Technische Kohlenstoffsenken

CCS ist die Abtrennung von CO_₂ an punktuellen Emissionsquellen (zum Beispiel an Industrieanlagen) und die anschließende langfristige Deponierung in unterirdischen geologischen Formationen. CO_₂ wird aus Emissionen industrieller Anlagen abgetrennt. Durch CCS können unvermeidbare Restemissionen in der Industrie reduziert werden. Dieser Prozess kann bestenfalls klimaneutral sein und erzeugt keine negativen Emissionen.  

Das Verfahren Carbon Capture (CC) ist bereits gut erforscht und im großtechnischen Maßstab etabliert. Allerdings wird dafür sehr viel Energie benötigt.

In Deutschland, westlich von Berlin, wurde der Pilotspeicher Ketzin zwischen 2008 und 2013 betrieben und dann planmäßig stillgelegt. In der Zeit wurden rund 67.000 Tonnen CO_₂ in einem salzhaltigem Grundwasserleiter in einer Tiefe von 630 bis 650 Metern gespeichert. Im Rahmen dieses Projekts konnte die Sicherheit und Verlässlichkeit der CO_₂-Speicherung nachgewiesen werden. Während der gesamten Betriebszeit des Speichers fand das Projekt lokale und regionale Akzeptanz. Momentan werden die wissenschaftlichen Erkenntnisse für die nationale und internationale Standardisierung solcher Anlage verwendet.

Im Europa existieren mehrere Pilotanlagen für CCS, etwa in Neccus in der schottischen Nordsee, Greensand vor der dänischen Küste und Porthos im Hafen von Rotterdam. In Norwegen wurden vor kurzem Pläne für eine der weltweit größten CCS-Anlagen genehmigt.

Die Debatte um CCS-Technologien brodelt seit 20 Jahren: Einige Wissenschaftler*innen sehen diese Technologien als wesentlichen Bestandteil einer Übergangsphase zu einer klimaneutralen Wirtschaft. Dazu zählen zum Beispiel die Autor*innen des IPCC-Berichts 2005. Andere sehen in den Technologien nur eine Ausrede für eine längere Nutzung fossiler Energieträger. Sie stellen auch infrage, ob erneuerbare Energien ausreichend zur Verfügung stehen, um Filter- und Speicheranlagen zu betreiben.

In Deutschland sind die bisher beschlossenen Instrumente zur Eindämmung der Klimakrise unzureichend, um bis 2045 klimaneutral zu werden. Das Umweltbundesamt legt zwar in einer Studie dar, dass es möglich ist, Klimaneutralität durch natürliche Senken wie Wälder zu erreichen, wenn drastische Maßnahmen zur Senkung der CO_₂-Emissionen ergriffen werden. Allerdings gehen die Autor*innen aktueller Szenario-Studien davon aus, dass diese Maßnahmen nicht in ausreichendem Maße umgesetzt werden – und somit auch Technologien für Negativemissionen notwendig sein werden.

Fest steht: Je später und je schwächer Maßnahmen im Energiesektor eingeführt werden, desto größer wird der Bedarf, negative Emissionen zu erzielen, um die Klimaziele zu erreichen. Damit die notwendigen Technologien in Zukunft verfügbar sein werden, muss heute in ihre Erforschung investiert werden.

Bei CCU wird das technisch abgeschiedene CO₂, entweder aus der Atmosphäre oder von Emissionen, in verschiedenen Produkten weiterverarbeitet. Es können Energieträger, Produkte der chemischen Industrie (Düngemittel, Kunststoffe) oder auch Baustoffe hergestellt werden.

Wesentlich für die Klimabilanz ist die Beständigkeit der Produkte. Kohlenstoff aus E-Fuels gelangen sofort wieder in die Atmosphäre. Baustoffe hingegen können langfristige Speicher darstellen.    

In der Kreislaufwirtschaft kann CCU in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. In emissionsreichen Industrien ist das Potenzial groß, CO_₂ direkt an der Quelle aufzufangen und in neue Wertschöpfungsketten zu geben. An konkreten Produkten wird intensiv geforscht.

CCU-Techniken befinden sich in vielen Fällen auf dem Niveau von Demonstrationsanlagen und werden auf einen industriellen Einsatz hochskaliert: Die breiteste Nutzung ist im Bereich der Power-to-X-Anwendungen vorgesehen.

