Direkte CO2-Nutzung

Abscheidungsanlage für atmosphärisches CO₂ direkt aus der Umgebungsluft auf Island

Die Pariser Klimaziele und die Notwendigkeit von negativen Emissionen

Im Pariser Abkommen von 2015 zur Vermeidung eines gefährlichen Klimawandels durch den Menschen wurde beschlossen, die globale Erwärmung bis zum Ende des 21. Jahrhunderts deutlich unter 2 °C und möglichst sogar auf 1,5 °C über dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Um die Klimaziele von Paris zu erreichen, ist eine deutliche Reduzierung der anthropogenen Treibhausgasemissionen, vor allem der Emissionen von Kohlendioxid, unabdingbar. Ohne eine Intensivierung der bisherigen Klimapolitik würde die globale Mitteltemperatur eine Erwärmung von 3,2 °C zur Folge haben. Das verbleibende Kohlenstoff-Budget zur Erreichung des 1,5-Grad-Ziels mit einer 67%igen Wahrscheinlichkeit beträgt nur etwa 120 Gt C und zur Erreichung des 2-Grad-Ziels 350 Gt C. Bei den jetzigen Emissionen von rund 11 Gt C pro Jahr wäre es in 11 bzw. 32 Jahren aufgebraucht. Das bedeutet, dass die Menschheit bei Beibehaltung der gegenwärtigen Kohlenstoffemissionen zu Beginn der 2030er Jahre bzw. im Falle einer 2-Grad-Erwärmung Mitte der 2050er Jahre kein weiteres Kohlendioxid mehr in die Atmosphäre freisetzen dürfte. Nahezu alle Modellrechnungen zeigen daher, dass die Pariser Klimaziele nur durch eine Reduktion der CO2-Emissionen nicht mehr erreichbar sein werden.

Auch wenn um die Mitte des Jahrhunderts Treibhausgas-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Energieträger durch erneuerbare Energien gänzlich ersetzt sein sollten, so verbleiben doch schwer zu vermeidende Restemissionen: 1. von Nicht-CO₂-Gasen wie Methan und Distickstoffoxid aus der Landwirtschaft und 2. von CO₂, das bei industriellen Prozessen wie der Zement-, Kalk- und Glasherstellung anfällt. Diese Emissionen, aber auch die in 30 Jahren wahrscheinlich immer noch bestehenden energiebedingten CO₂-Emissionen, lassen sich bei einem Festhalten an den Pariser Klimazielen nach heutigem Kenntnisstand kaum anders ausgleichen als durch Verfahren, die CO₂ aus der Atmosphäre oder aus industriellen Prozessen entnehmen und möglichst langfristig entziehen. So urteilt eine Studie der Wissenschaftsplattform Klimaschutz: „Fortschreitende Verzögerungen stringenterer Klimaschutzmaßnahmen und ein ambitionierteres Klimaziel machen es aber mittlerweile unmöglich, ohne CO₂-Entnahmen auszukommen.“ Derartige Verfahren werden als negative Emissionen oder auch CO₂-Entnahme (Carbon Dioxid Removal, CDR) bezeichnet.

Kohlenstoffnutzung und andere CDR-Verfahren

Mit dem entnommenen Kohlendioxid kann grundsätzlich auf zweierlei Art verfahren werden: Es kann erstens durch das Verfahren des Carbon Capture and Storage (CCS) dauerhaft gespeichert werden und es kann zweitens durch Carbon Capture and Utilization (CCU) einer neuen Nutzung zugeführt werden. In beiden Fällen wird das Kohlendioxid zunächst entweder aus technischen Anlagen gewonnen, die CO₂ emittieren, wie Kraftwerken, Biogas-, Müllverbrennungs- und anderen Industrieanlagen, oder es stammt direkt aus der Umgebungsluft. In dem ersten Fall wird verhindert, dass CO₂ direkt in die Atmosphäre gelangt, in dem anderen Fall wird die bestehende CO₂-Konzentration der Atmosphäre verringert.

