COzwei

Das Molekül Kohlenstoffdioxid ist ein ganz besonderer Stoff! In ihm steckt Fluch und Segen gleichermaßen. In zu hohen Konzentrationen ist es ein klimaschädliches Gas, aber zugleich kann es einer der Rohstoffe sein, der uns aus der aktuellen Klimakrise führen kann. Seine wahre Bedeutung die er für die Synthese speicherfähiger Energieträger hat wird vielen Menschen erst im nächsten Jahrzehnt bewusst werden!

 

Welche Bedeutung hat CO2 für unsere Arbeit als Ingenieurgemeinschaft Kensche, Ruth und Partner (KR&P)?

Kohlenstoffdioxid (CO2) ist der essentielle Rohstoff den wir für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe benötigen. Die Wiederverwertung von CO2, sozusagen das Recyceln, kann für uns ein erster Schritt auf dem Weg in eine CO2 neutrale Energiegesellschaft sein. Die synthetisch hergestellten Kraftstoffe können uns dabei helfen, die für den Klimawandel mitverantwortliche CO2 Emissionen kurzfristig auf dem aktuellen Wert “einzufrieren”, und langfristig zu reduzieren. Ganz wichtig ist dabei, dass wir in diesem Fall von defossilisierten aber noch nicht von decarbonisierten flüssigen Energieträgern reden!

Die mit “recyceltem” CO2 synthetisch hergestellten Kraftstoffe sind für uns deshalb ein unverzichtbarer Teil der von der Bundesregierung bis 2050 geforderten Ziele einer CO2 neutralen Energieerzeugung. Die Bereitstellung synthetischer Kraftstoffe kann zudem dazu beitragen die gewaltigen Kraftanstrengungen, die mit dem Transformationsprozess in den Energiesektoren unserer Volkswirtschaft verbunden sein werden, allgemeinverträglich zu verteilen.

Die Hinwendung zu einer defossilisierten Energiewirtschaft wird CO2 als Rohstoff, der insbesondere zur Herstellung von Kraftstoffen mit hoher Energiedichte benötigt wird, in den nächsten Jahren eine wachsende Bedeutung zukommen lassen.

 

Was uns als Ingenieurgemeinschaft KR&P wichtig ist:

Die Bereitstellung von CO2 neutral erzeugter Energie bedeutet nicht zwangsläufig, dass wir auf Energieträger wie Benzin oder Diesel verzichten müssen! Um zu verstehen, dass wir in vielen Bereichen auch weiterhin auf kohlenstoffhaltige Energieträger angewiesen sein werden, ist es notwendig, ein tieferes Verständnis von den Energiekreisläufen unserer Volkswirtschaft zu erhalten. In diesem Zusammenhang befassen wir uns als Ingenieurgemeinschaft unter anderem auch ausgiebig mit dem Begriff der Sektorenkopplung.

Wir als Ingenieurgemeinschaft KR&P sind dabei zu folgender wichtiger Erkenntnis gelangt:

Langfristig lässt sich ein Netto Null an CO2 Emissionen nur durch eine etablierte CO2-Capturing Infrastruktur umsetzen. Die zusätzliche Attraktivität, die CO2 dadurch erfährt, dass es als begehrter Rohstoff Eingang in ein defossilisiertes Energiesystem in Form von synthetische Kraftstoffen erhält, wird das Abschöpfen von CO2 aus Abgasen mit hoher CO2-Konzentration, aber auch langfristig das Abschöpfen aus weniger ergiebigen Quellen attraktiv machen.

 

CO2-Klimaschutz-Ziele!

Die Vereinten Nationen haben im Rahmen der für 2015 bis 2030 definierten Nachhaltigkeitsziele erstmalig den Punkt Climate-Action mit in ihr Programm aufgenommen.

 

Die von der UN definierten Ziele lauten hierzu wie folgt:

Der im Vertrag von Paris 2015 festgelegte Wert bestätigt, dass die maximal zu verantwortende Temperaturerhöhung der Erdatmosphäre 1,5°C betragen darf, wobei sich dieser Wert auf den Wert aus vorindustrieller Zeit referenziert.

 

Die von der EU daraus abgeleiteten Klimaschutzziel lauten wie folgt:

Die EU-Kommission fordert ein klimaneutrales Europa bis zum Jahr 2050!