In der Industrie ist Kohlenstoff die Grundlage vieler industrieller und chemischer Prozesse. Zum Beispiel die Zementherstellung lässt sich laut aktuellem Stand der Forschung nicht vollständig dekarbonisieren. Debattiert wird, in welchen Industriebranchen die Weiterentwicklung und Nutzung von CCU-Technologien am sinnvollsten ist.

Darüber hinaus ist aktuell noch unklar, wie man ein effizientes System zur Anwendung dieser Technologie schafft. In vielen Fällen wäre eine Anwendung von CCU in Verbindung mit CCS sinnvoll. Allerdings liegen geeignete CCU-Standorte und günstige Lagerstätten für CCS oft weit auseinander.

Auch wenn CCU-Technologien einen Beitrag zur Erreichung der Klimaziele bis 2045 leisten können, wenn der dazu benötigten Strom aus erneuerbaren Energien stammt, bleibt zu Bedenken: Das in neuen Produkten gebundene CO₂ wird immer am Ende der Nutzungskette in die Atmosphäre gelangt.

Power-to-X-Technologien ermöglichen die Herstellung synthetischer Brenn-, Kraft- und Grundstoffe aus elektrischer Energie. Sie spielen zum Beispiel eine wichtige Rolle für Luftverkehr und Schifffahrt. Wasserstoff und CO_₂ bilden die Grundlage dieser synthetischen Brenn-, Kraft- und Grundstoffe.

Eine gute Erklärung der Technologie bietet das Bundesumweltministerium.

DACCS ist die Abtrennung von CO_₂ aus der Atmosphäre und anschließende langfristige Speicherung in unterirdischen geologischen Formationen.  Anders als bei CCS wird das CO_₂ direkt aus der Atmosphäre entnommen. Allerdings ist der Prozess noch sehr teuer und nicht für große Mengen verfügbar.

Für Anlagen zur Filterung von CO_₂ direkt aus der Luft gibt es heutzutage verschiedene Grundkonstruktionen. Eine davon umfasst mehrere Ventilatoren, die innerhalb eines bestimmten Zeitraums große Luftmengen zwischen Filterstoffen, sogenannten Sorptionsmitteln, umwälzen können.

Eine andere Konstruktionsart sieht die Erstellung künstlicher Bäume vor, bei denen große Flächen von Sorptionsmitteln mit der Atmosphäre in Kontakt kommen. So wird der Prozess der Photosynthese nachgeahmt, bei dem die Blätter natürlicher Bäume CO_₂ aufnehmen. Hierfür gibt es eine Pilotanlage der Arizona State University.

Bei beiden Konzepten können die Sorptionsmittel nach der Entfernung des CO_₂ wiederverwendet werden. Hilfreiche Übersichtsseiten zu weltweiten Projekten gibt es hier und hier.

DACCS-Verfahren sind technisch aufwändig, da die normale Umgebungsluft nur in sehr geringen Maße CO_₂ enthält, nämlich 0,04 Prozent. Entsprechend viel Luft muss gefiltert werden, um eine große Menge an CO_₂ einzufangen. DACCS-Anlagen sind somit weniger effizient als Anlagen, die direkt die Emissionen fossiler Kraftwerke mit einer höheren CO_₂-Konzentration filtern.

Beide Air-Capture-Verfahren benötigen viel Energie für die Extraktion von CO_₂. Deshalb ist für eine Abschätzung der Umweltauswirkungen dieser Verfahren die Art der Stromversorgung ausschlaggebend.

Die Auswirkungen von DACS-Anlagen auf Wasservorkommen sind ambivalent zu betrachten: Einerseits verbrauchen die Anlagen selbst kein Wasser. Andererseits kann der Wasserverbrauch bei der Herstellung von chemischen Mitteln für die Filteranlagen erheblich sein. Und nicht zuletzt sollte die Entsorgung der Filtermittel nach Nutzungsende bedacht werden: Das in einigen DACCS-Anlagen verwendete Natriumhydroxid ist hochgradig korrosiv, und das verwendete Chlorgas ist hochgiftig.

