Dekarbonisierung und Wertschöpfung: Weichen für CO2-Transport sind gestellt

Das zentrale EU-Klimaschutzinstrument ist seit 2005 der Europäische Emissionshandel, der die Reduktion der CO₂ -Emissionen von Energiewirtschaft und energieintensiven Industrieprozessen zum Ziel hat.
Deutschland stellt derzeit die Weichen dafür, bis 2045 klimaneutral zu werden. Aber auch in Zukunft wird eine 100-prozentige Dekarbonisierung aller industriellen Prozesse nicht möglich sein, sodass weiterhin große Mengen an CO₂ anfallen werden – wie zum Beispiel bei der Zementherstellung. Gleichzeitig werden zahlreiche Branchen weiterhin auf Kohlenstoff angewiesen sein. Zum Erreichen der Klimaziele muss in Deutschland mittelfristig eine funktionierende Kreislaufwirtschaft mit entsprechender Transportinfrastruktur für CO₂ etabliert werden. Neben der CO₂ -Wiederverwertung (Carbon Capture and Utilization/CCU) geht es dabei auch um die Weiterleitung des CO₂ zu unterirdischen Speicherstätten (Carbon Capture and Storage, CCS). Mit ihrem Eckpunktepapier zur Carbon-Management-Strategie (CMS) legte die Bundesregierung Anfang August bereits den Grundstein dafür, in bestimmten Bereichen auch die unterirdische CO₂ -Speicherung in Kavernen (Carbon Capture and Storage/CCS) zu erlauben, was über zehn Jahre in Deutschland politisch nicht umsetzbar schien.

1. Zahlen und Fakten

Der Europäische Emissionshandel
Der Europäische Emissionshandel (EU ETS) ist ein zentrales Instrument der EU-Klimapolitik. Sein Ziel ist es, CO₂ -Emissionen kosteneffizient zu reduzieren und bis 2030 mindestens 55 % der Emissionen gegenüber 1990 zu senken. Unternehmen aus energieintensiven Sektoren müssen für ihre CO₂-Emissionen Zertifikate erwerben. Diese Zertifikate können gehandelt werden, wodurch ein marktwirtschaftlicher Anreiz zur Emissionsreduktion entsteht. Die Anzahl der Zertifikate wird jährlich reduziert, was den Preis für CO₂ erhöht und Investitionen in emissionsarme Technologien fördert.

Am europäischen Emissionshandel nehmen vor allem Branchen teil, die in der Regel hohe Treibhausgasemissionen aufweisen. Betroffen sind sowohl große Industriebetriebe als auch mittelständische Unternehmen, die im Wettbewerb mit außereuropäischen Märkten stehen. Zu den wichtigsten Sektoren gehören:

Energieerzeugung: Kraftwerke und Energieversorger, die fossile Brennstoffe wie Kohle, Gas oder Öl verwenden, müssen für ihre CO₂-Emissionen Zertifikate erwerben.

Industrie: Hierzu gehören insbesondere die Stahl- und Zementindustrie, die Chemische Industrie, die Glas- und Keramikproduktion sowie Papier- und Zellstoffherstellung.

Luftverkehr: Seit 2012 ist der Flugverkehr innerhalb des Europäischen Wirtschaftsraums (EWR) in den Emissionshandel einbezogen. Airlines müssen für ihre CO₂-Emissionen Zertifikate erwerben.

Abfallverbrennung: Anlagen zur Abfallverbrennung fallen unter bestimmten Bedingungen ebenfalls unter den Emissionshandel.

Raffinerien: Die Öl- und Gasraffinerien müssen ebenfalls am EU ETS teilnehmen.

Zu den Akteuren des Europäischen Emissionshandels zählen neben Unternehmen auch nationale Behörden, die die Einhaltung der Regeln überwachen, sowie die Europäische Kommission, die das System weiterentwickelt.

Beispiel: die Zementindustrie als CO₂ -Großemittent
Die Zementindustrie trägt in Deutschland etwa 2 % zu den nationalen CO₂-Emissionen bei, was rund 20 Mio. Tonnen CO₂ im Jahr entspricht. Bei der Produktion von 1 Tonne Zement wird rund 1/2 Tonne CO₂ freigesetzt. Ein einziges Zementwerk produziert im Durchschnitt 3 Mio. Tonnen Zement pro Jahr und ist somit verantwortlich für jährliche Emissionen von etwa 1,5 Mio. Tonnen CO₂.

