<p>Seit 1990 gehen die Kohlendioxid-Emissionen in Deutschland nahezu kontinuierlich zurück. Ursachen waren in den ersten Jahren vor allem die wirtschaftliche Umstrukturierung in den neuen Ländern. Seitdem ist es die aktive Klimaschutzpolitik der Bundesregierung, die in Einzeljahren jedoch auch von witterungsbedingten Effekten überlagert werden kann.</p><p>Kohlendioxid-Emissionen im Vergleich zu anderen Treibhausgasen</p><p>Kohlendioxid ist das bei weitem bedeutendste <a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/treibhausgas-emissionen/die-treibhausgase">Klimagas</a>. Laut einer ersten Berechnung des Umweltbundesamtes betrug 2024 der Kohlendioxid-Anteil an den gesamten <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/t?tag=Treibhausgas#alphabar">Treibhausgas</a>-Emissionen 88,2 % (siehe Abb. „Anteile der Treibhausgase an den Emissionen“). Der Anteil hat gegenüber 1990 um über 4 Prozentpunkte zugenommen. Der Grund: Die Emissionen von Methan und Distickstoffoxid wurden im Vergleich zu Kohlendioxid erheblich stärker gemindert.</p><p>___<br> Umweltbundesamt, Nationale Treibhausgas-Inventare 1990 bis 2023 (Stand 03/2025), für 2024 vorläufige Daten (Stand 15.03.2025)</p><p>Herkunft und Minderung von Kohlendioxid-Emissionen</p><p>Kohlendioxid entsteht fast ausschließlich bei den Verbrennungsvorgängen in Anlagen und Motoren. Weitere Emissionen entstehen im Bereich Steine und Erden, wenn Kalk zur Zement- und Baustoffherstellung gebrannt wird. Bezogen auf die Einheit der eingesetzten Energie sind die Emissionen für feste Brennstoffe, die überwiegend aus Kohlenstoff bestehen, am höchsten. Für gasförmige Brennstoffe sind sie wegen ihres beträchtlichen Gehalts an Wasserstoff am niedrigsten. Eine Zwischenstellung nehmen die flüssigen Brennstoffe ein.</p><p>Seit 1990 gehen die Kohlendioxid-Emissionen nahezu kontinuierlich zurück. Zwischen 1990 und 1995 ist dies vor allem auf den verminderten Braunkohleeinsatz in den neuen Ländern zurückzuführen. Ab Mitte der 90er-Jahre wirkt sich insbesondere die aktive Klimaschutzpolitik der Bundesregierung emissionsmindernd aus. Durch kalte Winter and durch konjunkturelle Aufschwünge stiegen die Emissionen zwischenzeitlich immer wieder leicht an, zum Beispiel in den Jahren 1996, 2001, 2008, 2010, 2013 und 2015, 2021 (siehe Abb. „Emissionen von Kohlendioxid nach Kategorien“ und Tab. „Emissionen ausgewählter Treibhausgase nach Kategorien“). Im Jahr 2009 wirkte die ökonomische Krise emissionsmindernd. 2010 stiegen die Emissionen hauptsächlich durch die konjunkturelle Erholung der Wirtschaft und die kühle <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/w?tag=Witterung#alphabar">Witterung</a> wieder an. In den Folgejahren hatte die Witterung den größten Einfluss auf die Emissionsentwicklung, zusätzlich drückt der stetige Rückgang der Emissionen aus der Energiewirtschaft das Emissionsniveau ab dem Jahr 2014 deutlich. Im Jahr 2020 dominieren die komplexen Sondereffekte der Corona-Pandemie das Emissionsgeschehen, während 2021 von Wiederanstiegen dominiert wird. Der Russische Angriffskrieg gegen die Ukraine wirkte sich in unterschiedlicher Weise auf die Entwicklung der Emissionen im Jahr 2022 aus (vgl. <a href="https://www.umweltbundesamt.de/presse/pressemitteilungen/uba-prognose-treibhausgasemissionen-sanken-2022-um">UBA/BMWK: Gemeinsame Pressemitteilung 11/2023</a>).</p><p>Kohlendioxid-Emissionen 2024</p><p>2024 sanken die Kohlendioxid-Emissionen gegenüber 2023 um 21,3 Millionen Tonnen bzw. rund 3,6 % auf 572 Millionen Tonnen Kohlendioxid. Gegenüber 1990 sind die Kohlendioxid-Emissionen demnach um 48,2 % gesunken. Die größten Rückgänge gab es in der Energiewirtschaft. Weitere Nennenswerte Rückgänge der Emissionen gab es im Straßenverkehr, und bei den Haushalten und Kleinverbrauchern.