohl DAC als auch
Punktquellen-CO2 sinnvoll sein
Bei der Auswahl der CO2- Quelle sollten ei-
nige Faktoren bedacht werden:
Klimaschutz: Wirklich CO2-neutrale Kraft-
stoffe können nur mit atmosphärischem CO2
aus DAC oder Biomasse realisiert werden.
Fossile Punktquellen können nur mit langfris-
tiger Speicherung (CCS) THG-neutral wer-
den. Unvermeidbare fossile Emissionen, wie
beispielsweise aus Zementwerken, sollten
wie biogenes CO2 gefangen werden, um
eine maximale CO2-Reduktion zu ermögli-
chen. Es sollten allerdings keine unnötigen
Laufzeitverlängerungen für vermeidbare fos-
sile Emittenten, vor allem im Energiesektor,
zugelassen werden.
Wirtschaftlichkeit: Hauptkostenfaktor synthe-
tischer Kraftstoffe ist der Strompreis. Stand-
orte mit günstigem erneuerbaren Strom sind
also in der Regel Standorten mit günstiger
CO2-Verfügbarkeit vorzuziehen, vorausge-
setzt die CO2-Kosten für DAC entwickeln
sich wie erwartet. Dies hängt auch vom
Markthochlauf ab.
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