SI/502303

Publikationen / Ergebnisse

>>> Berichte zu den Arbeitspaketen siehe Abschnitt "Schlussbericht" <<< Arbeitspaket 1 – Projekt-Dissemination: DemoUpCARMA (Demonstration and Upscaling of CARbon dioxide MAnagement solutions for a net-zero Switzerland) ist ein von der ETH Zürich geleitetes Pilotprojekt. Es hatte zum Ziel, zwei Pfade umzusetzen, die zur dauerhaften Entnahme von CO2 aus der Atmosphäre oder zur Vermeidung von CO2-Emissionen führen: •Nutzung und permanente Speicherung von CO2 in Abbruchbeton in der Schweiz mittels eines neuen Verfahrens. Dieser Pfad wird als CCUS (Carbon dioxide Capture, Utilisation and Storage) bezeichnet. CCUS steht für die Abscheidung, den Gebrauch und die Speicherung von CO2. •Transport und permanente Speicherung von CO2 in einem geologischen Reservoir im Ausland. Dieser Pfad wird als CCTS (Carbon dioxide Capture, Transport and Storage) bezeichnet. Damit ist die Abscheidung, der Transport und die Speicherung von CO2 gemeint. DemoUpCARMA untersuchte unter Berücksichtigung technologischer, wirtschaftlicher, regulatorischer, politischer und gesellschaftlicher Aspekte, wie diese Pfade mittel- bis langfristig optimal gestaltet und skaliert werden können. In diesem Bericht geben wir einen Überblick über alle Kommunikationsaktivitäten, die während der Projektlaufzeit durchgeführt wurden. Arbeitspaket 2 - CO 2 -Speicherung in Beton: Dieses Arbeitspaket zielt darauf ab, ein Ökosystem für die Mineralkarbonisierung zu demonstrieren, das es ermöglicht, (1) CO 2 sowohl in Primär- als auch in Recyclingbeton dauerhaft zu speichern und (2) den Energiebedarf und die Treibhausgasemissionen von Beton unter Berücksichtigung der gesamten Wertschöpfungskette zu reduzieren. Im Folgenden werden einige finale Ergebnisse aufgeführt: Im Betonproduktions- und -recyclingwerk Kästli wurden zwei großtechnische, voll integrierte Technologien zur Mineralkarbonisierung in Betrieb genommen. Der Betrieb ergab, dass 13 kg CO 2 pro Tonne RCA im industriellen Maßstab gebunden wurden, was mit den Laborversuchen übereinstimmt und einer Steigerung von 60 % gegenüber den RECARB-Ergebnissen entspricht. Betonabwässer zeigten eine CO 2 -Aufnahme von etwa 25 kg CO 2 pro Kubikmeter Schlamm. Materialtests zeigen, dass sich die Karbonatisierung positiv auf die Betonqualität auswirken kann, indem sie die Druckfestigkeit verbessert: Während der Karbonatisierung bildet sich entkalktes Calcium-Silikat-Hydrat (C-S-H ) auf der Oberfläche der RCA-Partikel, was zur Zementhydratation im neuen Beton beiträgt. Dies führt zu einer verbesserten Druckfestigkeit. Die Verarbeitbarkeit von Primärbeton, welcher mit Betonabwässer produziert wird, kann durch deren vorgängige Karbonatisierung verbessert werden. Insgesamt wurden während des Projekts 91 t CO 2 in RCA und 4.4 t CO 2 in Betonmischwasser gespeichert. Beide Wertschöpfungsketten (CO 2 -Bereitstellung und -Speicherung) verbrauchen im industriellen Betrieb weniger als 320 kWh Exergie (äquivalente Elektrische Energie) pro entnommener Tonne CO 2 . Die Anlage wurde für eine jährliche Speicherkapazität von 500 t CO 2 ausgelegt (und kann auch diese Menge CO 2 speichern). Die angemessene Menge im Rahmen dieses Projekts war jedoch viel geringer, da es sich 1) um eine Erstanlage