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Vielseitige Nutzung von CO2 im Brauwesen
Brauer benötigen CO2, um ihre Biere für die wichtige Schaumbildung und das angenehme, prickelnde Mundgefühl zu karbonisieren. Da CO2 etwas schwerer ist als Luft, verwenden sie das Gas auch, um die Luft vor dem Füllen aus ihren Tanks, Flaschen, Dosen und Fässern zu eliminieren, denn in die Luft beherbergt nicht nur Sauerstoff, sondern oft auch Keime, die dem Bier schädlich sein können. Zusätzlich ist komprimiertes CO2 das bevorzugte Medium, um Würze und Bier durch Transferschläuche zu schieben und Bier von Fässern zu Zapfhähnen zu befördern. Brauereien kaufen normalerweise industriell hergestelltes, komprimiertes CO2 in Metallzylindern; und die Versorgung war bis vor kurzem noch reichlich.
Die Herstellung von industriellem CO2
Die wichtigste Quelle für reines CO2 ist die Stickstoffdüngemittelindustrie, die das Gas als Abfallprodukt erzeugt. Stickstoffdünger wird in einem mehrstufigen Verfahren hergestellt, das mit einer chemischen Reaktion unter großer Hitze und hohem Druck zwischen Wasserstoffgas (H) und Stickstoff (N2) beginnt. Der Wasserstoff stammt aus Erdgas (CH4, auch als Methan bezeichnet), der Stickstoff aus der Luft. Das Produkt dieser Reaktion ist Ammoniak (NH3), das dann zu Ammoniumnitratdünger (NH4 NO3) oxidiert. Der verbleibende Kohlenstoffanteil (C) des Methangases oxidiert zu CO2. Düngemittelhersteller fangen dieses CO2 ein, reinigen es und verkaufen es an viele Industriezweige, einschließlich an Brauereien.
Laut der United Nations Food and Agriculture Organization hat die Weltlandwirtschaft einen riesigen Appetit auf Düngemittel. Sie benötigt etwa 200 Millionen Tonnen (MT) pro Jahr, wovon fast 120 Millionen MT Stickstoffdünger sind. Der Rest basiert auf Phosphor oder Kalium. Mit dem Anstieg der Weltbevölkerung und der damit verbundenen Düngemittel- und Nahrungsmittelproduktion sollte eigentlich ausreichend CO2 für Brauereien zur Verfügung stehen. Daher verlangt die plötzliche Verknappung dieses Gases eine ausführliche Erklärung.
Geografie der industriellen CO2-Produktion und -Nachfrage
Es ist von entscheidender Bedeutung, dass Erdgas als wichtigste Quelle für die CO2-Produktion weltweit sehr ungleich verteilt ist (Tabelle 1). Ebenso ungleich ist die Verteilung der Produktion von Stickstoffdünger (Tabelle 2) und von Bier (Tabelle 3). Dabei fällt auf, dass es nur geringe geografische Überschneidungen zwischen den für die CO2-Herstellung erforderlichen Materialien, den Düngemittel-Produktionsstandorten und der CO2-Nachfrage durch das Brauwesen gibt, was bedeutet, dass Erdgas oder CO2 über lange Strecken durch Pipelines oder in Containern auf dem See- und Landweg transportiert werden müssen. Daher hängt die reibungslose, weltweite Lieferung von CO2 an von einem funktionierenden globalen Logistik- und Handelssystem ab … eine Bedingung, die die jüngsten Ereignisse leider in Frage stellen!
Wie aus den drei Tabellen ersichtlich, ist Russland einer der Hauptproduzenten von Stickstoffdünger. Dieses Land besitzt fast ein Viertel der weltweiten Erdgasreserven, gefolgt von Iran und Katar, welche zusammen ebenfalls etwa ein Viertel besitzen. Die viert- bis zehntplatzierten Länder besitzen gemeinsam ein weiteres Viertel. Im Vergleich dazu sind die mit Abstand größten Produzenten von Stickstoffdünger (und damit auch von kommerziellem CO2) China, die USA, Indien und Russland, in dieser Reihenfolge. Die Tabellen zeigen auch, dass nur Russland, die Vereinigten Staaten, China und Saudi-Arabien (gelb markiert) zu den Top-10-Ländern gehören, die sowohl Erdgas besitzen als auch Stickstoffdünger produzieren; und von diesen gehören nur China, die USA und Russland zu den Top 10 Bierproduzenten der Welt (orange markiert).