</p><p>Den größten Anteil an den Kohlendioxid-Emissionen hatte 2024, wie in den letzten Jahren, die Kategorie Energiewirtschaft mit 30,8 %. Aus diesem Bereich wurden im Jahr 2024 rund 177 Millionen Tonnen Kohlendioxid freigesetzt. Die Kategorien Haushalte/Kleinverbraucher (18,6 %) und Straßenverkehr/übriger Verkehr (24,9 %) sowie Verarbeitendes Gewerbe/Industrieprozesse (zusammen 24,8 %) besitzen hinsichtlich der Kohlendioxid-Emissionen derzeit eine etwas geringere Bedeutung.</p><p>Die gesamtwirtschaftliche Emissionsintensität (Emissionen bezogen auf das Bruttoinlandsprodukt) sank zwischen 1991 und 2024 um 62 % (siehe Abb. „Kohlendioxid-Emissionsintensität in Deutschland“).</p>
In den vergangenen Jahren wurde am Institut ein neuer Hochtemperaturkreisprozeß für Kraftwerksanlagen konzipiert, bei denen eine CO2-Rückhaltung auf einfache Art realisierbar ist (Graz Cycle). Derzeit wird an Kreisprozessen mit innerer Verbrennung im Sinne der Gasturbinenprozesse gearbeitet, wobei jedoch zur Verbrennung nicht Luft, sondern Sauerstoff benützt wird. Durch die Proßzessfürhung und die Verbrennung mit reinem Sauerstoff kann ein thermisches Kraftwerk geschaffen werden kann, das keinerlei Abgase in die Umgebung emittiert. Der vorgeschlagene Kreisprozeß läßt sich mit geringen Änderungen durch Feuerung von Methan bei Oxidation durch Sauerstoff und Kühlung mittels Wasserdampf in Brennkammer und Gasturbinenschaufeln durchführen. Es ergeben sich dabei durchaus günstige Verhältnisse für die Gestaltung dieser beiden Komponenten und es wird möglich, am Ende der Expansion nach dem Kondensator das nichtkondensierbare CO2 durch Rekompression aus der Anlage auszuscheiden und zur Speicherung bzw. Wiederverwendung darzubieten. Die Anlagenkonzeption hat den Vorteil, dass größtenteils auf existierende Komponenten zurückgegriffen werden kann und keine Sonderentwicklungen z.B.: für die CO2 Abweichung notwendig werden.
Spätestens seit der Verkündung der nationalen Wasserstoffstrategie im Jahr 2020 spielt die Produktion und Verwendung von Grünem Wasserstoff in der deutschen und auch in der europäischen Energiewende eine bedeutende Rolle. Durch Grünen Wasserstoff wird die Sektorenkopplung ermöglicht und Grüner Strom kann für lange Zeiträume gespeichert werden. Die notwendigen Komponenten der Technologie, von der Erzeugung von Grünem Wasserstoff über den Transport bis hin zur Rückumwandlung in andere Energieformen, sind am Markt erprobt und werden aktuell skaliert. Somit können die Mengen an Wasserstoff, die für die kommenden Jahre benötigt werden (je nach Studie 4 TWh bei 1 GW installierter Elektrolyseleistung bis zu 20 TWh bei 5 GW installierter Elektrolyseleistung bis 2030) zumindest in Teilen in Deutschland selbst produziert werden. Bei der Skalierung der Anlagen kommen zwei Ansätze in Frage: Einerseits werden einzelne Anlagen größer, andererseits wird die Anzahl kleiner und mittelgroßer Anlagen erhöht. Grundsätzlich wird die Skalierung in beiden Dimensionen benötigt werden, um die enorme Nachfrage nach Grünem Wasserstoff bedienen zu können. Dieses Vorhaben fokussiert hierbei auf die skalierbare Auslegung und Produktion kleiner bis mittelgroßer Anlagen. So ist es das Ziel des Vorhabens, ein Konzept zu entwickeln, anhand dessen Elektrolyseure im Leistungsbereich von 500 kW bis 5 MW in eine regionale Energieversorgung eingebracht werden können. Hierbei gilt es, die entstehenden Stoffströme integriert zu betrachten, um so dezentrale und nachhaltige Wasserstoffkonzepte in die Realität zu überführen. Um dieses Konzept skalierbar zu entwickeln und an weiteren Standorten ausrollen zu können, muss ein grundsätzliches Vorgehen entwickelt werden, anhand dessen eine modularisierbare Anlage auf den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt werden kann.