handelte. Daher war die Betriebszeit in der ersten Hälfte des Projekts gering (heute festgelegt), und 2) brach die Nachfrage nach Beton auf dem Markt in den Jahren 2022 und 2023 ein, was zu einem viel geringeren Durchsatz von Betonzuschlagstoffen in der Anlage führte als erwartet. Es wurde ein Excel-basierter Rahmen entwickelt, der die Entwicklung und den Vergleich verschiedener CCUS-Wertschöpfungsketten zur Speicherung von CO 2 in Abbruchbeton ermöglicht. In allen Szenarien wirken sich die CCUS-Wertschöpfungsketten positiv auf das Klima aus, d. h. sie reduzieren und entfernen mehr Emissionen als sie erzeugen. Die Szenarien, die derzeit industrielle Relevanz haben, weisen THG-Entfernungseffizienzen von über 90 % auf, d. h. die indirekten THG-Emissionen, die mit einem Lebenszyklusbewertungsansatz quantifiziert werden, betragen weniger als 10 % der aus der Atmosphäre entfernten CO 2 -Menge. Um CO 2 dauerhaft in RCA und Gülle zu binden, muss eine Infrastruktur (CO 2 Versorgung und CO 2 Speicheranlagen) gebaut werden. Dies ist mit festen Investitionskosten verbunden, die der Hauptkostentreiber der Wertschöpfungskette sind, d. h. bei hohen CO 2 Speicherquoten sind niedrige Kosten zu erwarten. Die Kosten der CO 2 -Entfernung hängen also hauptsächlich von der jährlichen CO 2 Menge ab, die im Abbruchbeton gebunden wird. Die Kosten für die CO 2 Entfernung im Rahmen des Projekts (unter Berücksichtigung aller Kosten für das Projekt) betrugen 3600 CHF/t entferntes CO 2 . Die Anlagen werden jedoch nach dem Projekt in den kommerziellen Betrieb übergehen und das CO 2 zu erwarteten Kosten von 261 CHF pro Tonne entfernten CO 2 entfernen - unter der Annahme einer jährlichen Entfernungsrate von 500 t CO 2 . Arbeitspaket 3 - CO 2 -Transport und -Speicherung in Island: In diesem Arbeitspaket haben wir erstmals die technische Machbarkeit der gesamten Lieferkette demonstriert: (i) die CO2-Verflüssigung bei einem Schweizer Industrieemittenten, (ii) den internationalen grenzüberschreitenden CO2-Transport und (iii) die CO2-Injektion im Ausland in einem Onshore-Reservoir umfasst. Der industrielle Emittent ist die ara region bern ag, welche hochreines biogenes CO2 aus der Aufbereitung des vor Ort erzeugten Biogases liefert. Neustark und die ara region bern ag sind für das Management und den Betrieb der Verflüssigungsanlage sowie für die Verladung des CO2 in spezielle Iso-Container für den Transport verantwortlich. Salzmann AG Transporte, SBB Cargo und ChemOil übernehmen den Transport der CO2-Iso-Container vom Standort des Emittenten nach Rotterdam und zurück. Die Container werden per Lastwagen zum Bahnhof Weil-am-Rhein und anschliessend per Bahn zum Hafen Rotterdam transportiert. Die Seefracht vom Hafen Rotterdam nach Reykjavik wird vom Dienstleister Samskip abgewickelt und von ChemOil und Carbfix überwacht. In Island löst der Carbfix-Prozess CO2 in Wasser und injiziert es dann in basaltisches Grundgestein. Carbfix hat in früheren Projekten bereits gezeigt, dass CO2 in Süsswasser gelöst und in den Untergrund injiziert werden kann, wo es anschliessend mineralisiert. Die Projekte DemoUpCARMA und DemoUpStorage haben demgegenüber erstmals die Injektion von CO2 demonstriert, das vor Ort in Meerwasser gelöst wurde. Die erste Injektionskampagne