Negative Emissionen und Kohlenstoffmanagement

Bei dieser Technologie wird das CO2 im ersten Schritt durch Photosynthese in Form von Biomasse der Atmosphäre entzogen. Durch einen Biomasse-Pyrolyseprozess wird das atmosphärische CO2 in Form von Kohle, genannt „Biochar“, gespeichert, solange die Biochar nicht wieder verbrannt wird. Neben der CO2-Senke entsteht bei dem Pyrolyseprozess nutzbare Energie in Form von Wärme und Strom.

Bei BECCS wird (ebenso wie bei BCR) das CO₂ durch Photosynthese in Form von Biomasse der Atmosphäre entzogen. In diesem Fall gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Biomasse-Konversionsprozesse, vor allem abhängig von der Biomasseart (z.B. Biomasse-Verbrennung oder Vergärung), die die Biomasse zu nutzbarer Energie (Wärme und/ oder Strom) und zu CO₂ konvertieren. Bei BECCS wird das CO₂ aus dem Abgas entnommen, der Standardprozess dafür ist heute Aminwäsche. Anschließend wird das CO₂ verflüssigt und durch Verpressung in geologischen Sphären gespeichert, man spricht von „Sequestrierung“. Es ist auch eine Kopplung aus Biomasse-Pyrolyse und BECCS-Einheit möglich.

Hier wird Luft durch ein Filtermaterial geschleust und so das CO2 aus der Luft gefiltert. Das CO2 wird dann entweder mit Energieeinsatz aus dem Filtermaterial getrennt oder mit diesem gemeinsam in geologischen Sphären sequestriert.

Hier wird die natürliche Alterung von Steinen durch das Zermahlen von Steinen beschleunigt. Bei der Alterung entstehen Karbonate auf der Gesteinsoberfläche, die das CO₂ chemisch binden. 

Bei der Aufforstung / Wiederaufforstung wird CO₂ durch Photosynthese in Wäldern gespeichert. Jedoch muss die Biomasse in geeigneter Weise geerntet werden, da sonst das CO₂ bei der natürlichen Verrottung der Biomasse wieder ausgestoßen würde.

Bei der Anreicherung von CO₂ in Böden kann durch geeignetes Bodenmanagement der Bodenkohlenstoffanteil schrittweise erhöht werden.

Ozean-Alkalisierung bzw. Ozan-Düngung soll die CO₂-Konzentration in Meeren reduzieren. Bei der Alkalisierung geschieht dies durch die Zugabe von Gesteinsmehl, welches CO₂ bindet. Bei der Ozeandüngung wird versucht, durch gezielte Zugabe von Nährstoffen in den oberen Meeresschichten das Wachstum von Phytoplankton anzuregen, welches CO₂ durch Photosynthese speichert.

Technologiebewertung von CO₂-Abscheidung, Speicherung und Nutzung:

• Analyse und multikriterielle Bewertung verschiedener CDR-Technologien und ihrer Potenziale (DBFZ, GFZ, IEG, Jülich, KIT, UFZ, ZSW, WI).
• Analyse biogener Materialien zur CO₂-Abscheidung (DBFZ)
• Bewertung elektrochemischer DAC-Verfahren (KIT)
• Nutzung von abgeschiedenem CO₂ (DBFZ)

Ökologische Auswirkungen und Nachhaltigkeit:

• Life Cycle Assessment (LCA) Analysen zur Bewertung der ökologischen Auswirkungen von CDR-Technologien (ISE, Jülich, UFZ).
• Ressourcenanalyse (WI, DBFZ)

Infrastrukturanalysen:

• CO₂-Transport Modellierung (Jülich, IZES)
• CO₂-Infrastrukturen für die Speicherung im geologischen Untergrund (GFZ)

Energiesystemintegration und Sektorenkopplung:

• Modellierung von CDR-Verfahren in nationalen und globalen Energiesystemmodellen zur Erreichung von Klimaneutralität (GFZ, UFZ, ISE, Jülich, ZSW, IZES, WI).
• Treiber und Szenarien von biobasierte negative Emissionskonzepten (DBFZ)
• Bioenergienutzung in Kombination mit Senken (UFZ, DBFZ, IZES)
• Kopplung von CDR-Verfahren mit Energiesystemkomponenten z.B. Wärmekonzepte (GFZ, IEG, ISE).
• Kopplung von DAC mit Lüftungsanlagen (KIT)

Ökonomische Aspekte und Marktpotenziale:

• Techno-ökonomische Bewertung und Marktpotential von CDR-Verfahren (DBFZ, GFZ/RIFS, IEG, Jülich, ZSW, WI)
• Analyse von CO₂-Märkten (IZES)
• DAC-Marktentwicklung (ZSW, ISE, WI)

Rahmenbedingungen und politische Implikationen:

• Untersuchung der gesellschaftlichen Akzeptanz (GFZ/RIFS, UFZ, IZES)
• Teilnahme an Stakeholder-Dialogen und Entwicklung von Rahmenbedingungen für die Umsetzung von CDR-Maßnahmen (GFZ, WI).
• ​​Negative Emissionen im Rahmen von internationaler Klimapolitik (GFZ-RIFS, WI)
• Weiterentwicklung der SDGs der UN (GFZ/RIFS)
• Stellungnahme zur nachhaltigen Bioenergienutzung inkl. Berücksichtigung von Negativemissionen (UFZ)

CO₂-Abscheideprozesse an Punktquellen:

• Individuelle Auswahl und Bewertung von Abscheideprozessen (IEG)
• Optimierung von Adsorbentien für CO₂ Capture aus Punktquellen (Jülich)

Optimierung bestehender CO₂-Entzugs-Technologien:

• Prozesssimulationen von Carbon-Capture-Prozessen
• Untersuchungen zu verschiedenen Carbon-Capture-Technologien
• Entwicklung von CO₂-Aufkonzentrierungsprozessen (IEG)
• Entwicklung großtechnischer CO₂-Entzugsprozesse (IEG)

Entwicklung von Filtermaterialien (Absorptions- und Adsorptions-Technologien) für Direct Air Capture (DAC):

• DAC-Filter Materialuntersuchung (ISE, Jülich, KIT, ZSW)
• DAC-Filter-Materialentwicklung (Jülich, ISE)
• DAC-Filter-Materialfunktionalisierung (Jülich, ISE)

Systemintegration für Direct Air Capture (DAC):

• DAC-Systemsimulationen (Jülich)
• DAC in Gebäude-Lüftungsanlagen (KIT)

Materialentwicklung, Entwicklung neuartiger Verfahren und Anlagenbau für Direct Air Capture (DAC):

• Entwicklung neuartiger DAC-Technologien, Anlagen und Aufbau von Demonstratoren (ISE, KIT, ZSW)
• Entwicklung von wäscher- und feststoffbasierten DAC-Anlagen (ZSW)
• Weiterentwicklung von DAC-Prozessen mit Fokus auf Energieeinsparung und Kostenoptimierung (ZSW)

Entwicklung und Implementierung von neuartigen CO₂-Entzugs-Technologien:

• Integration von DAC in Gebäude-Lüftungsanlagen und Entwicklung eines HVAC 2.0 Demonstrators (KIT)
• Entwicklung von Prozessen zur Herstellung von CO₂-negativen Energieträgern/Chemikalien aus Biomasse (KIT)

Kohlenstoff-Kreislaufkonzepte:

• Analyse und Bewertung von C-Kreislaufkonzepten (WI)

CO₂-Verwertung durch OxyFuel-Verbrennung:

• OxyFuel-Verbrennung zur CO₂-Bereitstellung (ZSW)

Geologische CO₂-Speicherung (CCS):

• Bewertung und Entwicklung von Prozessen für CO₂-Speicherung im Untergrund (GFZ, KIT, IEG)
• Metaanalyse von CO₂-Speicherpotenzialstudien im Rahmen von CCS-Studien (WI)
• Quantifizierung und Qualifizierung aller relevanten Prozesse bei CCS im Porengestein (GFZ)
• Input für Gesetze, Verordnungen, Normung (GFZ)
• Überwachung (geophysikalisch, geochemisch), Modellierung, Leitlinien für Integrität der Speicherstätte (GFZ)

