CO2-Quellen

Quellen für die Nutzung von CO₂

Abscheidungsanlage für atmosphärisches CO₂ direkt aus der Umgebungsluft auf Island

Hier werden CO₂-Quellen behandelt, die der direkten und indirekten Nutzung von Kohlendioxid dienen.

Kohlendioxid ist nicht nur ein Treibhausgas und ein natürlicher Baustein des Lebens. Es wird auch vielfach als Grundstoff in der chemischen Industrie verwendet und nach Umwandlung für zahlreiche Produkte weiter genutzt. Durch eine solche Nutzung könnte das Treibhausgas CO₂, das gegenwärtig den Klimawandel antreibt, in nützliche Produkte eingebaut und der Atmosphäre entzogen werden.

Natürliche Quellen

Grundsätzlich kann genutztes CO₂ für verschiedene Anwendungen aus natürlichen Quellen, der Umgebungsluft, aus Biomasse oder aus Industrieanlagen stammen. Bei der Extraktion aus natürlichen Quellen wird Kohlendioxid aus Reservoiren im Gestein wie kohlesäurehaltigen Wasserquellen sowie Öl- und Gaslagerstätten gewonnen. Das so gewonnene CO₂ ist hoch konzentriert und daher ökonomisch vergleichsweise günstig zu gewinnen, weshalb diese Methode auch seit Jahrzehnten schon genutzt wird, vor allem für die intensivierte Öl- und Gasförderung. Kohlendioxid zu nutzen, das von Natur aus in Gestein eingeschlossen ist, steht jedoch im Widerspruch zu den klimabestimmten Zielen, seine Emissionen zu reduzieren.

CO₂ aus der Umgebungsluft

Darstellung der zwei Phasen des Direct Air Capture (DAC)

Technisch aufwendiger und teurer, aber klimatisch sinnvoller sind Verfahren, die das CO₂ direkt aus der Umgebungsluft abscheiden (Direct Air Capture, DAC). Dabei werden Ventilatoren, die die Luft ansaugen, sowie flüssige Absorber und feste Adsorber eingesetzt, die das CO₂ in einer Flüssigkeit lösen bzw. an einem Feststoff fixieren. Anschließend wird das Kohlendioxid bei hohen Temperaturen freigesetzt (Abb. 1). Vor allem die CO₂-Abscheidung über ein flüssiges Filtermedium ist durch einen Temperaturbedarf von bis zu 900 °C bei der Regeneration des Lösungsmittels für die Wiederverwendung mit einem hohen Energieaufwand verbunden. Feste Adsorber kommen dagegen mit 80-100 °C aus und brauchen weniger Energie. Neben den genannten Möglichkeiten werden auch Membrane genutzt, die durch selektive Durchlässigkeit das CO₂ aus der Luft filtern. Das Produkt ist in allen Fällen hochreines Kohlendioxid mit einer Konzentration von über 99%. Betrieben werden können DAC-Anlagen im Prinzip fast überall auf der Erde, weil CO₂ gleichmäßig in der Atmosphäre verteilt ist. Einschränkungen ergeben sich jedoch durch den hohen Energiebedarf, der aus Klimaschutzgründen nicht aus fossilen Energieträgern, die wieder neue CO₂-Emissionen verursachen, abgedeckt werden sollte. Daher bieten sich nur solche Standorte an, an denen genügend regenerative Energie zur Verfügung steht, z.B. als Wind- oder Solarstrom. Diskutiert oder als Pilotanlagen bereits realisiert werden etwa Standorte auf Island und in Marokko. Unter günstigen Umständen können DAC-Anlagen zu einer zentralen Technologie einer ehrgeizigen Klimaschutzpolitik werden.

2021 gab es weltweit mehr als 10 DAC-Anlagen mit einer Kapazität von knapp 1000 t CO₂ pro Jahr. Wegen der geringen CO₂-Konzentration in der Atmosphäre von 0.04% (gegenüber etwa 10% in den Rauchgasen von Kraftwerken und Industrieanlagen) ist die direkte Abscheidung von CO₂ aus der Luft sehr teuer. Die Kostenabschätzungen liegen mit 60-1000 US$ pro t CO₂ sehr weit auseinander und werden auch 2050 möglicherweise noch bei ca. 250 US$ liegen. Auch das Potential des Verfahrens wird mit 0,5-5 Gt CO₂ pro Jahr um 2050 sehr unterschiedlich eingeschätzt.

CO₂ aus Biomasse

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, CO₂ aus Biomasse zu gewinnen. Wenn dafür ein gesonderter Anbau betrieben wird, steht dieser Weg in Flächenkonkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion und gilt als nicht akzeptabel (IPCC AR6, WGIII, 11.3.6, 2022). Eine vertretbare Methode wird allerdings in der CO₂-Abscheidung von Mikroalgen gesehen. So beurteilen GHIAT & AL-ANSARI (2021) die Kultivierung von Mikroalgen als einen vielversprechenden Ansatz einer weiteren Variante von CO₂-Abscheidung aus der Luft. Die CO₂-Fixierung durch Mikroalgen ist danach bei hoher CO₂-Konzentration 50mal höher als bei terrestrisch angebauten Pflanzen. Mikroalgen können im Offshore-Bereich kultiviert werden und verbrauchen keine terrestrischen Kulturflächen. Sie gedeihen außerdem auch im Abwasser und weisen ein schnelles Wachstum auf.

