Der Aufstieg von Kohlendioxid (CO2) als erneuerbare Kohlenstoffquelle

CO₂-basiertes Methanol als Kraftstoff oder Polymerbaustein

Methanol auf der Basis von CO₂ ist derzeit eine der fortschrittlichsten und vielversprechendsten (Carbon Capture and Utilisation) CCU-Technologien zur Herstellung von Kraftstoffen und chemischen Grundstoffen. Diese Technologie kann als Speichersystem für Solar- und Windenergie oder als Ausgangsstoff für erneuerbare Chemikalien (z. B. Formaldehyd) oder Polymere (über die Methanol-to-Olefins-Technologie) verwendet werden. Methanol kann ferner als Kraftstoffzusatz verwendet werden und ist auch für die Schifffahrtsindustrie als alternativer Kraftstoff für Schiffe von großem Interesse. Dieser kann Schweröl erfolgreich ersetzen, ohne dass die Motoren ausgetauscht werden müssen. Das nova-Institut hat rund 25 Unternehmen identifiziert, die Methanol auf CO₂-Basis entwickeln, meist auf der Grundlage der CO₂-Hydrierung, einige von ihnen entwickeln elektrochemische Verfahren. Im Jahr 2011 nahm das Pionier-Unternehmen Carbon Recycling International (CRI) in Island eine Methanol-Pilotanlage mit einer Kapazität von 4.000t/a in Betrieb. Im Jahr 2022 wurde in China eine neue Anlage in Betrieb genommen, die auf der von CRI lizenzierten Technologie basiert. Zwei weitere neue Anlagen sollen bis 2025 in China und Norwegen in Betrieb genommen werden. Viele andere Technologieanbieter und Unternehmen haben angekündigt, bis 2030 kommerzielle Anlagen zu errichten, die eine Kapazität von 1 Megatonne (Mt)/a für CO₂-basiertes Methanol erzielen sollen.

Der Run auf CO₂-basierte Kohlenwasserstoffe

Viele Unternehmen arbeiten an der Nutzung von CO₂-basiertem Synthesegas mithilfe von Fischer-Tropsch-Technologien zur Herstellung maßgeschneiderter CO₂-basierter Kohlenwasserstoffe wie Kerosin, Diesel, Naphtha und Wachsen. Sie ist eine der derzeit am weitesten entwickelten Technologie zur technischen Nutzung von CO₂. Als Schwerpunkt gilt hierbei die Kerosinfraktion, bei der die Quote nachhaltig produzierter Flugtreibstoffe (SAF) entsprechende Projekte extrem vorantreibt, Märkte sichert und hohe Investitionen in den europäischen Chemieparks fördert. Alle genannten Fraktionen entstehen im Zuge von Fischer-Tropsch-Prozessen, die auch andere Produkte wie Naphtha oder Wachse für die chemische Industrie verfügbar machen. Insbesondere Wachse erzielen gute Marktpreise.

Eine der ersten kommerziellen Anlagen auf Basis CO₂-basierter Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffe soll im Jahr 2025 in Betrieb gehen und wird von dem norwegischen Unternehmen Nordic Electrofuel betrieben. Dieses plant, eine Anlage mit einer Kapazität von 10Ml/a in Betrieb zu nehmen und zukünftig schrittweise zu erweitern. Insgesamt ermittelte das nova-Institut 15 Unternehmen, die CO₂-basierte Kohlenwasserstoffe entwickeln. Bei diesen handelt es sich entweder um Technologieanbieter CO₂-basierter Synthesetechnologien, die die Fischer-Tropsch-Technologie für die kommerzielle Herstellung von Kraftstoffen nutzen oder um Unternehmen, die Technologien anderer Anbieter nutzen, um aus ihren Emissionen einen Mehrwert zu schaffen, sowie um Konsortialprojekte.

Biotechnologische und elektrochemische Umwandlung zur Erweiterung der Palette von Chemikalien auf CO₂-Basis

Die biotechnologische CO₂-Umwandlung ist nach wie vor von großem Interesse und bietet großes Potenzial zur Herstellung zahlreicher chemischer Grundstoffe und Polymere. Das nova-Institut hat 13 Unternehmen identifiziert, die im Bereich der biotechnologischen Umwandlung von CO₂ in Chemikalien tätig sind. Die Hauptakteure verfügen über ein großes Portfolio und könnten Chemikalien wie Methan, Ethanol, Milchsäure oder Butanol anbieten. Eine der fortschrittlichsten Technologien in diesem Bereich zählt zum Unternehmen LanzaTech, das derzeit drei kommerzielle Anlagen für Ethanol auf CO₂-Basis in China und Belgien betreibt, die für Kraftstoff- und Ethylensynthese verwendet werden. Ein weiteres ist das Unternehmen Electrochaea, das Methan produziert, welches in das Erdgasnetz eingespeist werden kann. Electrochaea verfügt über mehrere Pilotanlagen im industriellen Maßstab in Europa und den USA und will bis 2025 mehr als 320.000 Tonnen Methan pro Jahr produzieren.

