CO2 ReUse NRW

Evaluierung von Quellen, Bedarf und Verwendungsmöglichkeiten der Gase CO2 und H2 in Nordrhein-Westfalen unter Berücksichtigung von Gasqualitäten

  • Projekt-Nr. 150268
  • Laufzeit 10/2014 - 12/2014

Um die nationalen und globalen Klimaschutzziele erreichen zu können, ist langfristig bis zur Jahrhundertwende eine nahezu vollständige Dekarbonisierung aller Sektoren im Energiesystem erforderlich. Während im Stromsektor der Umbau in Richtung erneuerbare Energien als eine zentrale Low-Carbon-Technologie bereits weit fortgeschritten ist, sind Ansätze zur weitgehenden Dekarbonisierung in der energieintensiven Industrie erst vereinzelt vorhanden. Dies gilt ungeachtet der Tatsache, dass die Energieeffizienzpotentiale in der energieintensiven Industrie schon aus rein wirtschaftlichen Überlegungen heraus bereits weitgehend ausgeschöpft worden sind und gegenüber anderen Sektoren überproportionale Einsparungen erreicht worden sind.

Als eine der zukünftigen Low-Carbon-Technologien wird heute die CO2-Nutzung diskutiert. CO2 wird dabei z. B. aus dem Abgasstrom von Kraftwerken abgetrennt, aufbereitet und als Rohstoff einer weiteren Verwendung zugeführt. In der Industrie werden fossile Ressourcen nicht nur als Brennstoffe, sondern vielfach auch als Grundstoffe zur Erzeugung verschiedener Produkte (z. B. Harnstoff, Düngemittel, Kunststoffe) eingesetzt. Die bei der industriellen Produktion freigesetzten CO2-Ströme weisen dabei häufig höhere Konzentrationen auf als es beispielsweise bei Abgasen aus Kraftwerken der Fall ist. Es liegt daher nahe, einerseits auf der Outputseite industrielle CO2-Quellen als Rohstoff für die chemische Industrie und zur Synthese von Brennstoffen wieder zu nutzen. Andererseits könnten auf der Inputseite in der Industrie eingesetzte fossile Rohstoffe durch Substitute aus zurückgewonnenem CO2 ersetzt werden. Dieser Schritt in eine CO2-basierte Kreislaufwirtschaft könnte - bei entsprechender Ausgestaltung - einen Beitrag zur Dekarbonisierung des Industriesektors und je nach Potential ggf. auch ansatzweise des Energiesektors leisten.
In dieser Studie werden die potenziellen CO2-Quellen, der potenzielle Bedarf und die Verwendungsmöglichkeiten von CO2 am Fallbeispiel Nordrhein-Westfalens (NRW) analysiert. Da die Nutzung von CO2 Aktivierungsenergie benötigt und in der Regel auf Wasserstoff als Energieträger angewiesen ist, werden auch dessen regionale Quellen und Nutzungsmöglichkeiten betrachtet. NRW mit seiner hohe Dichte an (energieintensiver) Industrie ist für diese Analyse gut geeignet.

Zunächst wird in Kapitel 1 untersucht, welche CO2-Quellen mittelfristig (Zeithorizont bis 2030) unter den Rahmenbedingungen einer stringenten Klimaschutzpolitik voraussichtlich noch zur Verfügung stehen werden. Dabei werden neben den industriellen Punktquellen aus der chemischen Industrie, der Eisen- und Stahlindustrie, der Zement- und Kalkindustrie, den Kokereien und den Raffinerien auch CO2-Quellen aus großen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (Steinkohle und Erdgas) sowie aus Müllverbrennungsanlagen und Biomethananlagen berücksichtigt. Die potentiellen CO2-Ströme werden quantitativ (CO2-Mengen), qualitativ (CO2-Konzentrationen) und hinsichtlich ihrer regionalen Verteilung untersucht. Analog werden die verfügbaren Mengen und die räumliche Verteilung von industriellen Wasserstoffquellen betrachtet.

Im zweiten Kapitel werden derzeitige und perspektivisch denkbare Nutzungspfade von CO2 und H2 erörtert. Dabei wird sowohl die Nutzung als chemischer Rohstoff als auch die Synthese zu gasförmigen (Power-to-Gas) und flüssigen (Power-to-Fuel) Brennstoffen behandelt. Ferner wird eine Übersicht über aktuelle Projekte und Forschungsaktivitäten in dem Bereich gegeben.

Das dritte Kapitel verknüpft die in Kapitel 1 identifizierten potenziellen Quellen von CO2 und H2 mit den in Kapitel 2 identifizierten potenziellen Nutzungsoptionen (Senken). Ausgehend von einer Diskussion der Voraussetzungen und Grenzen für sinnvolle Verwertungspfade von CO2, wird konkret die Bandbreite theoretischer Wiederwendungspotenziale von CO2 in NRW abgeschätzt. Von zentraler Bedeutung sind dabei Standortfragen, anhand derer sich beispielsweise entscheidet, welche Medien (Abgase, separiertes CO2, H2, Elektrizität, Methan, Rohstoffe...) zu transportieren sind.

Um zu einer nachhaltigen Entwicklung beitragen zu können, müssen zukünftige CO2-Wertschöpfungsketten nicht nur in technischer, sondern auch in ökologischer, ökonomischer und sozialer Hinsicht tragfähig sein. Im Kapitel 4 werden die methodischen Grundlagen für eine systematische multi-kriterielle Analyse (MCA) potenzieller Wertschöpfungsketten einer CO2-Wiederverwendung erarbeitet. Dazu wird zunächst ein allgemeiner Überblick über verschiedene Herangehensweisen für eine integrierte Nachhaltigkeitsbewertung von Technologien und Prozessen gegeben. Konkret werden potenzielle Kriterien, die für die Bewertung von CO2-Wertschöpfungsketten geeignet sein können, identifiziert und beispielhaft erläutert.

Die Erfahrung mit neuen Technologien zeigt, dass deren erfolgreiche Einführung nicht zuletzt auch von der Akzeptanz beteiligter Akteure und der Öffentlichkeit abhängt. In Kapitel 5 werden die Ergebnisse einer eigenen qualitativen Erhebung auf Basis von im Internet frei verfügbaren deutsch- und englisch-sprachigen Dokumenten, Studien und Publikationen zum Thema Wahrnehmung und Akzeptanz von CO2-Nutzung dargestellt. Im Weiteren werden spezifische Artikel, Statements, Parteiprogramme sowie Strategie- und Konferenzpapiere analysiert, um die Einstellung politischer Entscheidungsträger und ausgewählter gesellschaftlicher Akteure (z. B. Journalisten) zu beleuchten. Auf Basis der Analyse werden Kommunikationslücken identifiziert und geeignete Methoden und Instrumente für eine gelungene Kommunikation zum Themenfeld CO2-Nutzung vorgeschlagen.

Im abschließenden Kapitel 6 werden Empfehlungen zur sinnvollen zukünftigen Gestaltung von CO2-Nutzungspfaden aus den Ergebnissen der vorangehenden Kapiteln abgeleitet. Der Bedarf an Projekten zu Forschung und Entwicklung sowie Demonstration wird spezifiziert. Notwendige politische und ökonomische Aspekte zur Entfaltung der Technologien werden identifiziert und wichtige ganzheitliche Aspekte zur ökologischen Verträglichkeit und zur Systemintegration behandelt.