fand zwischen Herbst 2022 und Frühjahr 2023 statt und umfasste die Injektion von rund 50 Tonnen CO2 am Standort Hellisheiði mit Süsswasser. Eine zweite Kampagne zwischen Herbst 2023 und Herbst 2024 injizierte etwa 140 Tonnen CO2, gelöst in Meerwasser, am Standort Helguvík, der im Rahmen der Projekte DemoUpCARMA, DemoUpStorage und CO2SeaStone durchgeführt wurde. Die Überwachung der Injektion wurde im Rahmen des Projekts DemoUpStorage durchgeführt. Die Ergebnisse und die Leistungsfähigkeit der Injektion von in Meerwasser gelöstem CO2, insbesondere in Bezug auf die Mineralisierung, sind im DemoUpStorage-Projektbericht dokumentiert. Während der Betriebsphase traten mehrere Herausforderungen auf, darunter die Komplexität regulatorischer Anforderungen, Wissenslücken beim Personal aufgrund der Neuartigkeit der Technologie, die Entwicklung eines wirksamen Protokolls zur CO2-Verfolgung und -Überwachung auf Systemebene, unerwartete Probleme in der Lieferkette und beim Anlagenbau sowie logistische Herausforderungen, etwa Gleisbauarbeiten in Deutschland im Sommer 2024, die zu Verzögerungen beim Containertransport führten. Trotz dieser Hürden demonstrierte das Projekt erfolgreich das Potenzial des grenzüberschreitenden CO2-Transports und der unterirdischen Mineralisierung als wirksame Instrumente zur Emissionsreduktion und Carbon Dioxide Removal. Diese Pionierarbeit zeigt die realen Herausforderungen bei der Umsetzung innovativer Konzepte und betont die Bedeutung, regulatorische, fachliche und logistische Hindernisse direkt im Feld, beispielsweise durch Pilotprojekte, anzugehen. Für die demonstrierte CO2-Lieferkette betragen die Kosten für die Beschaffung und den Transport von verflüssigtem CO2 von der Ara Bern Biogasaufbereitungsanlage in der Schweiz nach Island etwa 1'600 CHF pro Tonne. Kostensenkungen werden erwartet, wenn künftig von Containertransport (wie in diesem Projekt) auf Pipeline-Transport umgestellt wird, wie in WP4 adressiert. Die Lebenszyklusanalyse zeigt eine Effizienz von über 70 %, wobei das gesamte erfasste CO2 als biogen zertifiziert ist und somit Netto-Negativemissionen ermöglicht. Über 75 % der Umweltwirkungen stammen aus dem heute noch fossil geprägten internationalen Transport, was die Bedeutung des Aufbaus einer CO2-Transportinfrastruktur mit niedrigen Emissionen parallel zur Dekarbonisierung von Energie und Schifffahrt unterstreicht. Arbeitspaket 4 - Technoökonomische Analyse und Scale-up: Das Ziel dieses Arbeitspakets ist es, zum einen das kurzfristige Skalierungspotenzial von CO 2 Capture-, Utilization- und Storage-Ketten (CCUS) und von CO 2 Capture-, Transport- und Storage-Ketten (CCTS) zu bewerten, und zum anderen das langfristige Potenzial eines CO 2 -Netzwerks zu untersuchen, um Schweizer CO 2 -Punktquellen mit nationalen und internationalen Speicherstandorten zu verbinden. Im Folgenden werden CO 2 -Versorgungsketten, die CO 2 -Capture und den Transport ins Ausland zur geologischen Speicherung beinhalten, als CCTS bezeichnet. CO 2 -Versorgungsketten, die CO 2 -Capture und -Utilization sowie die dauerhafte Speicherung in Beton durch Mineralisierung verfolgen, werden als CCUS bezeichnet. Zunächst konzentrierten wir uns auf die Analyse einiger Schweizer Punktquellen-Emittenten, darunter