<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>
Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle in Bezug auf die angestrebte Energiewende. Im Forschungsprojekt SolidScore wird mit Hilfe der innovativen Biowasserstofftechnologie das vorhandene Spektrum der bisher zur biologischen Wasserstofferzeugung genutzten wässrigen Ausgangssubstrate erweitert. Vor diesem Hintergrund wird untersucht, inwieweit sich Reststoffe, wie zum Beispiel Bioabfälle und landwirtschaftliche bzw. pflanzliche Reststoffe, mit einem Trockenrückstand (TR) größer als 10 % eignen. Das grundlegende Prinzip ist die dunkle Fermentation. Herkömmliche Verfahren wie die Hochtemperatur-Elektrolyse oder die Dampfreformierung sind sehr energieintensiv und verwenden zumeist fossile Brennstoffe. Die biologische Wasserstofferzeugung mit Rest- und Abfallstoffen ist klimafreundlich und CO2-neutral. Im Vergleich zu den anderen biologischen Verfahren zur Wasserstofferzeugung ist die dunkle Fermentation technologisch am weitesten fortgeschritten. Es ist ein anaerobes Verfahren, bei dem organische Substrate unter Abwesenheit von Licht zu Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie flüchtigen organischen Säuren (FOS) abgebaut werden. Versuche zeigten, dass vor allem Abwasser aus der Nahrungsmittelindustrie für die Biowasserstofferzeugung geeignet sind. Gleichzeitig konnten aber auch Limitierungen der einsetzbaren Substrate aufgezeigt werden. Das Projekt SolidScore hat das Ziel, das Reststoffspektrum der verwendbaren Substrate und somit die Einsetzbarkeit des Verfahrens deutlich zu erweitern. Darüber hinaus führt die Implementierung der dunklen Fermentation in Bioenergieanlagen zu einer Steigerung der Gesamteffizienz. Am Beispiel der Vergärung von Kohlenhydraten kann durch das im Antrag beschriebene 2-stufige Verfahren eine Gesamteffizienzsteigerung erzielt werden. Zusätzlich werden im Rahmen des Projektes Konzepte zur weiteren Verwendung des so erzeugten Wasserstoffs erstellt. Dies beinhaltet zum Beispiel auch die innerbetriebliche Nutzung des Wasserstoffs.
In MemKoWI ist geplant, Membranverfahren für die Abtrennung von CO2 und H2 in Industrien zu untersuchen, in denen sie bisher nicht etabliert sind. Das Potenzial, dass sie sich hier als skalierbare und durch die Möglichkeiten verschiedene keramische und polymere Membranmaterialien zu innovativen Kombinationen Lösungen zu verschalten, flexible und anpassbare Technologie, erweist ist sehr groß. Allerdings ist ebenfalls mit erheblichen Risiken zu rechnen. Im Vergleich zu den bisher untersuchten Einsätzen von Membranverfahren zur CO2-Abtrennung aus Kohlekraftwerksrauchgasen, zeichnen sich die in MemKoWI adressierten Gase durch andere Zusammensetzungen aus. Somit kann die Einsetzbarkeit der Verfahren zwar durch Berechnungen abgeschätzt, deren stabiler Einsatz aber nur im Versuch im Betriebsumfeld nachgewiesen werden. Potenzielle Anwender können so von den Vorteilen der Membranverfahren überzeugt werden. In MemKoWI ist der Einsatz von drei Testanlagen geplant. Eine der Anlagen ist bereits vorhanden und soll modifiziert werden, während die beiden anderen Anlagen neu zu bauen sind. Die hiermit verbundenen Kosten sind weder aus der Grundfinanzierung der beteiligten Forschungsinstitutionen noch aus den F&E-Budgets der beteiligten Unternehmen zu finanzieren. Weiterhin stellt die Einbindung der Anlagen in Industriestandorte einen erheblichen, anderweitig nicht finanzierbaren Aufwand dar. Die für die Membranherstellung verwendeten Rohmaterialien müssen in hinreichender Menge beschafft, verarbeitet und in Membranmodule verbaut werden. Auch die Ausgaben hierfür übersteigen die F&E-Budgets. Das für die Durchführung der geplanten Arbeiten notwendige Personal kann nur zum Teil aus der Grundfinanzierung gestellt werden. Projektpersonal muss, gerade auch im Hinblick auf die Erstellung wissenschaftlicher Arbeiten, eingestellt werden und der Personalaufwand für die Betreuung der Testanlagen abgedeckt werden.
Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle in Bezug auf die angestrebte Energiewende. Im Forschungsprojekt SolidScore wird mit Hilfe der innovativen Biowasserstofftechnologie das vorhandene Spektrum der bisher zur biologischen Wasserstofferzeugung genutzten wässrigen Ausgangssubstrate erweitert. Vor diesem Hintergrund wird untersucht, inwieweit sich Reststoffe, wie zum Beispiel Bioabfälle und landwirtschaftliche bzw. pflanzliche Reststoffe, mit einem Trockenrückstand (TR) größer als 10 % eignen. Das grundlegende Prinzip ist die dunkle Fermentation. Herkömmliche Verfahren wie die Hochtemperatur-Elektrolyse oder die Dampfreformierung sind sehr energieintensiv und verwenden zumeist fossile Brennstoffe. Die biologische Wasserstofferzeugung mit Rest- und Abfallstoffen ist klimafreundlich und CO2-neutral. Im Vergleich zu den anderen biologischen Verfahren zur Wasserstofferzeugung ist die dunkle Fermentation technologisch am weitesten fortgeschritten. Es ist ein anaerobes Verfahren, bei dem organische Substrate unter Abwesenheit von Licht zu Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie flüchtigen organischen Säuren (FOS) abgebaut werden. Versuche zeigten, dass vor allem Abwasser aus der Nahrungsmittelindustrie für die Biowasserstofferzeugung geeignet sind. Gleichzeitig konnten aber auch Limitierungen der einsetzbaren Substrate aufgezeigt werden. Das Projekt SolidScore hat das Ziel, das Reststoffspektrum der verwendbaren Substrate und somit die Einsetzbarkeit des Verfahrens deutlich zu erweitern. Darüber hinaus führt die Implementierung der dunklen Fermentation in Bioenergieanlagen zu einer Steigerung der Gesamteffizienz. Am Beispiel der Vergärung von Kohlenhydraten kann durch das im Antrag beschriebene 2-stufige Verfahren eine Gesamteffizienzsteigerung erzielt werden. Zusätzlich werden im Rahmen des Projektes Konzepte zur weiteren Verwendung des so erzeugten Wasserstoffs erstellt. Dies beinhaltet zum Beispiel auch die innerbetriebliche Nutzung des Wasserstoffs.
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.