Das 'Energy Technology Systems Analysis Programme (ETSAP)' der Internationalen Energie Agentur (IEA) wurde als Technology Collaboration Programme (TCP) initiiert, um durch eine systemanalytische Herangehensweise die Weiterentwicklung des globalen Energiesystems durch Untersuchungen zu aktuellen energiepolitischen Fragestellungen voranzutreiben. Seither werden alle 3 Jahre im ETSAP TCP Arbeitsprogramme (sog. Annexes) vereinbart, um im Rahmen eines gemeinsam zu bearbeitendem Projekt die Energiesystemanalyse methodisch weiterzuentwickeln und Studien durchzuführen. Der kommende Annex XVI 'Aligning energy security with zero emissions energy systems' beschäftigt sich mit u.a. mit Fragen der Energiesicherheit, Materialeffizienz und der Weiterentwicklung des globalen Energiesystemmodells TIAM. Das Vorhaben verfolgt das Ziel, das ETSAP TCP wissenschaftlich zu begleiten, indem es Beiträge zur Modellierung emissionsfreien Energieträgern in der Industrie, deren Konkurrenz zur Materialeffizienz sowie Kreislaufwirtschaft und der Rolle von neuen Industriezweigen in das Energiesystemmodell ETSAP TIAM zu integrieren liefert. Mittels Szenarienanalysen sollen diese Rückwirkungen der Fragen der Versorgungssicherheit, der Materialeffizienz und deren Auswirkungen auf den Energieverbrauch der Industrie auf möglich Pfadabhängigkeiten emissionsfreier Energieträger, im Kontext der Einhaltung des 1,5 Grad C Ziels untersucht werden. Im Weiteren soll es durch eine Serie von Workshops dazu beitragen, dass Ergebnisse der Forschungsarbeiten im Annex national und mit gleichzeitiger Einbindung der ETSAP Community diskutiert werden. Neben der Koordination des Projektes und der Zusammenarbeit mit dem TCP ETSAP ist das Ziel des IER TIAM hinsichtlich der Industrieprozesse zu erweitern um Aussagen über den weiteren Einsatz von Wasserstoff und Synfuels, sowie möglicher Pfadabhängigkeiten zu treffen. Die Ergebnisse sollen im Rahmen von Workshops, Veröffentlichungen und als open Data Verbreitung finden.
Membranverfahren für die Gasseparation haben das Potenzial eine Schlüsselrolle in einer zukünftigen Industriegesellschaft einzunehmen, die sich durch CO2-Emissionsvermeidung und -Kreislaufführung, der Verwendung von H2 sowie der Sektorenkopplung auszeichnet. Das Vorhaben MemKoWI adressiert dies durch die Erforschung von mehrstufigen Membranverfahren für die Abtrennung von CO2 aus: Rauchgas von Gichtgaskraftwerken der Stahlindustrie, Hochofengas der Stahlindustrie, Rauchgas von Frischholzkraftwerken, Abgasen der Zementindustrie und die Abtrennung von H2 aus Prozessgasen der Stahlindustrie. Hierbei sollen sowohl die modifizierte Anlage aus den Vorgängerprojekten zum Einsatz kommen als auch neue, modulare Membrananlagen konzipiert, gebaut und betrieben werden. Die darin verwendeten Membran- und Modultechnologien sollen weiter erforscht und ihre Eignung für die geschilderten Anwendungen soll nachgewiesen werden. Hierbei werden Polymer- und Keramikmembranen betrachtet und in Membranmodule integriert. Das Mehrstoffpermationsverhalten der Membranen wird experimentell untersucht werden und die Basis für die Modellierung des Trennverhaltens bilden. Diese wird zusammen mit der Beschreibung der Strömungsführung in Simulationstools für Membranmodule einfließen, welche wiederum in Prozesssimulationswerkzeuge integriert werden. Simulationen werden für die Auslegung der Anlagen, die Auswertung von Versuchsergebnissen, die Entwicklung von Verfahrensalternativen, die Übertragung auf andere Anwendungen und die Abschätzung der Wirtschaftlichkeit verwendet. Die Fernüberwachung der Anlagen wird es ermöglichen, experimentelle Daten fortlaufend mit Simulationsergebnissen abzugleichen und Regelungs- und Automatisierungsaspekte zu adressieren. Ziel des Vorhabens ist es Membranverfahren als skalierbare, bedarfsgerecht einsetzbare und einfach zu integrierende Technologie für die CO2- und H2-Abtrennung in einer sich der CO2-Neutralität annähernden Industriegesellschaft zu etablieren.