Dies bedeutet konkret, dass eine Defossilisierung unserer Energiewirtschaft bis zum Jahre 2050 erreicht werden muss! Bei der Umsetzung dieser EU-Ziele referenziert man sich auf die CO2-Konzentration des Jahres 1990.

Wenn man in folgenden Schritten A bis D voranschreitet, dann kann dies Ziel bis 2050 erreicht werden.

  • A: 2020 Reduzierung des CO2-Ausstoßes um 20% gegenüber 1990
  • B: 2030 Reduzierung des CO2-Ausstoßes um 55% gegenüber 1990
  • C: 2040 Reduzierung des CO2-Ausstoßes um 70% gegenüber 1990
  • D: 2050 Reduzierung des CO2-Ausstoßes um 100% gegenüber 1990

siehe hierzu folgende Kommentierungen und Referenzen:

 

Die erklärten CO2-Ziele der Bundesregierung (Stand 2019) lauten wie folgt:

Die Bundesregierung schließt sich den 2050’er-Zielen der EU, unter Vorbehalt eines Zielkorridors der CO2 Reduzierung von 80% bis 95%, an!

Hiermit können die von der UN, als auch der EU vorgegebenen Ziele, bis 2050 nicht erreicht werden.

Dies führt zwangsläufig zu der Schlussfolgerung, dass wir auch weit über das Jahr 2050 hinaus das CO2 aus der Atmosphäre entfernen müssen. Dies werden wir entweder durch Abgas-Technologien erreichen, die wir unseren Schwellenländern zur Verfügung stellen werden, oder aber durch Technologie erreichen, die das CO2 nach dem Jahr 2050 bei uns in Europa direkt aus der Luft abfangen.

 

Wann entsteht Kohlendioxid?

Der CO2-Gehalt der Atmosphäre konnte bis zur vorindustriellen Zeit als näherungsweise konstant angesehen werden. Seit der letzten Eiszeit bestand ein Gleichgewicht von Eintrag und Austrag des CO2 der Atmosphäre.

Dieses Gleichgewicht wird seit der industriellen Revolution durch anthropogene Verbrennung fossiler Brennstoffe gestört.

Kohlendioxid entsteht unter anderem bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen. Bei vollständiger Verbrennung von einem Liter Kraftstoff entstehen folgende Mengen an Kohlendioxid:

 

Die Konzentration von CO2 in den Abgasen fossiler Brennstoffe beträgt:

  • Energiewirtschaft (Gasturbine 3-4 Vol %), (IGCC (sehr hohe Reinheit); integrierter Vergasung 14 Vol %)
  • Zementherstellung zwischen 14 und 33 Vol %
  • Stahlherstellung zw. 15 und 27 Vol %
  • Raffinerien zw. 3 und 13 Vol %
  • Chemische Industrie (sehr hohe Reinheit)
  • Transport (Diesel 7,1 Vol %, Benzin 21 Vol %)
  • Sauerstoffverbrennung (ca. 80 Vol %, verglichen mit 4-14% bei der Verbrennung mit Luft)
  • Braunkohle (12,3 – 14,8 Vol %)
  • Braunkohle im Oxyfuel-Verfahren (54,4 – 75,8 Vol %)
  • Heizöl (13 – 13,5 Vol %)
  • Erdgas (8,7 – 9,0 Vol %)

 

Anteil von CO2 bei der Produktion von:

  • Welt-Ammoniak-Syntheseproduktion (2006): 124Mt, wobei 970kg CO2/t Ammoniak (120Mt/a)
  • Ethylenoxidsynthese: 5,1Mt/a
  • Erdgasreinigung

 

Am Gasgemisch Luft, also in unserer Erdatmosphäre, hat Kohlendioxid derzeit (Stand 2020) einem Anteil von 0,0407 Vol. %.

 

Änderungen der Kohlendioxid-Konzentration in unserer Atmosphäre!

Mitte des 18. Jahrhunderts (vorindustrielles Zeitalter) lag der Kohlendioxidanteil in der Luft bei 0,019 Vol.%.

Bis 1958 stieg der Kohlendioxidanteil in der Luft auf 0,031 Vol.% an.

Im Jahr 2015 erreichte er einen Wert von 0,040 Vol.%!

