Carbon Capture and Utilization (CCU)

Unter Carbon Capture and Utilization (CCU) versteht man die Abscheidung und anschließende Nutzung von Kohlendioxid (CO2) als Rohstoff. CO2 kann dabei entweder direkt oder indirekt genutzt werden. Bei der indirekten Nutzung wird es in andere Stoffe umgewandelt, beispielsweise in Grundchemikalien. Diese werden derzeit großteils aus Erdgas oder Erdöl hergestellt – CCU könnte die fossilen Rohstoffe künftig zumindest teilweise ersetzen. Wichtige Voraussetzung dafür sind Erneuerbare Energien und grüner Wasserstoff. Schwerpunkt bei C.A.R.M.E.N. e.V. sind innovative, dezentral umsetzbare CCU-Technologien, die einen Beitrag zu einer klimaneutralen Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft leisten.

Unsere Themen

CO2-Quellen
Für CCU sind grundsätzlich verschiedene CO2-Quellen nutzbar: Die Atmosphäre (Direct Air Capture, DAC) sowie Punktquellen des Energiesektors (Kraftwerke, Müllverbrennungs- und Bioenergieanlagen) und des Industriesektors. Ein Teil der industriellen Emissionen ist technisch nicht vermeidbar, da CO2 in manchen Prozessen als Reaktionsprodukt entsteht (z. B. Zementherstellung oder fermentative Prozesse). Je nach Energieträger bzw. Rohstoff ist das Kohlendioxid fossilen oder biogenen Ursprungs. Relevante Punktquellen für CCU, die langfristig verfügbar sind und hohe CO2-Konzentrationen aufweisen, sind u. a. Biogasanlagen (45 Vol-%), Zementwerke (20 Vol-%) oder Müllheizkraftwerke (12-15 Vol-%).
CO2-Abscheidung
Zur Abscheidung von CO2 aus Gasgemischen werden physikalisch-chemische Verfahren genutzt. Großtechnisch sind meist chemische Absorptionsverfahren wie die Aminwäsche im Einsatz, aber auch Kryogen- und Druckwechseladsorptionsverfahren (Pressure Swing Adsorption, PSA) werden bereits in der Praxis umgesetzt. Die Verfahren sind unterschiedlich energieintensiv. Welches Verfahren sich im Einzelfall eignet, hängt primär von der CO2-Quelle bzw. deren CO2-Konzentration ab. Weitere Kriterien sind die geplante Nutzung und die dafür erforderliche Reinheit.
Verfahren zur Konversion von CO2
Kohlendioxid kann auf biotechnologischem oder chemischem Weg in ein breites Produktspektrum umgewandelt werden. Für biotechnologische Prozesse werden Mikroorganismen oder Algen genutzt. Bei der chemischen Konversion unterscheidet man zwischen der Mineralisierung (Bildung von Carbonaten) und katalytischen Verfahren (u. a. thermochemisch, elektrochemisch, photokatalystisch, plasmakatalytisch), in denen CO2 mit oder ohne Wasserstoff zu organischen Kohlenstoffverbindungen umgesetzt wird. Die thermochemische Konversion ist derzeit die ausgereifteste Technologie.
Nutzungsmöglichkeiten von CO2
Mittels CCU kann ein breites Spektrum von Zwischen- und Endprodukten hergestellt werden. Wichtige Beispiele sind Methan, Methanol, organische Säuren, Syngas, Naphtha, Polycarbonate, Harnstoff oder Proteine. Diese sind vielseitig nutzbar – entweder direkt wie Polycarbonate als technische Kunststoffe oder Harnstoff in Kosmetika. Alternativ werden sie chemisch zu Chemikalien, Polymeren und Kraftstoffen umgewandelt. Die durch Mineralisierung von CO2 gebildeten Carbonate werden z. B. als Füllstoff, Lebensmittelzusatz oder Baustoff eingesetzt. Darüber hinaus hat sich eine Reihe von direkten Anwendungen für Kohlendioxid etabliert, z. B. als Extraktions- und Reinigungsmittel, Kohlensäure für Getränke oder Düngemittel in Gewächshäusern.
Herausforderungen und Chancen
CCU-Prozesse sind kosten- und energieintensiv. Um sie klimaneutral umzusetzen sind große Mengen Erneuerbarer Energien erforderlich. Einige Prozesse/Produkte benötigen zudem signifikante Mengen grünen Wasserstoffs. Somit steht die Nutzung von CCU-Technologien in Konkurrenz mit anderen Sektoren.
Um CO2-Emissionsquellen mit -Nutzern in anderen Regionen zu verbinden, muss darüber hinaus eine CO2-Infrastruktur aufgebaut werden. Diese ist auch für die Umsetzung von CCS erforderlich.

Die Nutzung von CCU birgt im Gegensatz zu CCS große Chancen für eine klimaneutrale zirkuläre Wirtschaft. Einerseits entfallen dadurch mögliche Umweltrisiken, Kosten und internationale Abhängigkeiten für die dauerhafte Speicherung von CO2. Anderseits können national neue Wertschöpfungsketten aufgebaut werden: Emittenten von un- oder schwer vermeidbarem CO2 können zusätzliche Einkommensquellen erschließen. Je nach Quelle (biogenes CO2) und Produkten (langfristige Speicherung) werden sogar negative Emissionen generiert. Nutzer, die auf kohlenstoffhaltige Rohstoffe angewiesen sind wie die Chemieindustrie, erhalten neben Biomasse und recycelten Materialien, Zugang zu einer weiteren erneuerbaren Kohlenstoffquelle.