© Infografik / Kompetenzzentrum Klimaschutz in energieintensiven Industrien

Konventionelle Zementherstellung

Hauptverursacher dieser Emissionen ist der Klinkerherstellungsprozess, bei dem Calciumcarbonat zu Calciumoxid umgewandelt und CO₂ freigesetzt wird. Etwa 60 % der Emissionen sind prozessbedingt, die restlichen 40 % entstehen durch den Einsatz fossiler Brennstoffe zur Beheizung der Drehöfen.

In den letzten Jahrzehnten konnte die deutsche Zementindustrie ihre Emissionen pro Tonne Klinker deutlich senken. So lag der Ausstoß 2021 bei etwa 590 kg CO₂ pro Tonne, verglichen mit 800 kg in den 1990er Jahren. Dies gelang durch Effizienzsteigerungen, den Einsatz alternativer Brennstoffe und die Nutzung von Ersatzmaterialien wie Flugasche, die den Klinkeranteil im Zement verringern. Um die nationalen Klimaziele zu erreichen – eine Reduktion der CO₂-Emissionen um 65 % bis 2030 im Vergleich zu 1990 – muss die Zementindustrie allerdings noch weitere Maßnahmen ergreifen.

Klimaneutrale Zementherstellung

2. Kreislaufwirtschaft: CO₂ -Transport, -Wiederverwertung und
-Speicherung

In zahlreichen Industriezweigen wird Kohlenstoff für den Produktionsprozess benötigt – das wird auch in Zukunft so bleiben. Wichtige technologische Ansätze zur Emissionsreduktion (Freigabe in die Atmosphäre) sind Carbon Capture and Utilization (CCU), das auf eine Wiederverwertung des freigesetzten CO₂ abzielt sowie Carbon Capture and Storage (CCS), bei dem CO₂ in unterirdischen Kavernen gespeichert wird. Diese Technologien zielen darauf ab, das freigesetzte CO₂ abzutrennen und entweder zu speichern oder wiederzuverwerten. Doch auch der Transport des Kohlendioxids vom Emittenten zum Ort der Wiederverwertung oder Speicherung ist ein wichtiges Glied der Wertstoffkette.

Drehofen für die Zementherstellung

Optionen für den CO₂ -Transport
Am Beispiel der deutschen Zementproduktion, bei der ein einziges Werk im Schnitt jährlich 1,5 Mio. Tonnen CO₂ -Emissionen erzeugt, wird deutlich, wie zentral der Transport von CO₂ -Emissionen im Rahmen der Nutzung oder Speicherung (CCU oder CCS) ist.

Derzeit stehen verschiedene Optionen zur Verfügung, die sich vor allem in Kapazität und Wirtschaftlichkeit unterscheiden. Zur Verdeutlichung werden hier die durchschnittlichen Jahresemissionen eines einzelnen Zementwerkes von 1,5 Tonnen CO₂ bei der Berechnung zugrunde gelegt.

Der Lkw-Transport bietet eine hohe Flexibilität, ist jedoch aufgrund der begrenzten Kapazität (ca. 20 Tonnen CO₂ pro Lkw) und hoher Eigenemissionen wenig effizient. Um 1,5 Mio. Tonnen CO₂ zu transportieren, wären jährlich rund 75.000 LKW-Fahrten nötig.

Der Transport über den Schienenweg kann größere Mengen (ca. 2.100 Tonnen CO₂ pro Zug) effizienter bewegen. Für 1,5 Mio. Tonnen CO₂ wären 712 Zugfahrten im Jahr erforderlich.

Binnenschiffe bieten noch höhere Kapazitäten (ca. 4.200 Tonnen CO₂ pro Schiff). Der Transport von 1,5 Mio. Tonnen CO₂ erfordert jährlich 357 Schiffsfahrten. Dieser Transportweg ist energieeffizient, aber auf wassernahe Standorte begrenzt.

Pipelines gelten als die wirtschaftlichste Option für den großflächigen CO₂ -Transport: Eine Pipeline (DN 300) mit einer Transportkapazität von 180 Tonnen CO₂ pro Stunde (was 1,5 Tonnen pro Jahr entspricht) stellt langfristig die effizienteste und umweltfreundlichste Transportoption dar.

Fazit: Während also Lkw und Schiene Flexibilität bieten und der Transport per Schiff mit lokalen Einschränkungen verbunden ist, würde künftig die Pipeline auf lange Sicht die kosteneffizienteste Option darstellen, besonders für größere Mengen.