Die atmosphärischen CO2-Werte schwankten zwischen 0,019 Vol.% während der Höhepunkte der Eiszeiten und 0,028 Vol.% während der Warmzeiten.

2017 lag der Anstieg im 10-Jahres-Mittel bei gut 0,0002 Vol.% pro Jahr! Für diesen Anstieg sind anthropogen verursachten Kohlenstoffdioxid-Emissionen, in Höhe von jährlich circa 36,3 Gigatonnen verantwortlich.

Zum Vergleich, die überwiegend aus natürlichen Quellen stammenden Kohlenstoffdioxid-Emissionen der Erde betragen jährlich etwa 550 Gigatonnen.

 

Welche Auswirkungen hat die Veränderung der Kohledioxid-Konzentration in der Atmosphäre?

Kohlenstoffdioxid absorbiert elektromagnetische Strahlung hauptsächlich im Spektralbereich der Infrarotstrahlung und wird dabei zu Molekülschwingungen angeregt. Auf dieser Eigenschaft beruht seine Wirkung als Treibhausgas.

 

Was kann aus Kohlendioxid herstellt werden?

Aus Kohlendioxid und Wasserstoff kann man synthetische Kraftstoffe herstellen.
Mit erneuerbaren Energien aus Windkraft- und Solaranlagen kann durch Elektrolyse grüner Wasserstoff hergestellt werden. Dieser Wasserstoff kann unter Verwendung von Kohlenstoffdioxid in Power-to-Gas-Anlagen (Sabatier-Prozess) in Methan umgewandelt werden.

Weiterhin können Synthesegase zur Herstellung von Treibstoffen (Power-to-Fuel) und Chemierohstoffen (Power-to-Chemicals) verwendet werden. Dies kann beispielsweise über eine Fischer-Tropsch-Synthese geschehen.

Im Fall der synthetischen Kraftstoffe ist eine sinnvolle technische Realisierung mit einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft eng verknüpft, bei der die Wasserstofferzeugung natürlich nur auf regenerativen Prozessen beruhen darf.

 

Wie kann man Kohlendioxid binden, bzw. aus Abgasen abtrennen?

Die Natur macht es uns vor, denn Pflanzen und photosynthesefähige Bakterien nehmen Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre auf. Unter Einwirkung von Licht und Aufnahme von Wasser werden Kohlenhydrate gebildet. Auf diese Weise können 30% der anthropogen verursachten Kohlenstoff-Emissionen gebunden werden. Ein Baum kann auf diese Weise in einem Jahr ca. 12kg CO2 speichern.

Zu beachten ist hierbei allerdings, dass auch Pflanzen auf eine ansteigende CO2-Konzentration empfindlich reagieren, und geschädigt werden können. Diese Kohlendioxid-Senke ist also nicht unerschöpflich!

Der Ozean wirkt ebenfalls als große Kohlenstoffdioxid-Senke und nimmt circa 25% der durch menschliche Aktivitäten freigesetzten Menge an Kohlenstoffdioxid auf. Die damit über das natürliche Maß verbundene Erhöhung der CO2-Konzentration führt nachweislich langfristig zu einer Versauerung der Meere!

Der Rest der anthropogen verursachten CO2-Emissionen in Höhe von 45% wird von der Erd-Atmosphäre aufgenommen.

 

Technische Verfahren zum Abtrennen von CO2 aus Abgasen:
  • post-combustion: Rauchgaswäsche mittels geeigneter Absorber (Amine; das bekannteste ist das Monoethanolamin )
  • pre-combustion: Abtrennung vor der Verbrennung mittels integrierter Vergasung

Die Abtrennung kann durch folgende Verfahren erfolgen:

 

Technische Verfahren zum Anreichern von CO2 in Abgasen:
  • Oxyfuel-Verfahren: Verbrennung mit Sauerstoff

Bei Oxyfuelverfahren, also der Sauerstoffverbrennung, handelt es sich um ein Verfahren, bei dem ein Abgasgemisch mit sehr hohem CO2-Anteil entsteht.

Die Abtrennung kann durch die obengenannten Verfahren erfolgen (nur mit besserem Wirkungsgrad).

 

Wie kann man Kohlendioxid speichern?