Nutzungskonkurrenz und Systemkopplung CCS mit Erneuerbaren Energien:

• CO₂-Speicherung im Untergrund in Kombination mit Geothermie (KIT)
• Analyse von Nutzungskonkurrenzen oder Synergien der stofflichen Speicherung, z.B. von CO₂/H₂/geothermischer Energie im Untergrund (GFZ, IEG)

Wechselwirkung von CCS mit Bioökonomie:

• Analyse von Nutzungskonkurrenzen und Synergien um Kohlenstoff in der Bioökonomie (DBFZ, UFZ)

Gesellschaftliche Akzeptanz:

• Untersuchung der gesellschaftlichen Wahrnehmung und Kommunikation im Kontext von CCS sowie Medienanalyse (GFZ, UFZ)

Umwandlung von CO₂ in Produkte und Rohstoffe:

• Bio-Energy Carbon Capture Usage and/ or Storage (BECCUS) (DBFZ)
• Entfernung von CO₂ aus Punktquellen und Nutzung (herion, Jülich)
• Power-to-X , Synthese von Kraftstoffen (z.B. Methanol) aus CO₂-Quellen und Elektrolyse (ISE, KIT, Jülich)
• Umwandlung von CO₂ in Basischemikalien und synthetische Kraftstoffe in katalytischen Membranreaktoren auch unter Nutzung solarthermischer Wärme (Jülich)
• Entwicklung eines Prozesses zur Herstellung von Methanol aus CO₂ und Wasser aus einer Direct Air Capture-Anlage (Jülich)
• Entwicklung von Materialien und Prozessen für CO₂ capture für die Synthese von Kraftstoffen (Jülich)
• Entwicklung von Elektrolyseverfahren von CO₂ zu Ameisensäure und CO sowie von Elektrolysekatalysatoren CO₂ zu Ethanol (Jülich, WI)
• Entwicklung, Skalierung und Bewertung elektrochemischer Technologien zur Nutzung von CO₂ und EE-Technologien (UFZ)
• Untersuchung und Skalierung der elektrochemischen Konversion von CO₂ in C1-Körper (Formiat/ Ameisensäure, Methanol) zur biologischen Synthese von Grund- und Feinchemikalien (UFZ)
• Einsatz von BECCS in der Grundstoffindustrie und Thermischen Abfallbehandlungsanlagen (WI)
• Prozess-Bewertung und -Entwicklung zur Nutzung von CO2 als Synthesegas zur Energiespeicherung (ZSW, Jülich)
• Elektrochemische Umwandlung von CO₂ zu Grundchemikalien und Brennstoffen (Jülich)
• Entwicklung von Katalysatoren, Charakterisierung und Untersuchungen an CO₂-Elektrolyseuren (Jülich)
• Biochar als Koppelprodukt aus der Herstellung von biobasierten Energieträgern/Chemikalien (KIT)
• Neuartige Prozessrouten zur Herstellung von CO2-negativen Energieträgern/ Chemikalien aus Biomasse (z.B. mittels integrierten BECCS/ Biochar Konzepten) (KIT)

Material- und Prozessentwicklung für Negative Emission in Produkten

• Entwicklung von CO₂-Speicherung im Bausektor (IEG, KIT)
• Neuartige Verfahren zur langfristigen Bindung von CO₂ mittels Bergbauabfällen (KIT)
• Funktionalisierung von biogenen Kohlenstoffen für langlebige Produkte (ISE)

CO₂-Infrastruktur:

• Infrastrukturen für grünes/klimaneutrales CO₂ (IZES)

Ganzheitliche Bewertung:

• Ganzheitliche Bewertung biobasierter Produkte (UFZ)
• Potenzialanalysen von BECCS und DACCS für CCU, insb. in der Grundstoffindustrie (WI)
• Bewertung der Klimaschutzwirkung von CCU (WI)