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Publikationen

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Externe Publikationen

Förderprogramme

Förderrichtlinie Bundesförderung Industrie und Klimaschutz – BIK (BMWK)
2024 – 2030: Modul 2: Anwendung und Umsetzung von CCU und CCS

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Förderbekanntmachung Angewandte Energieforschung (BMWK)
2024 – 2027: Praktische Erprobung und Demonstration von CO2-Abscheidung und -Nutzung

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Forschungsprojekte

CCU in Bayern, 2025
Mit dem offiziellen Start im Januar 2025 beginnt das vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie im Rahmen der Cluster-Offensive Bayern geförderte Cross-Cluster-Projekt „CCU in Bayern“, initiiert vom Chemie-Cluster Bayern und C.A.R.M.E.N. e.V.

Das Projekt hat das Ziel, die Potenziale von Carbon Capture and Utilization (CCU) als Schlüsseltechnologie für eine klimaneutrale Wirtschaft in Bayern aufzuzeigen: CO₂-Emissionen sollen nutzbar gemacht, neue Wertschöpfungskreisläufe etabliert und damit ein Beitrag zur Dekarbonisierung und zum Klimaschutz geleistet werden. Das Projekt bietet eine Plattform für Wissenstransfer und Vernetzung zwischen Unternehmen, Wissenschaft und Politik.

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Carbon2Chem (BMBF), 2016 -2024
Ziel der ersten Phase der Fördermaßnahme war es Verfahren zu erforschen, um die CO2-Emissionen der deutschen Stahlindustrie (jährlich 20 Mio. Tonnen) zu wertvollen Vorprodukten für Kraftstoffe, Kunststoffe oder Düngemittel umzusetzen. Die zweite Phase validierte die großtechnische Umsetzung der entwickelten Verfahren und legte somit die Grundlage für den emissionsarmen Betrieb.

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CO2-WIN (BMBF), 2018 - 2023
Ziel der Fördermaßnahme war es, die Nutzung von CO2 als nachhaltige Kohlenstoffquelle weiter voranzutreiben, um die Rohstoffbasis der deutschen Wirtschaft zu verbreitern und gleichzeitig deren Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Die Förderrichtlinie fokussierte auf drei Bereiche: Chemische und biotechnologische Prozesse zur Produktion nachhaltiger Chemikalien und Kraftstoffe, elektro- und photochemische Umwandlung von CO2, sowie die CO2-Mineralisierung zur Herstellung klimaschonender Baustoffe.

Weitere Informationen erhalten Sie hier.

Rahmenbedingungen

EU-Industrial Carbon Management Strategy
Am 06.02.2024 hat die Europäische Kommission ihre Strategie zum industriellen CO2-Management vorgelegt. Das Ziel: Die Klimaneutralität der EU bis 2050 zu erreichen wie im europäischen Klimagesetz festgeschrieben. Die Strategie verfolgt ähnliche Ansätze wie die Eckpunkte der deutschen Carbon-Management-Strategie. Damit soll ein umfassender Rahmen für das industrielle CO2-Management geschaffen werden.

Antworten auf häufig gestellte Fragen zur EU-Strategie finden sich im FAQ der Europäischen Kommission.

Deutsche Carbon-Management-Strategie (Eckpunkte)
Am 29.05.2024 wurden die Eckpunkte einer Carbon Management-Strategie (CMS) von der Bundesregierung verabschiedet. Das Ziel: Die im deutschen Klimaschutzgesetz verankerte Klimaneutralität bis 2045. Dafür sind zusätzlich zum Ausbau Erneuerbarer Energien, der Dekarbonisierung der Industrie u.v.m. weitere Maßnahmen erforderlich. Der Fokus: Die Abscheidung und Nutzung (CCU) oder dauerhafte Speicherung (CCS) von auch künftig technisch nicht oder nur schwer vermeidbaren CO2-Emissionen einiger Bereiche (z.B. Zement- und Kalkindustrie, Grundstoffchemie oder Abfallverbrennung).

Die Eckpunkte der CMS bilden die Grundlage für die umfassende Carbon-Management-Strategie, die derzeit erarbeitet wird. Darin sollen notwendige Anwendungsgebiete für CCU und CCS benannt sowie die rechtlichen, ökologischen und ökonomischen Rahmenbedingungen für einen erfolgreichen Hochlauf dieser Technologien in Deutschland dargestellt werden. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Schaffung der dafür notwendigen Infrastruktur.

Antworten auf häufig gestellte Fragen zu den Themen CCU und CCS finden sich im FAQ des BMWK.

Unser Beratungsangebot

Wir beraten und informieren Sie gerne rund um das Thema Carbon Capture and Utilization – online, telefonisch oder persönlich vor Ort!

Hier finden Sie unsere C.A.R.M.E.N.-Expertinnen in diesem Bereich:

Dr. Bettina Fink
Dr. Doris Firlbeck