CO₂ aus industriellen Punktquellen

Industrielle Rauchgase als Quellen für CO₂-Abscheidung

Gegenwärtig stammt das direkt genutzte Kohlendioxid zumeist aus natürlichen Quellen oder aus der Verbrennung fossiler Energierohstoffe vor Ort, wie z.B. in Gasöfen in Gewächshäusern. Das CO₂ wird dabei zumeist nach relativ kurzer Dauer neu in den klimarelevanten Kohlenstoffkreislauf emittiert. Sinnvoller ist es, das CO₂ aus Rauchgasen bei industriellen Verbrennungsprozessen, wo es bei der gegenwärtigen fossilen Produktion ohnehin anfällt, abzuscheiden und die Emission zumindest vorübergehend zu unterbinden. So kann Kohlendioxid aus den Abgasen von Kohle- oder Gaskraftwerken, Stahlwerken, Müllverbrennungsanlagen, Biogasanlagen oder Hochöfen gewonnen werden. Dabei gibt es drei Hauptverfahren. Am Beispiel von Kraftwerken sind das

1. das Abscheiden nach dem eigentlichen Verbrennungsprozess der fossilen Rohstoffe (Post-Combustion),
2. das Abscheiden vor diesem Verbrennungsprozess (Pre-Combustion) und
3. die CO₂-Abscheidung bei einer starken Sauerstoffanreicherung für den Verbrennungsprozess (Oxyfuel).

Am verbreitetsten ist das Post-Combustion-Verfahren. Das Oxyfuel-Verfahren führt zwar zu deutlich höheren CO₂-Konzentrationen im Rauchgas, bedarf aber auch deutlich höherer Temperaturen, was wiederum einen stärkeren Energieeinsatz nach sich zieht. Der Nachteil beim Pre-Combustion-Verfahren liegt darin, dass damit CO₂ aus prozessbedingten Emissionen, wie sie z.B. in der Zement- und Stahlindustrie anfallen, nicht abgetrennt werden kann.

Um den Aufwand bei der Abscheidung gering zu halten, sollte die Konzentration von Kohlendioxid im Rauchgas möglichst hoch sein. Für manche Anwendungen wie z.B. in Gewächshäusern muss es außerdem noch zusätzlich von Schadstoffen gereinigt werden. Die Konzentration von CO₂ in industriellen Rauchgasen liegt z.B. bei Kohlenkraftwerken bei 12-14%, bei Gaskraftwerken bei 3-4%, was wesentlich höher als bei dem DAC-Verfahren ist. Mit dem abgeschiedenen Kohlendioxid kann grundsätzlich auf zweierlei Art verfahren werden: Es kann erstens durch Carbon Capture and Storage (CCS) dauerhaft gespeichert werden (Kap. 2.2.1) und es kann zweitens durch Carbon Capture and Utilization (CCU) einer neuen Nutzung zugeführt werden.

Abscheidung, Transport, Nutzung und Speicherung von CO₂

Transport

Bei allen CO₂-Quellen spielt ein weiterer Faktor eine Rolle: Das gewonnene Kohlendioxid muss an den Ort seiner Nutzung gelangen. Von geologischen Quellen wird etwa in den USA CO₂ per Pipeline zu den Ölfeldern transportiert. Bau und Betrieb einer Pipeline-Infrastruktur sind wiederum energieaufwändig. CO₂ aus der Luft kann praktisch überall gewonnen werden, z.B. auf dem Gelände von Gewächshäusern oder an Chemiestandorten, so dass der Transportaufwand sehr gering ausfallen kann. Wenn jedoch erneuerbare Energien für die CO₂-Abscheidung in ferneren Regionen genutzt werden wie Sonnen- und Windenergie oder Geothermie in Marokko oder auf Island, muss das abgeschiedene CO₂ möglicherweise per Schiff nach Europa und dann weiter auf dem Landweg transportiert werden. Dagegen haben industrielle Punktquellen oft den Vorteil, dass sie in industriellen Ballungsräumen in der Nähe von Chemie- oder Zementfabriken liegen und die Wege kurz sind, wie das etwa im Raum Rotterdam-Antwerpen der Fall ist, wo es zusätzlich auch noch Gewächshäuser als CO₂-Abnehmer gibt. Für den Transport muss das Kohlendioxid zumeist aufbereitet werden. So darf das CO₂-reiche Gasgemisch nur einen sehr geringen Wassergehalt besitzen, um beim Pipeline-Transport Korrosionen zu vermeiden, und es muss bei allen Transportmitteln in einen flüssigen Zustand herabgekühlt werden.

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Kontakt: Dieter Kasang