Sektorenkopplung und Effizienzsteigerung:

• Sektorenkopplung und Systemeffizienz (DBFZ, ISE, Jülich)
• Simulation des Betriebsverhaltens von CO₂-Entzugsprozessen in Abhängigkeit von z.B. elektrischer Energie und Wärme (IEG)
• Untersuchung der Integration von NETs in erneuerbare Energiesysteme (ISE, Jülich)
• Wirkungen von DACCS auf den Stromhandel (IZES)
• Power-to-X als Systemkomponente und Forschung zur Netzintegration von Elektrolyseuren (KIT)
• Synergien zwischen Herstellung von Energieträgern aus Biomasse und Wasserstoffwirtschaft (KIT)
• Kopplung von Hochtemperatur-Wärmespeicherung mit CO₂-Wandlungstechnologien (KIT)
• Carbon-Capture-Technologien als Teil industrieller Prozesse

Berücksichtigung aller Systemkomponenten zur Effizienzsteigerung:

• Betrachtung der Interaktion von BECCS mit anderen Bioenergiedienstleistungen (DBFZ)
• Untersuchung des flexiblen Betriebs von DAC-Anlagen zur Integration erneuerbarer Stromspitzen (ISE)

Reduzierung des Ressourcenverbrauchs und Emissionen:

• Modellrechnungen (REMod) zur kostenoptimierten Nutzung von Biomasse (ISE)

Etablierung von Kohlenstoffkaskadennutzung und Circular-Economy:

• Abscheidung von biogenem Kohlenstoff und dessen Speicherung (GFZ)
• Untersuchung der Kohlenstoff-Budgets von Natur- und Kulturlandschaften (GFZ)
• Entwicklung technischer Prozesse zur Nutzung biogener Reststoffe und kaskadierten Kohlenstoffnutzung (KIT)
• Forschung zu neuen Prozessrouten zur Herstellung von elementarem Kohlenstoff aus CO₂ (KIT)
• Forschung zur Circular Economy und Kaskadennutzung von Materialien (ISE)
• Analyse negativer Emissionen bei stofflichen Nutzungskaskaden von biogenen Roh-/Reststoffen (IZES)

Wechselwirkung von Kohlenstoffspeicherung und Ökosysteme bzw. Biodiversität:

• Untersuchung der potenziellen Auswirkungen von Kohlendioxidentfernung (CDR) auf die Biodiversität (UFZ)
• Satelliten- und observatoriengestützte Überwachung von Wald- und Landnutzungsänderungen und deren Kohlenstoffauswirkungen (GFZ)
• Wiederherstellung von Moorgebieten und Emissionenüberwachung (GFZ)
• Geochemische Experimente und Modellierung für Enhanced Weathering (GFZ)

Entwicklung von Wirtschaftsmodellen (auch Bioökonomie) zur Finanzierung von CO2-Entzugstechnologien und Senken:

• Bewertungsrahmen für Bioenergiestrategien mit BECCU/BECCS (DBFZ)
• Identifizierung von Technologien und Praktiken zur Maximierung der Kohlendioxidentfernung unter verschiedenen Szenarien (DBFZ)
• Analyse von biogenen Rest- und Abfallstoffpotenzialen zur Grundlage für eine Bioökonomie (DBFZ, IZES)
• Untersuchung der Nutzung nachhaltiger Biomasseströme zur Erzeugung negativer Emissionen (UFZ)
• Untersuchung von Kaskadennutzungen der Biomasseströme (UFZ, IZES)
• Untersuchung des Einsatzes von CDR-Technologien (z.B. BECCS) und CDR-Praktiken (z.B. für Land- und Forstwirtschaft, Moorgebiete), um verschiedene Annahmen (Szenarien) zu maximieren (z.B. hinsichtlich Kosteneffizienz, Umweltverträglichkeit, soziale Akzeptanz). (UFZ)
• Bewertung von Politikinstrumenten für den effizienten Einsatz agrarischer CDR-Maßnahmen (UFZ)
• Bewertung neuer Biomasse-Arten (z.B. Biomasse aus der Paludikultur, aus Makroalgen) hinsichtlich Vermeidung von Konkurrenz um Land und Ressourcen (UFZ)
• Spezifische Fragen zu landnutzungsbasierten CDR-Maßnahmen in der Landwirtschaft im Rahmen des Projekts GONASIP (UFZ)

