Technische Kohlenstoffsenken

Auf welchem Entwicklungsstand befinden sich CCU-Technologien?

In der Kreislaufwirtschaft kann CCU in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. In emissionsreichen Industrien ist das Potenzial groß, CO₂ 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.

Warum sind CCU-Technologien kontrovers?

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.

Die Einschätzung des NABU zum Einsatz von CCS und CCU finden sich hier.

Was sind Power-to-X Technologien?

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 CO₂ bilden die Grundlage dieser synthetischen Brenn-, Kraft- und Grundstoffe.

Eine gute Erklärung der Technologie bietet das Bundesumweltministerium.

Wozu dienen CCS, BECCS und DACCS?

CCS-, BECCS- und DACCS-Technologien wurden in erster Linie entwickelt, um einen schrittweisen Ausstieg aus der Nutzung fossiler Brennstoffe zu ermöglichen. Durch die Abscheidung, den Transport und die geologische Speicherung von CO₂ aus der Industrie können zwischen 65 Prozent und 80 Prozent CO₂-Emissionen eingespart werden. Demgegenüber steht allerdings ein erhöhter Energieverbrauch der gesamten Prozesskette um etwa 40 Prozent. Fest steht: Nur wenn das eingelagerte CO₂ dauerhaft und vollständig in den Speichern verbleibt, können diese Technologien einen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Eine Speicherung ist in ausgeförderten Kohlenwasserstofflagerstätten, in salzhaltigen Grundwasserleitern, in Kohleflözen oder im Meeresuntergrund möglich.

Inwieweit wird CCS bereits heute eingesetzt?

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 CO₂ in einem salzhaltigem Grundwasserleiter in einer Tiefe von 630 bis 650 Metern gespeichert. Im Rahmen dieses Projekts konnte die Sicherheit und Verlässlichkeit der CO₂-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.

Inwieweit wird BECCS bereits eingesetzt?

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.

Wie ist der Stand der Forschung bei DACCS?

Für Anlagen zur Filterung von CO₂ direkt aus der Luft gibt es heutzutage verschiedene Grundkonstruktionen. Eine der Konstruktionsarten 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 CO₂ aufnehmen. Hierfür gibt es eine Pilotanlage der Arizona State University. Bei beiden Konzepten können die Sorptionsmittel nach der Entfernung des CO₂ wiederverwendet werden. Hilfreiche Übersichtsseiten zu den Projekten weltweit gibt es hier und hier.

Wie nachhaltig sind CCUS-Technologien?

Mit der Abscheidung, dem Transport und der Lagerung von Kohlenstoff geht ein hoher Energie- und Flächenverbrauch einher. Daher beeinträchtigen alle Formen der Kohlenstoffspeicherung die Umwelt – egal ob CCS, BECSS oder DACCS.

In Europa existiert derzeit kein ausgereiftes Pipeline-Netz für den Transport des Kohlenstoffs von der Abscheidungsanlage zum finalen Lagerort. Der Bau neuer Pipelines erfordert wiederum neuen Flächenverbrauch sowie Lärmbelastung in der Nordsee, wenn die Speicherung Offshore erfolgt. Wenn alternativ der Transport von CO₂ auf einem Schiff erfolgt, werden Treibhausgase emittiert. Auch für die Lagerung wird Energie benötigt: etwa für die Trocknung und anschließende Pressung von CO₂ in Porenspeicher oder für die Lösung von CO₂ in Wasser mittels Pumpen.

Wie nachhaltig ist BECCS?

Der Einsatz von Kohlenstoffabscheidungs- und Speicherungstechnologien an Biogasanlagen (BECCS) 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 CO₂ aufnehmen. Nur unter dieser Annahme der CO₂-Neutralität der Biomasse kann BECCS zu einer relevanten CO₂-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.

Wie nachhaltig ist DACCS?

Verfahren zur Filterung von CO₂ aus der Luft (DACCS) sind technisch aufwändig, da die normale Umgebungsluft nur in sehr geringen Maße CO₂ enthält, nämlich 0,04 Prozent. Entsprechend viel Luft muss gefiltert werden, um eine große Menge an CO₂ einzufangen. DACCS-Anlagen sind somit weniger effizient als Anlagen, die direkt die Emissionen fossiler Kraftwerke mit einer höheren CO₂-Konzentration filtern.

Beide Air-Capture-Verfahren benötigen viel Energie für die Extraktion von CO₂. 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 CO₂-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 CO₂-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.

Wie riskant sind die CCS-, BECCS- und DACCS-Technologien?

Bei all diesen Technologien bestehen Risiken beim Transport des CO₂ durch Pipelines, per Schiff, Schiene oder Straße zum Speicherort: Die Befürworter*innen dieser Technologien halten diese Risiken durch eine angemessene Wartung der Anlagen für bewältigbar.

Viele Wissenschaftler*innen halten die Speicherung von CO₂ in Kohlenwasserstofflagerstätten für wenig problematisch, da sich im Laufe der Erdgeschichte auf natürlichem Wege Öl oder Gas in Kohlenwasserstoff-Speichergesteinen gesammelt haben und dort verblieben sind. Um die dauerhafte Speicherung sicherzustellen, kann die Dichtigkeit der Bohrlöcher durch Druckmessungen, Gassensoren und Temperaturmessungen kontrolliert werden. Ähnliches würde für die Speicherung in salzhaltigen Grundwasserleitern gelten. Das Umweltbundesamt plädiert für die Gewährleistung einer maximalen jährlichen Leckagerate von 0,01 Prozent.

Ist CO₂ ein „Gefahrenstoff“?

Nach offizieller Definition – ja! So wie auch Sauerstoff, dennoch atmen wir beides täglich ein und aus. Wichtig ist hier die Konzentration, beides kann in hoher Konzentration gefährlich sein.

Kohlenstoffdioxid ist ein geruch- und farbloses Gas, das aus der Verbindung der Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff besteht. Das Gas ist einer der Bestandteile unserer Luft mit einem Anteil von ca. 0,03 Prozent. Atmen wir aus, ist in unserer Atemluft die Konzentration höher, und löst man es in Wasser, entsteht Kohlensäure wie in z.B. Sprudelwasser, Trockeneis und Dünger.

Ist CO₂ also giftig? Ja und nein, denn es gilt: nur in zu hoher Konzentration. Ist die Konzentration von CO₂ in der Luft zu hoch verdrängt es den für uns lebensnotwendigen Sauerstoff und in zu hoher Konzentration in unserem Blut vermindert es den Atemanreiz. Ab 8 Prozent können Ohnmachtssymptome auftreten.  Da CO₂ in Gärungsprozessen entsteht und in der Industrie in vielen Sektoren verwendet wird kommen Unfälle vor, zum Beispiel in Weinkellern und Futtersilos.