Kohlenstoffwirtschaft

DOSSIER

Kohlenstoff hat einen schlechten Ruf. Andererseits ist Kohlenstoff auch das häufigste Element auf unserer Erde, kann unter allen Elementen die meisten Verbindungen eingehen und ist deshalb Bestandteil zahlreicher Rohstoffe und Materialien. Damit ist der Kohlenstoff (schlechter Ruf hin oder her) nahezu allgegenwärtig – und prägt unsere gesamte Wirtschaft.

In der Tat: Es geht um die gesamte Wirtschaft, nicht etwa nur um die Energiewirtschaft. Denn Kohlenstoff steckt in vielen Verfahren und Produkten, mit denen wir in unserer modernen Gesellschaft leben.

Kohlenstoff als Begleiter im Alltag erkennen

Sportschuhe und Funktionskleidung, Verbundwerkstoffe für den Hausbau, chirurgische Instrumente und Materialien zur Wundversorgung, Sitze in der Automobilindustrie, Kraftstoffe für die Mobilität, Bildschirme und Haushaltsgeräte, sogar Sonnenschutz und wasserfestes Make-up – alles das sind Produkte, die im Kern aus Kohlenstoff bestehen.

Das beste an der Kreislaufwirtschaft: Sie ist alles andere als eine Utopie.

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Kohlenstoff wird aber nicht nur als Rohstoff, sondern vielfach auch als Hilfsstoff und natürlich auch als Energieträger genutzt. Als Energieträger versorgt auch heute noch weit überwiegend Kohlenstoff viele Industrieunternehmen, Gewerbebetriebe und private Haushalte mit Wärme und Strom. In der Industrie kommt dem Kohlenstoff dagegen häufig eine Mehrfachrolle zu, beispielsweise bei der Stahlproduktion: Dort wird im Hochofen kohlenstoffhaltiges Koks verbrannt. Dadurch entsteht erstens das Gas Kohlenstoffmonoxid, das chemisch mit dem Rohstoff Eisenerz reagiert und es zu Roheisen reduziert. Zweitens entsteht durch die Verbrennung auch die erforderliche Temperatur, die diese chemische Reaktion erst ermöglicht und in Gang setzt. Kohlenstoff wirkt in der Stahlproduktion also gleichsam als chemischer Reaktionshilfsstoff und als Energieträger.

Einen nachhaltigen Kreislauf gestalten

Wo Kohlenstoff genutzt wird, entsteht aber oftmals auch CO2. Nämlich dann, wenn Kohlenstoff mit Sauerstoff reagiert, was zum Beispiel passiert, wenn Kohlenstoff verbrannt wird. Verbrennung bedeutet meist, den fossilen Kohlenstoff als Energieträger einzusetzen und die entstehende Wärme zu nutzen oder in Strom umzuwandeln. Aktuell ist das noch in vielen Sektoren gängige Praxis: fossile Prozesswärme in der Industrie, fossile Kraftwerke in der Energiewirtschaft, fossile Kraftstoffe für den Verkehr, fossile Heizungen in Wohnhäusern und Betrieben. Doch solche CO2-Emissionen lassen sich in einem Energiesystem der Zukunft durch alternativen Technologien gut vermeiden – wenngleich diese Transformation wegen der heute noch sehr starken Dominanz der fossilen Energieträger mit Blick auf den Primärenergieverbrauch in Deutschland herausfordernd ist. Der Energieträger Kohlenstoff wird dort auf Basis verschiedenster Technologien in allen Sektoren sukzessive ersetzt werden müssen.