Bewertungsverfahren und Standards, neue Marktmodelle:

• Multikriterielle Bewertungsrahmen für biobasierte negative Emissionskonzepte (DBFZ)
• Analyse der Zahlungsbereitschaft für die Bereitstellung von CDR-Leistungen und Ökosystemleistungen (UFZ)

Techno-ökonomische-Aspekte:

• Technoökonomische Bewertung neuer Verfahren für DAC und DOC (KIT, FZJ)
• ökonomische Optimierung von technischen CO₂-Entzugsprozessen (IEG)
• Marktprognosen von Negativen Emissionstechnologien (ISE)

Etablierung von Datenbanken für CO₂- und C-Senken und Emittenten:

• Etablierung eines virtuellen CCS-Observatoriums zur Szenarienbildung. Prognoese von Langzeiteffekten bei gekoppelten Prozessen (GFZ)
• Aufbereitung diverser biobasierter Optionen zu negative Emissionen in Datenbanken wie OpenAgrar und interne Datenbanken (Projekt BioNET) (DBFZ)

CO₂-Management:

• Arbeit zu Punktquellen und räumlicher Verteilung von biogenen Rest- und Abfallstoffpotenzialen für die Bioökonomie (DBFZ)

Smarte Kopplung von Technologien und Senken im Energiesystem:

• Entwicklung von Modellen zur Simulation von DAC in großen Gebäude-Lüftungsanlagen und Generierung entsprechender Datensätze (KIT)

Gerechtes CO₂-Management:

• Wirtschaftliche Bewertung und Lebenszyklusanalyse von CCU-Technologien (GFZ/ RIFS)

Akzeptanz:

• Sozio-ökonomische Folgen von CCS und CCU analysieren. (IZES)
• Gesellschaftliche Akzeptanz von CCU/CCS und CCS-Infrastruktur untersuchen, besonders im Rahmen von PtX-Prozessen. (IZES)
• Akzeptanz von BECCS erforschen. (IZES)
• Beobachtung des nationalen Diskurses über biobasierte NETs mittels sozialer Medien. (UFZ)
• Untersuchung der Akzeptanz und des Vertrauens der Öffentlichkeit in biobasierte NETs. (UFZ)
• Bewertung und Vergleich der gesellschaftlichen und institutionellen Machbarkeit einzelner biobasierter NETs (UFZ)
• Gesellschaftliche Akzeptanz von CCS und CCS-Infrastruktur bewerten. (WI)
• Analyse von Protestbewegungen im Energie- und Klimaschutzbereich und deren Einfluss auf die Akzeptanz innovativer Technologiepfade (WI)
• Positionen und Wissensbedarfe der organisierten Zivilgesellschaft im CO₂-Kernnetz erforschen (WI)

Weiterentwicklung der SDGs der UN:

• Arbeit an der Weiterentwicklung der Sustainable Development Goals der UN. (GFZ/ RIFS)

Entwicklung und Anpassung von Klimaregulierungen:

• Weiterentwicklung des Klimarechts, einschließlich Regelungen zur Vermeidung von Doppelzählungen und Integration in Kohlenstoffmärkte (UFZ)

Regulatorischer Rahmen für CO₂-Entzug und -Speicherung:

• regulatorischer Rahmen für den Umgang mit entnommenem CO₂ (z.B. Genehmigungsanforderungen für DAC, technische Regulierung, Transportregulierung, Kontroll- und Monitoringregelungen, Speicherregelungen) (UFZ)
• rechtlicher Rahmen für landnutzungsbasierte CDR-Maßnahmen in der Landwirtschaft (UFZ)
• Erarbeitung von Anforderungen an eine Negativemissionsstrategie im Kontext der Initiative In4climate.NRW mit der NRW-Grundstoffindustrie (WI)