nt 01 | 2025 Leben im Klimawandel

Wege zu „Net Zero“ in Bioraffinerien

Philipp Petermeier, Paul R. Stuart, Bettina Muster-Slawitsch

Um Wege zu „Net Zero“ oder gar klimapositive, negative Emissionen in Bioraffinerien zu identifizieren, gilt es, die Interaktionen von industriellen Aktivitäten mit globalen Kohlenstoffkreisläufen zu berücksichtigen. Darauf aufbauend lassen sich Strategien zur Defossilisierung industrieller Abläufe entwerfen, um unerwünscht hohen Konzentrationen an Treibhausgasen (THG) in der Atmosphäre entgegenzusteuern. Der IEA IETS Task 11 „Industrial Biorefineries towards Sustainability“ beschäftigt sich mit möglichen Lösungswegen für Bioraffinerien.

Industrielle Kohlenstoffquellen und ihr Einfluss auf den Kreislauf

Wie Abbildung 1 illustriert, können in der industriellen Produktion verschiedene Kohlenstoffquellen zum Einsatz kommen. In Bioraffinerien sind dies hauptsächlich biogene Rohstoffe wie Holz oder andere Biomasse, wobei aber auch fossile Energieträger wie Kohle, Öl oder Gas zur Energieversorgung zum Einsatz kommen können. In jüngster Zeit gewinnen auch recycelte Materialien zunehmend an Bedeutung. Beispielsweise ist das globale Volumen mechanisch und chemisch recycelter Kunststoffe zwischen 2018 und 2023 um beachtliche 21% gestiegen.^[1] Das verdeutlicht den Erfolg der Bemühungen der letzten Jahre und hebt das Potenzial geschlossener Materialkreisläufe hervor, die als effektiver Ansatz zur Ressourcenschonung und Reduzierung des Primärrohstoffverbrauchs weiter ausgebaut werden können. Ergänzend zum recycelten Kohlenstoff kann auch atmosphärisches CO₂ aus der Luft (Direct Air Capture (DAC)) oder aus industriellen Emissionen, wie sie auch bei Bioraffinerien entstehen, als potenziell klimaneutrale Rohstoffquelle nutzbar gemacht werden.^[2] Im Gegensatz zu anderen Quellen wird der Kohlenstoff hierbei in seiner vollständig oxidierten Form als CO₂ bereitgestellt, wodurch die Möglichkeiten zur stofflichen Verwertung herausfordernd werden, da thermodynamisch energiearmes Kohlendioxid nicht leicht in wertvollere Materialien überführt werden kann.

Abbildung 1. Die Wechselwirkung industrieller Aktivitäten mit dem globalen Kohlenstoffkreislauf. Zu den Kohlenstoffquellen, die als potenzielle Inputs dargestellt werden, gehören (a) atmosphärische, (b) fossile, (c) biogene und (d) recycelte Quellen, während Produkte (oder Energie) und Emissionen die Fabrikoutputs darstellen. Die Emissionen werden entweder direkt in die Atmosphäre freigesetzt oder zur Nutzung (CCU) beziehungsweise zur Speicherung (CCS) aufgefangen. Am Ende der Lebensdauer eines Produkts kann es verbrannt, biologisch abgebaut oder recycelt werden, wobei es auf unterschiedliche Weise zur gesamten Kohlenstoffbilanz beiträgt. Quelle: Hanna Lanz, AEE INTEC.

Die Bedeutung von Produktlebenszyklen für den Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoffhaltige Produkte sind während ihrer Nutzungsdauer ein Zwischenspeicher für Kohlenstoff, da sie diesen in Form verschiedenster organischer Verbindungen binden. Am Lebensende eines solchen Produktes kann der Kohlenstoff durch Recycling dem Materialkreislauf wieder zugeführt werden, oder aber durch Verbrennung bzw. biologischen Abbau wieder in die Umwelt gelangen. Die Langlebigkeit und Recycelbarkeit von Produkten bestimmen daher maßgeblich deren Nettoemissionen. Das gilt auch für industrielle Nebenprodukte wie kontaminierte Lösemittel, verbrauchte Katalysatoren oder Abfälle aus der mechanischen Verarbeitung. Es wird deutlich, dass für die Bestimmung der Nettoemissionen aus Bioraffinerien in einer wissenschaftlichen Betrachtung daher eine „cradle to cradle“ Betrachtung im Sinne einer LCA nötig ist, von der Berücksichtigung der Biomasseherkunft über Produktion und Produktnutzung bis hin zur finalen Senke des Kohlenstoffs aus biogenen Rohstoffen.

CCS und CCU: Technologien zum CO₂-Management

Die biologische Kohlenstoffaufnahme durch Wälder oder Humifizierung ist eine natürliche Senke für atmosphärisches CO₂. Um die Dringlichkeit der Klimakrise zu adressieren, gewinnen darüber hinaus technische Lösungen wie Carbon Capture and Storage (CCS) und Carbon Capture and Utilization (CCU) zunehmend an Bedeutung. In Bioraffinerien spricht man analog von B(io)CCS bzw. B(io)CCU. Besonders effizient ist die CO₂-Abscheidung an sogenannten Punktquellen mit hohen CO₂-Konzentrationen im Abgasstrom, beispielsweise bei Zementwerken (15-20% CO₂), Stahlwerken (20% CO₂) oder als Bioraffineriebeispiel - Ethanol-Produktionsanlagen (99% CO₂)^[3]. Da die Kosten der Abscheidung mit steigendem CO₂ Gehalt im Abgas sinken, lassen sich wirtschaftliche Lösungen in solchen Industrien am einfachsten realisieren.^[4]

Während das abgeschiedene CO₂ bei CCS dauerhaft in geologischen Formationen gespeichert wird, wird es bei CCU für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe, Chemikalien oder Baumaterialien genutzt. Die klimapolitische Wirksamkeit von CCU hängt jedoch stark von der CO₂ Quelle, dem für die Aufwertung notwendigen Energieeinsatz und der Lebensdauer der hergestellten Produkte ab.^[4]

Der Weg zu Net Zero

Viele Bioraffinerien haben sich das Ziel gesetzt, bis 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen. Die Umsetzung dieser Ambitionen ist jedoch mit erheblichen Unsicherheiten verbunden, beispielsweise hinsichtlich technologischer Entwicklungen, Marktakzeptanz und politischer Rahmenbedingungen. Um damit umzugehen, ist eine stufenweise Implementierung der identifizierten Maßnahmen erforderlich, die flexibel an neue Gegebenheiten angepasst werden kann. Zu diesen Schritten zählen einfache Anlagenmodernisierungen für erhöhte Energieeffizienzen oder die Versorgung mit erneuerbaren Energien, aber auch die Implementierung von innovativen THG-Verwertungsstrategien wie CCU und CCS, und der Wechsel von fossilen zu biogenen Rohstoffen als Plattform-Bausteine für fortschrittliche Materialien und Alltagsprodukte. Dies bedarf einer wachsenden Bioökonomie mit integrierten Bioraffinerien, um eine maximale Wertschöpfung aus nachwachsenden Rohstoffen zu ermöglichen und die industrielle Dekarbonisierung voranzutreiben. Um die vielen Möglichkeiten und Eventualitäten der kostspieligen, industriellen Transformation zu navigieren, wird eine klassische Designmethodik eingesetzt. Diese ist auf die Besonderheiten von hoher Unsicherheit und sich konstant weiterentwickelnder „Net Zero“-Technologien angepasst und in Abbildung 2 illustriert.

Abbildung 2. Pfad für die Implementierung von Net Zero Strategien. In der Phase der Strategieplanung wird mit sehr frühen Entwurfsstadien und hohen Unsicherheiten gearbeitet. Für die strategische Entscheidungsfindung werden langfristige Bewertungskennzahlen herangezogen, welche eine nachhaltige Unternehmensentwicklung sicherstellen sollen. In der Phase der technischen Prozessgestaltung liegt der Fokus auf der Maximierung von ROI oder IRR.^[5]

Risiken und Herausforderungen

Bei der Implementierung von Netto-Null-Strategien müssen Unternehmen verschiedene Risiken berücksichtigen:

• Technologierisiken: Skalierung neuer Technologien, Wirtschaftlichkeit verschiedener Technologiereifegrade und das Risiko, dass Investitionen durch neuere Technologien obsolet werden.
• Marktrisiken: Akzeptanz neuer biobasierter Produkte, Skaleneffekte in der Produktion und Konkurrenz durch etablierte Produkte.
• Politische Risiken: Langfristige regulatorische Rahmenbedingungen für die Dekarbonisierung bzw. Defossilisierung in verschiedenen Rechtsräumen.

Flexibilität als Schlüssel zum Erfolg

In der Zusammenarbeit mit Firmen und den Workshops des IEA IETS Task 11 hat sich gezeigt: Die Entwicklung einer Netto-Null-Strategie erfordert eine dynamische Herangehensweise. Dabei ist es essenziell die technologische Strategie so auszurichten, dass sie die übergeordnete Unternehmensstrategie unterstützt. Die Umsetzung erfolgt nicht als einzelnes Projekt, sondern als eine Abfolge von Projekten, die schrittweise Risiken minimieren und Anpassungen an neue Entwicklungen ermöglichen. Nur so können Unternehmen in einem wettbewerbsintensiven Umfeld erfolgreich in Richtung Klimaneutralität steuern. Details zu der möglichen LCA-gestützten Evaluierung von Konzepten bzw. der Lösungswege für Bioraffinerien werden in Kürze im IEA IETS Task 11 Bericht „Pathways Towards Net-Zero and Negative Emission Biorefineries“ publiziert.

Literatur

^[1] Plastics – the Fast Facts 2024; Plastics Europe, 2024. https://plasticseurope.org/knowledge-hub/plastics-the-fast-facts-2024/ (accessed 2025-01-22).

^[2] International Energy Agency. Direct Air Capture: A Key Technology for Net Zero; IEA, 2022. https://doi.org/10.1787/bbd20707-en.

^[3] National Energy Technology Laboratory, Point Source Carbon Capture Program; Factsheet Program 160; U.S. Department of Energy, 2023; pp 1-4.

^[4] Fahs, R.; Jacobson, R.; Gilbert, A.; Yawitz, D.; Clark, C.; Capotosto, 1; Cuncliff, C.; McMurtry, B.; Lee, U. Pathways to Commercial Liftoff: Carbon Management; Report; U.S. Department of Energy, 2025; pp 1-55.

^[5] Stuart, P. R. Biorefinery Transformation 101: Tutorial on Designing the Biorefinery, Session 1: The Basics. In PaperWeek-BIOFOR Conference; 2022.

Autor:innen

Dipl.-Ing. Philipp Petermeier, PhD MSc ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Forschungsgruppe „Wasser- und Prozesstechnologien“ bei AEE INTEC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

Paul R. Stuart, PhD M.Eng. ist Professor am Institut für Chemieingenieurwesen, Polytechnique Montréal. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

Dipl.-Ing.ⁱⁿ Dr.ⁱⁿ Bettina Muster-Slawitsch ist Leiterin der Forschungsgruppe „Wasser- und Prozesstechnologien“ bei AEE INTEC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!