Carbon Capture and Utilization
Carbon Capture and Utilization (CCU) beschreibt die Abscheidung von CO₂ aus industriellen Prozessen und dessen Nutzung als Rohstoff zur Herstellung von Produkten wie synthetischen Kraftstoffen, Kunststoffen oder Baumaterialien. Der Prozess umfasst drei Hauptschritte:

CO₂-Abscheidung aus Quellen wie Kraftwerken, Zementfabriken oder der Stahlproduktion

Transport des abgeschiedenen CO₂

Nutzung in chemischen Prozessen oder der Speicherung im Untergrund

In Deutschland sind Schlüsselakteure wie BASF, Covestro und Thyssenkrupp sowie Forschungsinstitutionen wie das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) und das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aktiv. Branchen wie die Chemieindustrie, Energiewirtschaft und Zementherstellung spielen zentrale Rollen.

Laut Bundesumweltamt (UBA) liegt die Nutzung von CO₂ in der deutschen Industrie noch knapp unter 1 %, während in der EU die Quote bei etwa 0,1 % des gesamten ausgestoßenen CO₂ liegt.

Das UBA sowie das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) spielen eine wichtige Rolle bei der Förderung und Regulierung von CCU-Technologien. Branchen wie die Chemieindustrie (z. B. BASF), Energieversorger (wie RWE) und Unternehmen im Bereich nachhaltiger Baustoffe setzen auf CCU, um ihre CO₂-Bilanz zu verbessern. Fachverbände wie der Verband der Chemischen Industrie (VCI) unterstützen Forschung und Entwicklung, um CCU als Schlüsseltechnologie für die Energiewende voranzutreiben.

Carbon Capture and Storage
Eine weitere Schlüsseltechnologie zur Reduktion von CO₂-Emissionen ist Carbon Capture and Storage (CCS), bei dem Kohlendioxid aus industriellen Prozessen abgeschieden, transportiert und in unterirdischen geologischen Formationen gespeichert wird. Der Prozess besteht aus drei Schritten: Abscheidung (bei der CO₂ aus Abgasen gefiltert wird), dem Transport und der Speicherung in geeigneten geologischen Formationen wie ausgeförderten Erdgasfeldern.

In Deutschland sollte das bereits 2012 verabschiedete Kohlendioxid-Speicherungsgesetz (KSpG) die gesetzlichen Rahmenbedingungen für CCS schaffen – zunächst zu Erprobungs- und Forschungszwecken in einem eng gesteckten quantitativen Rahmen (max. 4 Mio. Tonnen pro Jahr). Juristen kritisieren, das Gesetz habe aufgrund zentraler Schwachstellen bei der Zulassung von CO₂ -Pipelines seinen eigentlichen Zweck verfehlt und CCS in Deutschland bis heute verhindert: Als „Kohlendioxidleitungen“ gelten laut Legaldefinition ausschließlich solche, die CO₂ zu einer Kaverne (unteririscher Speicher) transportieren. Im Juli dieses Jahres wurde ein Änderungsentwurf des KSpG erarbeitet, der darauf abzielt, „einen rechtlichen Rahmen für die dauerhafte Speicherung von Kohlendioxid und den dazugehörigen Transport im industriellen Maßstab zu schaffen“. Dieser soll das erste Eckpunktepapier zur Carbon-Management-Strategie des BMWK ergänzen.

Mit der Carbon-Management-Strategie, die das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) 2023 veröffentlicht und deren Eckpunkte das Bundeskabinett im August beschlossen hat, ist CCS wieder in den Fokus der deutschen Klimapolitik gerückt. Die Bundesregierung erkennt CCS als ergänzende Maßnahme zur Reduktion von Industrieemissionen an, insbesondere in Sektoren wie Zement, Chemie und Stahl, die schwer zu dekarbonisieren sind. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Entwicklung und dem Ausbau der Infrastruktur sowie auf der Förderung von Forschung und Pilotprojekten.

Der politische Diskurs ist jedoch weiterhin gespalten: Während Industrieverbände CCS als unverzichtbar für das Erreichen der Klimaziele sehen, äußern Umweltschutzorganisationen weiterhin Bedenken bezüglich der Langzeitsicherheit und der Gefahr, dass CCS als Vorwand dienen könnte, fossile Brennstoffe länger zu nutzen. Die Bundesregierung betont jedoch, dass CCS nur in Kombination mit der Reduktion fossiler Energieträger zur Anwendung kommen soll.

3. Zementindustrie: Best practice

Das Forschungsprojekt ErfMemDekZem im niedersächsischen Höver zielt darauf ab, CO₂-Emissionen in der Zementproduktion durch den Einsatz einer innovativen Membrantechnologie zu reduzieren.
Seit Projektstart im November 2022 arbeitet der Zementhersteller Holcim (Deutschland) GmbH noch bis Ende dieses Jahres gemeinsam mit Partnern daran, Kohlendioxid aus dem Rauchgas von Zementwerken abzuscheiden und für die Wiederverwendung aufzubereiten. Diese Technologie wird erstmals in der Zementindustrie getestet und könnte jährlich bis zu 5.750 Tonnen CO₂ abscheiden. Langfristig könnte das System bis zu 90 % der CO₂-Emissionen eines Werkes abfangen und global angewendet werden. Das Projekt wird mit rund 1,3 Mio. Euro vom Bundeswirtschaftsministerium und der EU gefördert.

Nach erfolgreich abgeschlossenen Testphasen mit „durchweg hervorragenden Abscheideraten und Reinheiten“ plant Holcim zunächst, die Anlage Schritt für Schritt zur erweitern, „sodass sie nach der finalen Ausbaustufe rund 90 % der CO₂ -Emissionen abtrennen und hochreines CO₂ in flüssiger Form liefern kann“. Auch auf den nächsten Schritt gibt das Unternehmen bereits einen Ausblick: Bei weiterhin positiven Ergebnissen soll das Membrantrennverfahren künftig in anderen Zementwerken zum Einsatz kommen, denn die Vorteile lägen auf der Hand: „Die Anlage wird als End-of-Pipe-Lösung ausgeführt und dem eigentlichen Zementherstellungsprozess „am Ende des Schornsteins” nachgeschaltet, so Holcim. „Dadurch wird die Dekarbonisierung vorhandener Zementwerke aus technischer Sicht deutlich vereinfacht und eine Nachrüstung in bestehende Werke möglich.“

Im Projekt TOFFEE wurden drei verschiedene Tonarten – Pariser Mergel, Frankfurter Ton und London Clay – auf ihre Materialeigenschaften untersucht

Im Rahmen des Projekts TOFFEE geht an der TH Köln (Verbundpartner) geht ein wissenschaftliches Forschungsteam um Prof. Dr. Christoph Budach und Prof. Dr. Björn Siebert der folgenden Frage nach: „Wie kann die hohe Nachfrage der Bauwirtschaft nach Beton gedeckt werden und zeitgleich die CO₂ -Belastung vermindert werden?“
Ziel ist es, Ton für ressourceneffiziente Baustoffe – zum Beispiel als Zementersatz – nutzbar zu machen: „Herkömmlicher Beton enthält sogenannten Portlandzementklinker“, so Siebert. „Dieser ist in der Herstellung sehr energieintensiv und mit enormen CO₂ -Emissionen verbunden. Um diesen Rohstoff bei der Zementherstellung einzusparen und somit die Ökobilanz zu verbessern, setzen wir auf einen alternativen Rohstoff: kalzinierte Tone.“ Deren Herstellung benötige weniger Energie und sei daher CO₂ -ärmer.

Im Labor für Geotechnik und Tunnelbau von Prof. Budach werde der Materialzustand tonhaltiger Böden aus dem Tunnelbau, die in der Regel auf Deponien landeten, verändert, um sie als Zementersatz bei der Betonherstellung nutzen zu können. Anschließend gehe es für die dort entstandenen Probewürfel weiter ins Labor für Bau- und Werkstoffprüfungen von Prof. Siebert, wo sie „mittels einer Hydraulikpresse auf ihre Festigkeitseigenschaften geprüft und klassifiziert“ werden. „Je nach Ergebnis unserer Untersuchungen könnte tonhaltiger Beton beispielsweise als Straßenunterkonstruktion, bei Mauersteinen oder Estrichen zum Einsatz kommen“, so Siebert.

Gefördert wird TOFFEE seit 2022 bis 2024 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Strategie „Forschung für Nachhaltigkeit“ (FONA).
Neben verschiedenen Verbundpartnern werden als assoziierte Projektpartner das Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV), Die Autobahn GmbH des Bundes, Verband für Dämmsysteme, Putz und Mörtel e.V. (VDPM) und der Bundesverband der Deutschen Ziegelindustrie e. V. genannt.