Anders verhält es sich, wenn Kohlenstoff als Rohstoff verwendet wird. Dann ist eine vollständige Abkehr vom Kohlenstoff, die sogenannte Dekarbonisierung, kaum möglich. Dennoch gibt es auch hier eine nachhaltige Lösung: die Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft. Sie setzt nicht auf fossilen Kohlenstoff als Rohstoff, sondern auf Kohlenstoff, der schon im Umlauf ist, zum Beispiel in Form von Abgas oder Biomasse. Mit dieser Herangehensweise schafft die Kreislaufwirtschaft sogar einen doppelten Vorteil: erstens hinsichtlich des Klimaschutzes und zweitens mit Blick auf die Vermeidung etwaiger zukünftiger Knappheitssituationen angesichts der grundsätzlichen Endlichkeit der fossilen Rohstoffbasis. Das beste an der Kreislaufwirtschaft ist aber: Sie ist alles andere als eine Utopie

Nicht nur eine Vision: Kohlenstoff im Kreislauf führen

Fossiler Kohlenstoff ist auch konservierter Kohlenstoff. Er ist chemisch so stabil gebunden, dass er nicht ohne Weiteres mit Sauerstoff reagiert. In der Regel entsteht aus fossilem Kohlenstoff erst durch menschliches Einwirken wie die Verbrennung klimaschädliches CO2, das in die Atmosphäre gelangt und zum Klimawandel beiträgt. Statt also weiterhin fossilen Kohlenstoff zu nutzen und dadurch zusätzliche CO2-Mengen zu produzieren, muss es das Ziel sein, den fossilen Kohlenstoff in seiner klimaneutralen und konservierten Form zu erhalten.

Dieses Ziel verfolgt die Kreislaufwirtschaft und setzt deshalb nicht auf fossilen Kohlenstoff als Rohstoff, sondern auf Kohlenstoffverbindungen bzw. -mengen, die schon im Umlauf sind. Werden diese Kohlenstoffe (erneut) genutzt, entsteht ein Kreislauf – mit einer Netto-Null-Bilanz ohne Neu-Emissionen.

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Vorhandenen statt fossilen Kohlenstoff nutzen

Das bedeutet auch, dass wir mit dem Kohlenstoff, den wir bereits zur Verfügung haben, wirtschaften und haushalten müssen. Eine Möglichkeit ist, Biomasse zu nutzen. Biomasse ist bei richtigem Management klimaneutral, denn bei ihrer Verwertung wird im Idealfall maximal so viel CO2 freigesetzt, wie die wachsende Pflanze der Atmosphäre zuvor entzogen hat. Auch das CO2 aus Abgasen von Kraftwerken oder Industrieanlagen kann prinzipiell als Kohlenstoffquelle genutzt werden, genauso wie das CO2 aus der Umgebungsluft. Und schließlich gibt es das Recycling, über das in Produkten gebundener Kohlenstoff wiederverwertet werden kann.

Da in diesem Szenario vollständig auf Kohlenstoff aus fossilen Quellen verzichtet wird, spricht man von Defossilisierung. Und diese ist nicht nur visionär, sondern sie wird in vielen Bereichen schon umgesetzt.

Nachhaltigkeit zu Wettbewerbsvorteilen ausbauen

Dennoch: Ein Kreislauf im Sinne einer nachhaltigen und klimaneutralen Kohlenstoffwirtschaft ist äußerst komplex. Die Prozesse und Technologien sind zwar zu großen Teilen bekannt, allerdings sind nach wie vor viele Fragen ungeklärt. Doch für ausgiebige und grundlagenorientierte Forschung bleibt kaum Zeit. Forschung und Umsetzung müssen daher nahezu synchron agieren, während sie ihre Ergebnisse engmaschig überprüfen und im laufenden Betrieb optimieren. Nur so kann es gelingen, bis zum Jahr 2045 klimaneutral zu werden und gleichzeitig Wettbewerbsvorteile zu erarbeiten.

Dieser Herausforderung stellt sich Nordrhein-Westfalen mit seiner exzellenten Forschungskompetenz, mit seinen innovativen Unternehmen und der engen Zusammenarbeit auf allen Ebenen. Es gilt, den Kohlenstoff gemeinsam im Kreislauf zu führen.