Der Farbcode von CO2-Flaschen:

Kohlenstoffdioxid wird in graue Stahlflaschen, oder aber weiße Flaschen (Medizin) mit grauer Schulter abgefüllt.

 

  • Gasförmig: Unter Standardbedingungen beträgt die Dichte von Kohlenstoffdioxid 1,98 kg·m−3 (0 °C und 1013 hPa)
  • Flüssig: Unterhalb der kritischen Temperatur von 31,0 °C kann Kohlenstoffdioxid durch Drucksteigerung zu einer farblosen Flüssigkeit verdichtet werden. Bei Raumtemperatur ist dazu ein Druck von circa 60 bar erforderlich.
  • Fest: Kohlenstoffdioxid liegt bei Normaldruck unter −78,5 °C als Feststoff vor, und wird Umgangssprachlich als Trockeneis bezeichnet.
  • Stofflich: als regenerativ hergestellter Treibstoff (z.B. Methan; kurzfristig), durch Erschließung von Produkten auf Basis von CO2 (Polymere; mittelfristig), in Erdlagerstätten als Erdöl (langfristig)

 

CO2-Speicher:
  • Kryogenspeicher
  • Druckspeicher
  • Hybridspeicher
  • Speicherung in Lagerstätten (gasundurchlässige Lagerstätten wie: bereits ausgebeutete Gaskavernen, Salzbergwerke, Erdöl- und Erdgaslagerstätten, usw.; siehe hierzu Statoil, Sleipnerfeld)
  •  Pipelines

 

reine Transportkosten von CO2, ohne Investitionskosten
  • Pipelines (Kosten: 1-3€/t 250km)
  • Schiff in Druck-, Tieftemperatur-, Hybridtanks (Kosten: 1€/t 250km)
  • LKW, Bahn in Drucktanks (Kosten: >25€/t 250km)

 

Investitionskosten für den Transport von CO2
  • Pipelines (330km, 350mm Durchmesser, 1,8Mt/a Durchsatz, 152bar Druck, 330000$/km; Beispiel Weyburn-Pipeline)
  • Schiff (34-82M$ für 10-50kt Kapazität)
  • LKW, Bahn

 

Welchen Preis hat CO2
  • Marktpreis
  • Herstellungspreis (Direct Air Capturing)
  • CO2 Börsenpreis (Zertifikat) 25 Euro ab Januar 2021. Danach steigt der Preis schrittweise bis zu 55 Euro im Jahr 2025 an. Danach soll ein Preiskorridor von mindestens 55 und höchstens 65 Euro gelten.

 

Wer muss die CO2-Steuer zahlen?
  • in Deutschland nur Firmen aus der Energiewirtschaft, Industriekonzerne und Fluglinien
  • ab 2021 sollen Hersteller und Anbieter von Waren und Dienstleistungen einen festen Preis pro Tonne Kohlendioxid zahlen

 

Welche Eigenschaften hat Kohlendioxid?

Physik:

  • In der Natur kommt Kohlendioxid üblicherweise gasförmig vorbei
  • Bei Normaldruck liegt Kohlendioxid erst unter – 78,5 °C als Feststoff (Trockeneis) vor.
  • Nur bei Temperaturen zwischen -56,6 und 31 °C und Drücken über 5,18 bar kann Kohlendioxid verflüssigt werden.

 

Wirkung auf Tier und Mensch:

  • Atemreiz: Im Blut gelöstes Kohlenstoffdioxid aktiviert das Atemzentrum des Gehirns.
  • Giftigkeit: Eine Kohlenstoffdioxid-Konzentrationen von acht Prozent führt innerhalb von 30 bis 60 Minuten zum Tod.

Die Lüftungsleitlinien geben vor, dass für ein optimales Raumklima das Kohlendioxid-Level maximal 1030 ppm betragen sollte.

 

Technische Anwendungen:
  • Kohlenstoffdioxid kann wegen seiner sauerstoffverdrängenden Eigenschaften zu Feuerlöschzwecken verwendet werden.
  • Kohlenstoffdioxid kommt als Kältemittel unter der Bezeichnung R744 zum Einsatz.
  • Kohlenstoffdioxid wird als Schutzgas in der Schweißtechnik eingesetzt.
  • kryogenes Kühlen und Frosten (z.B. von Lebensmitteln)
  • Karbonisierung (z.B. von Getränken)

 

Links: