Chemische, verfahrenstechnische und ökonomische Bewertung von Kohlendioxid als Rohstoff in der chemischen Industrie

Die Nutzung von Kohlendioxid als Rohstoff in der chemischen Industrie stellt eine Alternative zur, in Deutschland gesellschaftlich umstrittenen und gesetzlich limitierten, geologischen Speicherung dar. Wissenschaftliche Publikationen über CO2-Nutzungsreaktionen beschäftigen sich in der Regel ausschließlich mit der Durchführbarkeit der Synthese, ohne das CO2-Reduktionspotential sowie die wirtschaftliche Umsetzbarkeit gegenüber entsprechenden konventionellen Herstellungs-verfahren zu betrachten. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin CO2-Nutzungsreaktionen zu identifizieren, die das Potential aufweisen zur Reduktion von CO2-Emissionen beizutragen und deren großtechnische Umsetzung, CO2-Bilanz und Wirtschaftlichkeit gegenüber dem konventionellen Prozess zu bewerten. Um dies zu erreichen wurden 123 CO2-basierte Synthesen aus der Literatur erfasst und anhand von eigens definierten Kriterien, die sowohl das mengenmäßige Potential zur Reduktion von CO2, als auch das mögliche wirtschaftliche Interesse an diesen Reaktionen berücksichtigen, bewertet. Neben der Einordnung der betrachteten Reaktionen konnte durch die Bewertung ein CO2-Vermeidungspotential der betrachteten 123 Reaktionen in Höhe von 1,33 % der Treibhausgas-Emissionen der Europäischen Union ermittelt werden. Für die Chemikalien Ameisensäure, Oxalsäure, Formaldehyd, Methanol, Harnstoff und Dimethylether, die die Auswahlkriterien am ehesten erfüllt haben, erfolgte ein direkter Vergleich des potentiellen CO2-basierten mit dem konventionellen Verfahren. Mittels Literaturdaten, Prozessentwürfen und -simulationen konnte gezeigt werden, dass die Herstellung von Methanol mit 1,43 kgCO2/kgMeOH und Dimethylether mit 2,17 kgCO2/kgDME die höchste CO2-Reduktion gegenüber dem konventionellen Verfahren erreicht. Voraussetzung ist jedoch, dass der für die Reaktionen benötigte Wasserstoff aus Elektrolyse stammt, die mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben wird. Die CO2-basierten Herstellungsverfahren von Methanol und Dimethylether können somit bei vollständiger Substitution der konventionellen Prozesse innerhalb der Europäischen Union (EU) zu einer Reduktion von 0,059 % der Treibhausgas-Emissionen der EU beitragen. Für die CO2-basierten Prozesse zu Herstellung von Methanol und Dimethylether konnte anschließend gezeigt werden, dass die Herstellkosten des CO2-basierten Prozesses um das 3,3-fache beziehungsweise um 2,3-fache höher sind als beim entsprechenden konventionellen Prozess. Daraus resultieren CO2-Vermeidungskosten in Höhe von 540 €/tCO2 bei der CO2-basierten Herstellung von Methanol und 440 €/tCO2 bei Dimethylether, die 90 beziehungsweise 73-mal höher sind als bei der geologischen Speicherung von CO2 in Aquiferen. Sinken hingegen die angesetzten Kosten des benötigten Wasserstoffes von den 5,22 auf 1,22 beziehungsweise 1,76 €/kgH2 entstehen keine Vermeidungskosten bei der Nutzung von CO2 als Rohstoff für die Synthese von Methanol und Dimethylether.