die KVA-Hagenholz – eine Kehrichtverbrennungsanlage (KVA) in Zürich, Jura Zement – eine Zementproduktionsanlage in Wildegg, und die ARA Region Bern – eine Biogasaufbereitungsanlage, welche CCUS und CCTS in naher Zukunft, d.h. ab ca. 2030, zur Emissionsvermeidung einsetzen könnten. In dieser Arbeit wurde die gesamte CO 2 -Versorgungskette betrachtet, von CO 2 Capture und Verflüssigung am Standort des Emittenten, über Transport bis hin zu Speicherung in Beton (inländische Lösung) oder in einem geologischen Reservoir in der Northern Lights Speicherstätte in Norwegen oder in isländischem Basalt durch die Carbfix-Technologie. Aufgrund des kurzfristigen Zeithorizonts wurde davon ausgegangen, dass diese Transportketten das CO 2 hauptsächlich auf dem Landweg per Lastkraftwagen und Zug transportieren werden. Als Folge davon machen die Transportkosten den größten Anteil von bis zu 60% für die Early-mover-Ketten aus, da solche multimodalen Transportlösungen für weite Entfernungen nicht von Skaleneffekten profitieren. Es wird jedoch erwartet, dass diese Kosten langfristig erheblich sinken werden, dank effizienterer Lösungen wie einem Pipeline-Netzwerk, was die Kosten der gesamten CCTS-Kette per vermiedenem CO 2 halbieren dürfte. Die Kosten sind unabhängig von der CO 2 -Quelle und berücksichtigen CO 2 -Reduktion und -Entfernung. Eine Ökobilanz (LCA) wurde ebenfalls durchgeführt und zeigt, dass alle Ketten das Treibhauspotenzial (GWI) des entsprechenden Emitters um mindestens 70% bis zu 85% reduzieren, da die Treibhausgasemissionen entlang der CCTS-Kette deutlich niedriger sind als die Menge an gespeichertem CO 2 . Verglichen mit dem Betrieb ohne CO 2 -Vermeidung, werden 70% bis 85% der Treibhausgase vermieden. Bei Emittenten mit biogenem Treibstoff entsteht ein Potential für netto CO 2 -Entfernung falls die CO 2 -Reduktion grösser ist als die biogenen Emissionen des Emittenten. Die größten Beiträge zum GWI stammen vom CO 2 Capture und Transport, deren Treibhausgasemissionen in Zukunft voraussichtlich abnehmen werden, insbesondere durch die Dekarbonisierung technischer Systeme im Transportbereich. Im nächsten Schritt wurde ein Netzwerkmodell verwendet, um eine optimale CO 2 -Netzwerkstruktur und Ausroll-Szenarien für den Übergang von Early-Mover-Ketten zu einem integrierten schweizerischen CCTS- und CCUS-Versorgungsnetzwerkes zu untersuchen, das mit einer europaweit gemeinsam genutzten Infrastruktur verbunden ist. Die Auswertung hat die hohe Unsicherheit hinsichtlich der Entwicklung und Zugänglichkeit einer solchen Infrastruktur hervorgehoben, sowie den Vorteil für schweizerische Akteure, frühzeitig mit der Entwicklung nationaler Infrastruktur zu beginnen, d.h., CO 2 -Capture, Transport (unter Verwendung von Pipelines) und möglicherweise Speicherung. Die Analyse wurde auf andere Sektoren ausgeweitet, z.B. auf die Chemie-, Pharma- und Life-Sciences-Industrie. Ein solches Netzwerk wird Schweizer CO 2 -Punktquellen bedienen und Direct Air Capture (DAC)-Einheiten umfassen, deren optimale Lage in Bezug auf verfügbare CO 2 -Speicherzentren im Ausland untersucht wird. Im Hinblick auf CCTS- und CCUS-Geschäftsmodelle wurde festgestellt, dass ihre Realisierbarkeit von folgenden Faktoren abhängt: (i) das regulatorische