CO2-Entnahme und -Speicherung

Landbasierte Methoden

CO₂-Entnahme

Abb. 1: Landbasierte CO₂-Entnahme aus der Atmosphäre und aus industriellen Rauchgasen, biologische und geologische Speicherung sowie industrielle Nutzung - gezeigt an ausgewählten Beispielen.

Durch Verbrennung fossiler Energien und Emissionen aus der Landwirtschaft werden gegenwärtig (2022) ca. 40 GtCO₂ in die Atmosphäre emittiert. Um die Ziele des Pariser Klimaabkommens einzuhalten, die globale Erwärmung noch in diesem Jahrhundert auf höchstens 2 °C über dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen, müssen diese Emissionen drastisch reduziert werden. Einige Emissionen aus der Landwirtschaft und aus der Industrie können aber nicht vollständig vermieden werden. Daher ist es unumgänglich, einen Teil des emittierten Kohlendioxids wieder aus der Atmosphäre zurückzuholen. Zu den dafür angewandten Verfahren zählen dabei nur die durch direkte menschliche Aktivitäten bewirkte Veränderungen, nicht die durch den Klimawandel verursachten Prozesse (z.B. durch Erhöhung der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre oder längere Wachstumszeiten).

Grundsätzlich gibt es drei Möglichkeiten, CO₂ aus der Atmosphäre zu entnehmen (Abb. 1):

1. Die Verstärkung der Photosynthese durch die Erweiterung oder Renaturierung natürlicher Ökosysteme, z.B. durch Aufforstung und Wiederaufforstung, den Anbau von Energiepflanzen oder die Renaturierung von Mooren.
2. Die direkte Entnahme von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft durch technische Anlagen, die auch als „künstliche Bäume“ bezeichnet werden (engl. Direct Air Capture, DAC).
3. Die technische Abscheidung von CO₂ aus Rauchgasen von industriellen Verbrennungsprozessen, z.B. bei Kraftwerken oder in der Stahl- und Zementindustrie. Dieses Verfahren wird häufig nicht als Entnahme-Technologie eingestuft (engl. Carbon Dioxid Removal, CDR), weil das abgeschiedene CO₂ nicht aus der Atmosphäre entnommen, sondern seine Emission beim oder kurz nach dem Verbrennungsprozess verhindert wird. Andererseits wird auf diese Weise durch technische CO₂-Entnahme (ähnlich wie bei 2.) verhindert, dass die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre weiter zunimmt.

CO₂-Speicherung und -Nutzung

Für die Speicherung des entnommenen Kohlendioxids gibt es ebenfalls drei Möglichkeiten (Abb. 1):

1. Die Speicherung in den Ökosystemen, die das CO₂ aus der Atmosphäre aufgenommen haben. Das größte Speichervolumen besitzen gegenwärtig aufgrund ihrer Flächenausdehnung und der großen Biomasse der Bäume neu entstehende Wälder. Pro Flächeneinheit speichern Moore und Mangroven allerdings deutlich mehr CO₂ als Wälder.
2. Die Speicherung in geologischen Schichten, vor allem in nicht mehr genutzten Gas- und Öllagerstätten unter der Landoberfläche oder unter dem Meeresboden. Die geologischen Speicher gelten als die sichersten und langfristigsten Speicher.
3. Die Speicherung in wertvollen Produkten. Die Speicherdauer ist hier je nach Produkt sehr unterschiedlich. Kohlendioxid, das in der Zement- und Betonherstellung genutzt wird, kann eine Speicherzeit von Hunderten bis Tausenden von Jahren besitzen. Auch in Holzprodukten bleibt das Kohlendioxid in der Regel lange bewahrt. Bei der Nutzung von Energiepflanzen zur Treibstoffgewinnung kann das CO₂ allerdings in Tagen bis Wochen wieder in die Atmosphäre emittiert werden.

Ozeanbasierte Methoden

Auf den Ozean bezogen lässt sich CO₂ aus der Atmosphäre über biologische, chemische und geologische Verfahren der Atmosphäre entnehmen. Dabei lassen sich biologische Verfahren sowohl auf die Küstenzone wie auf den offenen Ozean anwenden.