Carbon Management Strategie NRW

Eine nachhaltige Kohlenstoffnutzung erfordert eine weitreichende Umgestaltung der aktuell bestehenden und oftmals auf fossilem Kohlenstoff basierenden Wertschöpfungsketten in der Kohlenstoffwirtschaft. Den Startpunkt dieser nachhaltigen Transformation markiert die neue Carbon Management Strategie NRW. Sie gliedert sich in vier Bereiche:

  1. Kohlenstoffinventar
    Die Strategie schafft Transparenz über die heutigen und die zukünftigen Kohlenstoffquellen und ihr jeweiliges Potenzial für den Klimaschutz und die Sicherung einer zukunftsfähigen Rohstoffbasis.
  2. Nachhaltige Kohlenstoffnutzung
    Die Strategie beschreibt die aktuelle Kohlenstoffnutzung und zeigt Transformationspotenziale auf. Dafür werden mögliche Pfade einer nachhaltigen Kohlenstoffnutzung beschrieben und bewertet.
  3. Erforderliche Voraussetzungen
    Die Strategie definiert geeignete Rahmenbedingungen für die Transformation. Darin enthalten sind Import, Export und Transport, rechtliche und politische Voraussetzungen sowie ökonomische Aspekte wie die Bepreisung von Kohlenstoff und CO2.
  4. Carbon Management Plan
    Die Strategie priorisiert die identifizierten Handlungsfelder, ordnet sie zeitlich ein und steckt Zielmarken für die Jahre 2030 und 2045. 

zur Strategie

Praxisprojekte und Vorreiter

Diese Projekte und Institutionen aus Nordrhein-Westfalen zeigen schon heute, wie die Transformation des Energiesystem gelingen kann.

Fraunhofer UMSICHT: neue Verfahren für den Kohlenstoffkreislauf

Wie können wir Kohlenstoff ganz praktisch im Kreislauf führen? An dieser Kernfrage arbeitet das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT). Dort entwickeln die Forscherinnen und Forscher neue Verfahren, die erneuerbare Energiequellen nutzen und damit aus unvermeidbaren industriellen Emissionen und aus biogenen Reststoffen kohlenstoffhaltige Verbindungen wie Methanol oder höhere Alkohole herstellen. Der darin enthaltene Kohlenstoff kann so wieder als Rohstoff genutzt werden.

Der Fokus der Arbeiten liegt zum einen auf dem technischen Blickwinkel für optimale Betriebsbedingungen. Zum anderen werden auch ökonomische, ökologische und soziale Aspekte betrachtet. So können die komplexen Gesamtsysteme abgebildet werden sowie die neuen Verfahren bestmöglich in vorhandene Strukturen eingebaut und auf andere Anwendungen oder Standorte übertragen werden.

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RD CCCE: technische und gesellschaftliche Entwicklungen zusammenführen

CO2-Emissionen können langfristig nur dann drastisch reduziert werden, wenn die Kohlenstoffkreisläufe geschlossen werden. Und das kann letztlich nur gelingen, „wenn technische und gesellschaftliche Entwicklungen in einem ökonomisch tragfähigen System zusammengeführt werden – der Closed Carbon Cycle Economy“, so Prof. Dr. Roland Span, einer der Sprecher/-innen des Research Department Closed Carbon Cycle Economy (RD CCCE) an der Ruhr-Universität Bochum (RUB). Unter dieser Prämisse arbeiten am RD CCCE der RUB mehr als 50 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus zehn verschiedenen Fakultäten zusammen: von den Ingenieurs- und Naturwissenschaften über die Wirtschafts- und Gesellschaftswissenschaften bis hin zu den Rechtswissenschaften – alle arbeiten an den Themen der Energie- und Rohstoffwende. Das RD CCCE setzt damit klar auf Interdisziplinarität und zeigt die Breite und Exzellenz der klimarelevanten Forschung.

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Renewable Carbon Initiative: für erneuerbaren Kohlenstoff werben

Die Industrie mit nicht fossilem Kohlenstoff versorgen und so dem Klimawandel entgegentreten – das ist die Kernidee des nova-Instituts aus Köln. Dafür gründete das Institut 2020 die Renewable Carbon Initiative. Sie richtet sich vor allem an die chemische Industrie und wirbt dort für die Notwendigkeit, auf erneuerbaren Kohlenstoff zu wechseln.