Umfeld, d. h. welche Industrien und welches CO 2 im schweizerischen Emissionshandelssystem (ETS) einbezogen sind, wann und wie das überarbeitete CO 2 -Gesetz verabschiedet wird, welche Dynamik im freiwilligen Kohlenstoffmarkt (VCM) auftritt; (ii) die Gestaltung des Dekarbonisierungspfads, den Emittenten wählen, was unterschiedliche Risikoprofile und Kostenschätzungen beinhaltet; (iii) die Organisation und Verwaltung der Versorgungsketten, wobei entweder eine integrierte Capture-Anlage, die vom einzelnen Emittenten verwaltet wird, oder ein Capture-Cluster, das von einer Gruppe von Emittenten verwaltet wird, an einen oder mehrere Dritte gekoppelt werden, die mit dem Transport und der Speicherung beauftragt werden; (iv) die Unsicherheit hinsichtlich der Stabilität und Langlebigkeit von Einnahmen und Finanzierungsinstrumenten. Bei der Untersuchung der Widerstandsfähigkeit, d. h. der Möglichkeiten, den reduzierten Service oder dessen Fehlen zu minimieren, unterscheidet man zwischen kostengünstigen Lösungen (billiger) und umweltfreundlichen Lösungen (kostspieliger). Solche Lösungen existieren, obwohl die Widerstandsfähigkeit möglicherweise in einem so frühen Stadium der Entwicklung von CCTS-Ketten eine geringere Priorität hat als die Indikatoren, die sich aus TEA und LCA ergeben. Schliesslich wurde die Integration von Punktquellen-CO 2 -Capture in Kehrichtverbrennungsanlagen und Zementanlagen am Beispiel der KVA von ERZ in Hagenholz (Zürich) und des Zementwerks Jura in Wildegg (Aargau) evaluiert. Dies beinhaltet die Konzeption und Dimensionierung der CO 2 -Capture-Anlagen, die für beide Standorte erforderlich sind, sowie die Durchführung einer techno-ökonomischen Analyse der Prozessintegration. Hierbei wurden diverse Restriktionen wie die Betriebsbedingungen der Anlagen, die Verfügbarkeit von Wärme, saisonale Energiebedarfe und räumliche Limitationen berücksichtigt. Für das Jura Zementwerk wurde der CO 2 Capsol EoPTM Prozess mit heißem Kaliumcarbonat als Lösungsmittel gewählt, der darauf ausgelegt ist, ausschließlich Elektrizität als Energiequelle zu verwenden. Im Gegensatz dazu, verfügt die KVA-Hagenholz über ausreichend Prozessdampf, um einen Amin-basierten CO 2 -Capture-Prozess zu betreiben, nämlich den von der BASF lizenzierten OASE® Blue-Prozess. Der CO 2 -Capture-Prozess kann dort installiert werden, während die abgegebene Fernwärmemenge durch den fortschrittlichen Wärmeintegrationsansatz beibehalten werden kann. Auf Basis dieser Ergebnisse werden Leitlinien zur Verallgemeinerung entwickelt, welche auf andere schweizerische Emittenten aus diesen Branchen angewendet werden können. Arbeitspaket 5 - Politik, Regulierung und öffentliche Akzeptanz: Work Package (WP) 5 von DemoUpCARMA untersucht politische, regulatorische, finanzielle und Akzeptanz-Aspekte von CCTS/CCUS-Wertschöpfungsketten und identifiziert potenzielle Lücken für ihre Umsetzung und Skalierung. Zu diesem Zweck umfasst dieses WP eine Analyse der Klimafinanzierungsinstrumente auf nationaler und internationaler Ebene, eine Untersuchung effektiver politischer Konzepte zur Überwindung von Finanzierungs- und potenziellen Akzeptanzproblemen, eine Analyse der Interessengruppen und Vorschläge für eine angemessene Kommunikation sowie eine Bewertung technischer