Insgesamt zeigt das DACCS-Verfahren Vorteile gegenüber konventionellen CCS-Verfahren:

• DACCS-Anlagen können überall aufgestellt werden, sofern kohlenstoffarme Energieträger und geeignete CO_₂-Speicher oder Transportmöglichkeiten zu geeigneten Speicherstätten verfügbar sind.
• Sie müssen nicht, wie bei der konventionellen CCS-Technologie, zusammen mit fossilen Kraftwerken oder industriellen Produktionsanlagen errichtet werden, sie könnten sogar auf hoher See stehen.
• Das bedeutet, dass DACCS im Prinzip die CO_₂-Emissionen aus stark verteilten Quellen wie Verkehr, Gebäuden und der Landnutzung in der Forst- und Landwirtschaft auffangen könnte.
• Um Negativemissionen zu erreichen, muss die bei dieser Anwendung verwendete Energie klimaneutral erzeugt werden.

Darüber hinaus zeigt DACCS-Verfahren Vorteile gegenüber BECCS:

• DACCS hat einen viel geringeren Fußabdruck hinsichtlich der Wasser- und Flächennutzung.
• Somit bietet es Vorteile für den Biodiversitätsschutz und die Gewährleistung der Ernährungssicherheit.

BECCS ist die Abtrennung von CO_₂ an punktuellen Emissionsquellen, die durch Bioenergie verursacht werden. Zunächst entziehen Pflanzen der Atmosphäre CO_₂ und speichern den Kohlenstoff in ihrer Biomasse.

Wird Biomasse anschließend zur Energiegewinnung eingesetzt und verbrannt, wird der Kohlenstoff in Form von CO_₂ wieder freigesetzt. An der Emissionsquelle kann das CO_₂ dann abgetrennt und langfristig in geologischen Formationen deponiert werden. Allerdings ist nachhaltig errzeugte Biomasse ein knappes Gut, das zu wertvoll zum Verbrennen ist. Eine Intensivierung des Biomasseanbaus in Intensivlandwirtschaft für BECCS lehnen wir ab.

BECCS befindet sich noch auf dem Level von Demonstrationsanlagen. Deswegen ist eine Berechnung des genauen Einsparpotentials und der Kosten nur unter Vorbehalt möglich. Verschiedene Institutionen kommen zu unterschiedlichen Einschätzungen: Während Forscher der Agora Energiewende das Potenzial hoch einschätzen, sieht die Deutsche Energie-Agentur Dena ein mittleres Potenzial, während Experten des BDI es für sehr gering halten. Zu Bedenken bleibt auch die begrenzte Verfügbarkeit nachhaltiger Biomasse.

Der Einsatz von Kohlenstoffabscheidungs- und Speicherungstechnologien an Biomasseanlagen ist hochproblematisch, da die Produktion von Biomasse für die Energiegewinnung in Konkurrenz mit dem Erhalt der Biodiversität und der Verwendung der begrenzten Flächen für die Landwirtschaft steht.

Bei der Förderung von BECCS wird davon ausgegangen, dass Bioenergie emissionsfrei sei, da Pflanzen beim Wachsen CO_₂ aufnehmen. Nur unter dieser Annahme der CO_₂-Neutralität der Biomasse kann BECCS zu einer relevanten CO_₂-Reduktion beitragen.

Allerdings ist diese vermeintliche Neutralität nicht haltbar, sie entspricht nicht der wissenschaftlichen Datenlage. Biomasse, insbesondere Wälder, brauchen bis zu 80 Jahren, um wieder nachzuwachsen. Wenn sie gefällt sind, fehlen die Speicherfunktionen dieser Bäume im Wald, was zusätzlich zu einer Belastung der Kohlendioxidbilanz beiträgt.

Bei der beschleunigten Verwitterung werden Mineralien zerkleinert und im Boden oder in Ozeanen ausgebracht. Im Boden binden sie CO_₂ chemisch. Im Ozean führt die beschleunigte Verwitterung zu einer Alkalisierung des Meerwassers, welches dann wieder mehr CO₂ aufnehmen kann. Die Ozean-Alkalisierung gehört zum Geoenineering.   

Ozean-Düngung ist ein bislang rein experimenteller Ansatz des Geoengineering, bei welchem dem Meer beispielsweise große Mengen Eisen-Phosphat zugesetzt werden sollen. So soll die CO_₂ -Aufnahme durch Algenwachstum erhöht werden. Weitere Ansätze wie künstlicher Auftrieb werden diskutiert.

Durch sauerstoffarme Verbrennung wird Pflanzenkohle aus Biomasse hergestellt. Die Pflanzenkohle wird in der Landwirtschaft genutzt, in den Boden eingebracht und absorbiert hier CO_₂.