In den vergangenen Jahren wurden zahlreiche Verbesserungen bei der elektrochemischen Umwandlung von CO₂ in Chemikalien erzielt, was zu einem steigenden Interesse der wichtigsten Akteure und zur Gründung mehrerer Start-ups in diesem Bereich führte. Das nova-Institut ermittelte 18 Unternehmen, die in diesem Entwicklungsbereich aktiv sind und sich primär auf CO (oder Synthesegas), Methanol, Ameisensäure oder Ethylen konzentrieren. Viele Pilotanlagen sind bereits in Betrieb. Die CO- (oder Synthesegas-) Produktion über diesen Weg wird bald in einer kommerziellen Anlage, kombiniert mit der Fischer-Tropsch-Technologie, zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen eingesetzt werden.

Wichtigste CO₂-Nutzung für Polymere

Verschiedene Anbieter machen CO₂-basierte Polycarbonate bereits kommerziell erhältlich. Eine der größten verfügbaren Mengen sind aromatische Polycarbonate (PC), die auf einer von Asahi Kasei lizenzierten Technologie basieren. Die Gesamtproduktionskapazität von etwa 900 Kilotonnen (kt)/a aromatischem PC entspricht ca. 16 % der weltweiten Produktionskapazität für aromatisches PC. Darüber hinaus bieten mehrere Unternehmen weltweit aliphatische Polycarbonate wie Polypropylencarbonat (PPC) für eine breite Palette von Anwendungen an. Versionen mit hohem Molekulargewicht werden für thermoplastische Anwendungen eingesetzt, während Versionen mit niedrigem Molekulargewicht als Polycarbonatpolyole verwendet werden und im Polyurethan (PU)-Sektor als Schaumstoff oder Beschichtung Anwendung finden. Der CO₂-Anteil kann bei diesen Polymertypen bis zu 50 Gewichtsprozent betragen. Das nova-Institut hat 14 Unternehmen identifiziert, die CO₂-basierte Polycarbonate für verschiedene Anwendungen entwickeln. Diese Unternehmen sind überwiegend in Asien ansässig.

Darüber hinaus wurden fünf Unternehmen ermittelt, die Polyhydroxyalkanoate (PHA) auf CO₂-Basis entwickeln, wobei ein Unternehmen, Newlight Technologies, die kommerzielle Kapazität erreicht hat und plant, diese bis 2024 zu erweitern. Viele CO₂-basierte Chemikalien können für Polymeranwendungen genutzt werden, zeitgleich arbeiten einige Unternehmen an Projekten, die auf diese Endanwendung abzielen.

Lebens- und Futtermittel aus CO₂-basierten Proteinen

Einzellige Proteine (Single Cell Proteins, SCP) beschreiben Mikroorganismen oder isolierte Proteine, die mikrobiell synthetisiert werden. Mikroorganismen sind nicht nur in der Lage, große Mengen an Proteinen (bis zu 70 %) zu produzieren, sondern liefern auch große Mengen an Fettsäuren, Vitaminen und Mineralsalzen. Sie können als Tierfutter und für den menschlichen Verzehr dienen. SCP auf CO₂-Basis können eine vielversprechende Alternative sein, um den wachsenden Proteinbedarf zu decken und gleichzeitig einen Anstieg tierischer Futtermittel für die Proteinproduktion auf Tierbasis zu vermeiden. Das nova-Institut hat 13 Unternehmen identifiziert, die CO₂-basierte Proteine auf der Grundlage biotechnologischer Umwandlung entwickeln. Diese Unternehmen sind überwiegend in Europa und Nordamerika ansässig. Einige Technologien haben den Pilotmaßstab erreicht, während die erste kommerzielle Anlage noch 2023 von dem Unternehmen Solar Foods in Finnland eröffnet werden soll.

Bauen mit CO₂-basierten Mineralien

Die Ex-situ-Mineralisierung oder „enhanced rock weathering“ (ERW) kann in Laborumgebungen oder Industrieanlagen eingesetzt werden. Derzeit befinden sich einige Technologien auf dem Markt, die den Karbonisierungsprozess nutzen, um Ersatzprodukte für die Zementindustrie herzustellen. Als Ausgangsmaterial können Industrieabfälle wie Hochofen- und Stahlschlacke dienen. Diese Technologien ermöglichen die Herstellung von Zement mit einem geringeren Kohlenstoff-Fußabdruck als alternatives Bau- und Konstruktionsmaterial. Das nova-Institut ermittelte 15 Unternehmen, die eine auf Gesteinsverwitterung-basierende verstärkte Mineralisierung entwickeln. Die meisten dieser Unternehmen sind in Europa und Nordamerika ansässig. Einige Technologien haben bereits den kommerziellen Maßstab erreicht, beispielsweise das Unternehmen GreenOre, und werden häufig in Verbindung mit anderen industriellen Abfallquellen eingesetzt. Mehrere andere kommerzielle Anlagen sind bis zum Jahr 2030 geplant.

REFERENZEN:

De la Garza, A. 2023: The Inflation Reduction Act Includes a Bonanza for the Carbon Capture Industry (www.time.com). Last access 23-03-01. https://time.com/6205570/inflation-reduction-act-carbon-capture/
IPCC 2022: Climate Change 2022 Mitigation of Climate Change. Last access 2022-12. https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg3/downloads/report/IPCC_AR6_WGIII_FullReport.pdf
Kähler, F., Porc, O., Carus, M. 2023: RCI Report: Carbon Flows. Compilation of supply and demand of fossil and renewable carbon on a global and European level. Renewable Carbon Initiative, February 2023 (Ed.), Download at www.renewable-carbon-initiative.com