Mit diesem Ansatz ist die Initiative inzwischen zu einer Interessensgemeinschaft von 20 Unternehmen, Mittelständlern und Start-ups aus zehn Ländern geworden, darunter Unilever, Henkel und Covestro. Gemeinsam mit Partnern wie WWF Deutschland werben die Mitglieder bei der Politik und bei anderen Industrieunternehmen um Unterstützung. Parallel dazu werden neue Wertschöpfungsketten aufgebaut, um die Nachfrage nach Produkten aus erneuerbarem Kohlenstoff decken zu können. Als nächster Schritt soll eine Renewable Carbon Community aufgebaut werden, in der sich die Akteure vernetzen und gemeinsam Projekte entwickeln können.

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Covestro: energiesparendes Recycling von Kunststoffen

Kunststoff-Recycling ist Kohlenstoff-Recycling. Und das soll bei Covestro möglichst energieeffizient gelingen. Der Trick besteht darin, die Kunststoffe nicht in ihre atomaren Einzelteile zu zerlegen, die dann aufwendig wieder zu komplexen Polymeren zusammengesetzt werden müssen. Vielmehr gilt es, die im Abfall vorhandenen, molekularen Strukturen so groß wie möglich zu erhalten, um diese dann deutlich energieeffizienter zu neuen Polymeren zu verknüpfen.

Was sich einfach anhört, ist in der Praxis enorm herausfordernd, denn die Langlebigkeit und Stabilität von Kunststoffen steht dem Recycling durch chemische Umwandlungsprozesse entgegen. „Wir sind überzeugt, dass die Lösung dieser Aufgabe nur gemeinsam gelingen kann“, erläutert Dr. Christoph Sievering, Leiter des Global Carbon Management. Covestro forscht daher zusammen mit Kunden, der Abfallwirtschaft, Lieferanten und Universitäten an optimierten Lösungen für das Recycling von Kunststoffen.

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Shell Rheinland: Ausrichtung auf die Energiewende

Vom Spezialisten für Öl zum Systemhaus für nachhaltige Energien: Mit einer ambitionierten Transformation will Shell bis 2050 oder früher eine Netto-Null-Emissionsbilanz erreichen. Der Energy and Chemicals Park Rheinland nimmt bei dieser Neuausrichtung eine Schlüsselrolle ein. Dabei setzt Shell in der einstigen Rheinland Raffinerie auf Bio und Recycling, Öko-Strom und grünen Wasserstoff. Beispiel ist eine 10-Megawatt-Wasserstoff-Anlage, deren Kapazität noch verzehnfacht werden soll. Außerdem ist es geplant, Biomethan für CO2-neutralen LNG-Kraftstoff für Lkw herzustellen. Bio-Power-to-Liquids-Kraftstoffe sollen den Treibhauseffekt von Flugbenzin reduzieren.

Neu ist auch die Öffnung des Parks für Partner. Fortan können sich Chemie- und Energieunternehmen ansiedeln. Als Brückenschlag zu Unternehmen, Start-ups, Forschungseinrichtungen und sonstigen Playern der Energiewende wird ein Energy Campus errichtet. Kurz: Der Energy and Chemicals Park steht für eine Energiewende im Rheinischen Revier zum Anfassen und für Wachstum.

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Uniper: Nahrungsmittel durch CO2-Recycling

CO2 und Abwärme nutzen und damit Wasserlinsen produzieren, die als pflanzliche Proteinquelle dienen können – für diese Idee macht Uniper aktuell den Praxistest. Das Unternehmen möchte damit nicht nur CO2 und Abwärme recyceln, sondern schafft mit den Lemna genannten Wasserlinsen zugleich eine nachhaltige und regional produzierte Alternative zum Fleischkonsum.

Dabei sind Lemna unter anderem in puncto Wasserverbrauch, Platzbedarf und enthaltener Allergene vorteilhafter als gängige pflanzliche Proteinquellen wie etwa Soja. Zusammen mit Oxygenesis betreibt Uniper derzeit eine 300 Quadratmeter große Technikumsanlage in Kalkar, wo die Lemna nach dem Prinzip des Vertical Farming testweise kultiviert werden. Eine noch größere Pilotanlage wird aktuell an einem Uniper-Standort im Ruhrgebiet geplant.

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