Während CCS-Methoden darauf angelegt sind, das abgeschiedene CO₂ möglichst dauerhaft zu speichern, wie z.B. in ehemaligen Öl- und Gaslagerstätten, ist das Ziel der Kohlenstoffnutzung, CO₂ so weiter zu verwenden, dass daraus ein wirtschaftlicher Nutzen entsteht. Kohlendioxid wird schon heute in der chemischen Industrie als Rohstoff oder Lösungsmittel, in der Nahrungsmittelindustrie als Kühlmittel, in der Landwirtschaft zur Anregung des Pflanzenwachstums und vielen anderen Sektoren und Nutzungsformen angewendet. Die verschiedenen Nutzungsformen speichern das Kohlendioxid jedoch unterschiedlich lange. So ist z.B. CO₂ als Beimischung von Brennstoffen nur Wochen bis Monate der Atmosphäre entzogen, sorgt aber dafür, dass nicht neue fossile Rohstoffe verwendet werden, die zusätzliche Emissionen zur Folge haben. Die Verweildauer in Betonbaustoffen kann dagegen 1000 Jahre und mehr betragen und ist darin mit CCS vergleichbar. Hinzu kommt, dass CO₂ nur in wenigen und von der Kapazität her begrenzten Fällen direkt genutzt werden kann. In den meisten Fällen muss es chemisch umgewandelt werden, was oft mit einem hohen Energie- und technischen Aufwand verbunden ist, u.a. weil CO₂ ein sehr reaktionsträges und stabiles Molekül ist.

CO₂-Quellen und -Abscheidetechnologien

Natürliche Quellen

Grundsätzlich kann genutztes CO₂ für verschiedene Anwendungen aus natürlichen Quellen, der Umgebungsluft, aus Biomasse und 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 CO2₂ 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.

Darstellung der zwei Phasen des Direct Air Capture (DAC)

CO₂ aus der Umgebungsluft

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

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 Post-Combustion-Verfahren liegt darin, dass damit CO₂ aus prozessbedingten Emissionen (z.B. bei der Zementherstellung) 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. (MARKEWITZ 2017). 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.

Kohlenstoffnutzung und Kohlenstoffspeicherung

Während CCS-Methoden darauf angelegt sind, das abgeschiedene CO₂ möglichst dauerhaft zu speichern, wie z.B. in ehemaligen Öl- und Gaslagerstätten, ist das Ziel der Kohlenstoffnutzung, CO₂ so weiter zu verwenden, dass daraus ein wirtschaftlicher Nutzen entsteht. Kohlendioxid wird schon heute in der chemischen Industrie als Rohstoff oder Lösungsmittel, in der Nahrungsmittelindustrie als Kühlmittel, in der Landwirtschaft zur Anregung des Pflanzenwachstums und vielen anderen Sektoren und Nutzungsformen angewendet. Schon seit langem wird CO₂ direkt genutzt. In den meisten Fällen muss es jedoch chemisch umgewandelt werden, was oft mit einem hohen Energie- und technischen Aufwand verbunden ist, u.a. weil CO₂ ein sehr reaktionsträges und stabiles Molekül ist. Die verschiedenen Nutzungsformen speichern das Kohlendioxid unterschiedlich lange. So ist z.B. CO₂ als Beimischung von Brennstoffen nur Wochen bis Monate der Atmosphäre entzogen, sorgt aber durch Substitution dafür, dass nicht neue fossile Rohstoffe verwendet werden, die zusätzliche Emissionen zur Folge hätten. Die Verweildauer in Betonbaustoffen kann dagegen Jahrhunderte betragen und ist darin mit CCS-Methoden vergleichbar.

Direkte Nutzung von CO₂

Die bestehende und etablierte Nutzung von CO₂ bezieht sich vor allem auf die direkte Nutzung wie z.B. in Gewächshäusern, in der Nahrungsmittel- und Getränkeproduktion, zur Kühlung und Reinigung, für Feuerlöscher und eine intensivierte Öl- (Enhanced Oil Recovery, EOR) und Gasförderung (Enhanced Gas Recovery, EGR). Auch wenn der Markt dafür wächst, ist ein größerer Bedarf nicht zu erwarten. Eine Ausnahme ist die verstärkte Ölförderung mit CO₂. Die Anwendung von CO₂ zur Produktion von Harnstoff als Düngemittel wird nur von manchen Autoren zur direkten Kohlenstoff-Nutzung gezählt, von den meisten anderen dagegen nicht, da die eigentliche Nutzung als Stickstoffdünger erst nach einer chemischen Reaktion von CO₂ mit Ammoniak (NH₃) erfolgt.