Wie CO2 transportiert wird
Wenn eine Tonne CO2 im gasförmigen Zustand bei atmosphärischem Druck gespeichert wird, nimmt sie einen Raum von 556,2 m³ ein. Industrielle CO2-Mengen erfordern daher riesige Vorratsbehälter. Das ist der Grund, weshalb das Gas für den Transport in Metalltanks oder -zylindern komprimiert wird. Dadurch verringert sich das Volumen. Erhöht man den Druck bis zum sogenannten kritischen Punkt, welcher für CO2 bei 73,8 bar und einer Temperatur von 31,1 °C liegt, so wird das Gas sogar flüssig (analog z.B. zu LNG und LPG). Die Verflüssigung ist eine etablierte Methode zum Transport von Gasen in großem Maßstab. Schließlich geht CO2 bei −78,5 °C in einen festen Aggregatzustand über. Dann wird es als Trockeneis bezeichnet, das auch viele industrielle Anwendungen hat (siehe unten).
Konkurrenz um CO2
Brauereien sind nicht die einzigen Unternehmen, die auf CO2 setzen. Hier ist eine Auswahl der konkurrierenden Anwendungen:
- Feuerlöscher werden bei Raumtemperatur mit CO2 von etwa 55 bar Druck gefüllt.
- Aufblasbare Rettungsbote und Schwimmwesten werden ebenfalls oft mit CO2 gefüllt.
- Die Hersteller von Sprudelwasser und Erfrischungsgetränken benötigen das Gas.
- Pflanzen in Gewächshäusern werden mit CO2 berieselt, um deren Photosynthese und Wachstum zu beschleunigen.
- Schlachthöfe pumpen CO2 über Tiere vor dem Schlachten, um sie zu betäuben und zu immobilisieren.
- Hersteller von Fleisch, Aufschnitt, Backwaren und gefrorenen bzw. hochverarbeiteten Lebensmitteln verwenden CO2, um Luft aus Verpackungen zu entfernen. Dies verhindert oder verzögert das Wachstum von Bakterien und verlängert die Haltbarkeit der Produkte.
- Grüne Kaffeebohnen werden in komprimiertem CO2 getränkt, welches Koffein absorbiert und entfernt.
- Verflüssigtes CO2 wird durch Olivenpaste geleitet, was die Kaltextraktion von Olivenöl bewirkt.
- Trockeneis hält viele Lebensmittel beim Transport frisch.
- Bei einigen invasiven Operationen wird CO2 verwendet, um Körperhöhlen aufzublasen und zu stabilisieren, um den Zugang zu Organen zu erleichtern.
- Sogenannte CO2-Laser entfernen Warzen, Muttermale und Leberflecken.
- Viele Klimaanlagen/Wärmepumpen und Kühlschränke verwenden ein Kältemittel auf CO2-Basis.
Die COVID-Pandemie und die CO2-Nachfrage
Die COVID-19-Pandemie hat einen indirekten, jedoch erheblichen Einfluss auf die CO2-Nachfrage, da laut dem U.S. Center for Disease Control die zur Bekämpfung des Virus eingesetzten Impfstoffe bei einer extrem niedrigen Temperatur von -80 bis -60 °C transportiert werden müssen. Anschließend können sie bei 2 bis 8 °C bis zu 30 Tage gelagert werden. Trockeneisblöcke, also CO2 in festem Zustand (siehe oben), erweisen sich als das praktischste Kältemittel für Impfstofftransporte. Da die Pandemie die gesamte Weltbevölkerung von etwa 8 Milliarden Menschen betroffen hat, hatte die ungewöhnliche und plötzliche Nachfrage nach Trockeneis klare Auswirkungen auf den CO2-Markt und damit auf die für Brauereien und andere Nutzer verfügbaren Mengen von CO2.
Ausblick
Mehrere Faktoren haben sich in jüngster Zeit zu einem perfekten Sturm in der globalen CO2-Versorgung zusammengeballt. Besonders gravierend ist der russische Angriff auf die Ukraine und die darauffolgenden Waren- und Währungsembargos als Vergeltung gegen den Aggressor. Die Folgen waren natürlich erhebliche Unterbrechungen und Verschiebungen im weltweiten Erdgas, Düngemittel und CO2 -Handel. Zusätzlich reagierte die Welt auf Unruhen und politisches und militärisches Säbelrasseln in Ländern wie China und Iran, welche bedeutende Glieder in der CO2-Lieferkette sind. Parallel dazu führte die COVID-Pandemie zu einem unvorhergesehenen Anstieg in der Nachfrage nach Trockeneis. Zusammen schufen diese Entwicklungen einen Versorgungsengpass für Brauereien.
Glücklicherweise ist jedoch der Gärungsprozess eine riesige und weitgehend un- bzw. untergenutzte CO2-Quelle. Damit bietet sich für Brauereien die Chance, als Ausweg aus der Krise ihr eigenes CO2 einzufangen. Die nächsten zwei Artikel in dieser Serie werden untersuchen, wie die Technologie zum CO2-Einfangen in einer Brauerei funktioniert und wie jüngste Entwicklungen in der Miniaturisierung dieser Prozesstechnik die Verwendung von Brauerei-generiertem CO2 auch für kleinere Betriebe praktikabel und erschwinglich machen.