und organisatorischer Fragestellungen im Zusammenhang mit dem Ausbau der erforderlichen Infrastruktur. Aufgrund der Neuartigkeit der DemoUpCARMA-Pilotdemonstrationen sowie der CCTS/CCUS-Wertschöpfungsketten und ihrer politischen, regulatorischen, finanziellen und Akzeptanz-Aspekte insgesamt wurde eine Reihe qualitativer und explorativer Methoden angewandt, um sich den anstehenden Themen zu nähern; dazu gehörten beispielsweise eine Bestandsaufnahme und Kartierung bestehender nationaler und internationaler Best Practices sowie Workshops und Interviews mit relevanten Schlüsselakteuren (wie nationalen Behörden, Industriepartnern, Fachexperten, der Öffentlichkeit, Verbänden und Unternehmen aus vergleichbaren Branchen usw.). Während die Schweiz CCTS/CCUS in ihrer langfristigen Strategie zur Erreichung von Netto-Null-Emissionen bis Mitte des Jahrhunderts eine bedeutende Rolle zugewiesen hat, haben die CCTS/CCUS-Wertschöpfungsketten aufgrund der damit verbundenen hohen Kosten und unzureichenden Investitionsrenditen derzeit keinen tragfähigen Business Case. Um wirtschaftlich tragfähig zu werden, werden diese Technologien voraussichtlich weitere wirtschaftliche Anreize benötigen. Zu diesem Zweck wurde eine Analyse aktueller und potenzieller künftiger Klimafinanzierungsinstrumente auf nationaler und internationaler Ebene in der Schweiz und in anderen Ländern sowie ihres Potenzials für die Mobilisierung und Verbreitung von CCTS/CCUS-basierten Klimaschutzmethoden durchgeführt. In der Schweiz und weltweit wurden mehrere Initiativen zur Unterstützung von CCTS/CCUS-Aktivitäten auf den freiwilligen Märkten und auf den Märkten für die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten identifiziert, darunter Kohlenstoff-Differenzverträge, steuerliche Anreize oder Kaufverträge verschiedener Art. Als Ergebnis dieser Zusammenstellung wurden mehrere Möglichkeiten für Interessengruppen identifiziert, Massnahmen zu ergreifen und dazu beizutragen, bestehende Herausforderungen zu bewältigen und die Verbreitung von CCTS/CCUS-Lösungen weiter voranzutreiben. Bei der Kartierung der Stakeholder entlang der CCTS/CCUS-Wertschöpfungsketten wurden Stakeholder aus Wissenschaft, Wirtschaft, Politik und Zivilgesellschaft sowie der Öffentlichkeit identifiziert. Faktoren mit potenziell positiven, negativen oder ambivalenten Auswirkungen auf die Wahrnehmung von CCTS/CCUS durch die Stakeholder wurden untersucht. Darüber hinaus wurden in Interviews mit relevanten Akteuren in Island aus Verwaltung, Politik, Industrie, Wissenschaft und Gesellschaft deren Ansichten zu grenzüberschreitenden CCTS mit geologischer Speicherung in Island erfragt. Was die organisatorischen und finanziellen Modelle betrifft, die für eine CO 2 -Pipeline-Netzinfrastruktur in der Schweiz in Frage kommen, wurde ein umfassender Überblick über mögliche Modelle erstellt. Insgesamt scheinen regulierte Geschäftsmodelle mit einem zentralen Operator den am besten geeigneten Finanzierungsansatz für ein Schweizer CO 2 -Pipelinenetz zu bieten, da sie niedrige Finanzierungskosten, Anreize für einen effizienten Betrieb und die Flexibilität bieten, sich mit der Entstehung des Netzes und mit Änderungen des regulatorischen Umfelds im Laufe der Zeit mitzuentwickeln.

Schlussbericht