1. In Küstenfeuchtgebieten wie Mangroven, Salzmarschen, Seegraswiesen und Tangwäldern wird Kohlendioxid sehr effektiv aus der Luft durch Photosynthese gebunden und langfristig in Sedimentböden unter weitgehendem Luftabschluss gespeichert. Die Küstenökosysteme sind jedoch durch direkte menschliche Eingriffe bereits stark zerstört und beschädigt. Diesen Prozess aufzuhalten und rückgängig zu machen sowie neue Küstenökosysteme anzulegen kann die CO2-Entnahme aus der Atmosphäre wieder aktivieren und verstärken.
2. Der offene Ozean tauscht von Natur aus Kohlendioxid mit der Atmosphäre über die Luft-Wasser-Grenze aus. In Abhängigkeit von der Temperatur und anderen Faktoren ist CO2 im Wasser leicht löslich und besitzt im Gegensatz zur Atmosphäre eine hohe chemische Reaktivität und wird überwiegend in andere chemische Verbindungen umgewandelt. Ein Teil des gelösten Kohlendioxids wird in der lichtdurchfluteten oberen Deckschicht des Ozeans durch die Photosynthese des Phytoplanktons zu Biomasse. Ähnlich wie bei Pflanzen auf dem Land und in Küstenfeuchtgebieten gibt es auch für das Phytoplankton die Idee, die Photosynthese künstlich zu verstärken und dadurch der Atmosphäre mehr CO2 zu entziehen. Ein Ansatzpunkt ist der Nährstoffmangel in der oberen Wasserschicht in tropischen und subtropischen Ozeanregionen, die durch eine stabile Schichtung von den nährstoffreichen tieferen Bereichen des Ozeans weitgehend isoliert sind. Durch technische Eingriffe könnten Nährstoffe entweder direkt durch Eisendüngung der Algen oder indirekt durch das Heraufpumpen von nährstoffreichem Tiefenwasser der oberen Schicht zugeführt werden, wodurch das Wachstum des Phytoplanktons verstärkt würde. Das eine dieser biologischen Verfahren wird als Ozeandüngung das andere als künstlicher Auftrieb bezeichnet.
3. Eine andere Möglichkeit, die Aufnahme des Ozeans von CO₂ aus der Atmosphäre zu erhöhen, besteht in der Zufuhr von mehr Karbonat und damit einer Erhöhung der Alkalinität (pH-Wert über 7) des Wassers. Die Quelle der Karbonatzufuhr wird in einer beschleunigten Verwitterung durch mechanische Zerkleinerung von Kalkgestein gesehen, das dann dem Ozean zugeführt wird. Durch mehr Karbonat im Ozean reagiert mehr CO₂ mit Wasser und Karbonat zu Hydrogenkarbonat (CO₂ + CO₃^2- + H₂O = 2 HCO_3-) und ist damit dem Wasser entzogen. Als Folge kann die obere Wasserschicht mehr CO₂ aus der Atmosphäre aufnehmen. Auch durch die Reaktion von Silikatgestein wie Basalte und Olivin mit Kohlendioxid und Wasser wird Hydrogenkarbonat gebildet und damit die Alkalinität erhöht. Silikate lösen sich im Meerwasser durchgehend überall auf, weil das Wasser mit Silikaten untersättigt ist.
4. Die Öl- und Gasausbeutung aus den geologischen Gesteinsschichten unter dem Ozeanboden hat zu der heutigen hohen CO₂-Konzentration erheblich beigetragen. Dieser Prozess lässt sich bis zu einem gewissen Grad umkehren, indem CO₂ aus der Luft oder aus industriellen Abgasen in die ehemaligen Förderkavernen verpresst wird, was z.B. in Norwegen auch bereits geschieht. Kohlendioxid verhält sich in Gesteinsporen ähnlich wie Erdgas und verbleibt dort bei sorgfältiger Speicherung über sehr lange Zeiten.

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Kontakt: Dieter Kasang