Gewächshäuser

Die wahrscheinlich älteste Nutzung von reinem Kohlendioxid besteht in der Stimulierung des Pflanzenwachstums in Treibhäusern. Durch Gewächshäuser wird der Anbau von Gemüse und Obst intensiviert, die Wachstumszeit verlängert und die Anbaufrüchte in Klimazonen zur Reife gebracht, in denen sie von Natur aus nicht gedeihen. Angesichts des weltweit starken Bevölkerungswachstums wird in Treibhauskulturen eine Möglichkeit gesehen, dem aktuellen und zukünftigen Mangel an Nahrungsmitteln wirksam entgegenzutreten. In jüngster Zeit wird der intensive Anbau in traditionellen Treibhäusern durch den zunehmend expandierenden urbanen Gartenanbau erweitert, der oft ebenfalls als Treibhausanbau praktiziert wird. Durch die CO₂-Anreicherung in Treibhäusern zur Steigerung der Pflanzenproduktion kann nicht nur das Nahrungsmittelangebot erhöht, sondern zugleich ein Beitrag zur Bekämpfung des Klimawandels geleistet werden. BAO et al. (2018) sehen bei Anwendung eines optimalen CO₂-Anreicherungssystems die Möglichkeit, um die Jahrhundertmitte sowohl 9 Mrd. Menschen zu ernähren als auch 500 Mio. t CO₂ jährlich aus der Luft abzuscheiden.

Da Pflanzen durch Photosynthese CO₂ verbrauchen, würde bei geschlossenen Treibhäusern die CO₂-Konzentration schnell auf bis zu 200 ppm reduziert und das Pflanzenwachstum beeinträchtigt werden. Eine Möglichkeit, das zu verhindern, ist die stetige Luftzufuhr von außen (Abb. 3), die aber die Temperaturregulierung im Treibhaus erschwert. Die künstliche CO₂-Anreicherung durch die Vor-Ort-Verbrennung von Erdgas über das Niveau der Außenluft hinaus ist daher eine gängige Praxis sowohl zur Steigerung der Ernteerträge als auch bei Bedarf zur Erhöhung der Temperatur.

Die Herkunft des in Treibhäusern verwendeten Kohlendioxids ist sowohl im Hinblick auf das Pflanzenwachstum als auch aus klimatischen Gründen ein wichtiges Thema. Ein Kriterium ist die Reinheit des Gases. Bei der Verbrennung von Erdgas ist das entstehende Kohlendioxid mit Schadstoffen wie Schwefel- und Stickoxiden gemischt; erst recht ist das der Fall, wenn CO₂ aus Rauchgas von industriellen Quellen gewonnen wird. Die toxischen Bestandteile sind für die Pflanzen wie für die Gesundheit der Beschäftigten im Gewächshaus schädlich, weshalb die CO₂-Abscheidung aus industriellen Rauchgasen allgemein abgelehnt wird. RODRÍGUEZ-MOSQUEDA et al. (2019) schlagen daher eine CO₂-Abscheidung direkt aus der Umgebungsluft des Treibhauses vor, nach der das reine CO₂ unmittelbar in das Gewächshaus eingeführt wird. Auf diese Weise könnten auch Transportkosten und eine Transportinfrastruktur vermieden werden.

Die durch die CO₂-Anreicherung erzielte Steigerung der Ernteerträge kann je nach Anbaufrucht 12% bis 70% betragen, nach anderen Quellen 25-30%. Ein weiterer Vorteil der CO₂-Anreicherung sind eine Verkürzung der Wachstumszeit und die Möglichkeit, die Produktion über das ganze Jahr auszudehnen. Zugleich kann der Wasserbedarf im Vergleich zum Feldanbau durch eine verringerte Öffnung der Stomata und dadurch eine verminderte Verdunstung um bis zu 40% gesenkt und die Aufnahme von Schadstoffen verringert werden (GHIAT & AL-ANSARI 2021). In der Regel handelt es sich bei den Treibhauskulturen um C3-Pflanzen, deren optimale Wachstumstemperatur bei 14-18 °C liegt. Um das zu erreichen, muss die Innentemperatur je nach Jahreszeit und Region heruntergekühlt (z.B. im Mittelmeerraum) oder erwärmt (wie in höheren Breiten) werden. Die Nutzung von CO₂ zur Anreicherung der Konzentration führt jedoch bei den meisten C3-Pflanzen dazu, dass die optimale Wachstumstemperatur sich auf bis zu 30-32 °C erhöht. Das erfordert in mittleren und höheren Breiten eine zusätzliche Erwärmung der Treibhäuser, was zumeist über die Verbrennung von zusätzlichem Erdgas erfolgt.

Weltweit sind die Niederlande bei einer Fläche von 10.325 ha mit großem Abstand Spitzenreiter sowohl im Treibhausanbau im Allgemeinen wie bei der CO₂-Anreicherung. Der jährliche Bedarf an Kohlendioxid für die Düngung der Treibhauspflanzen beträgt schätzungsweise 500.000 t CO₂. Allein die Firma OCAP (Organic CO₂ for assimilation by plants) liefert z.B. auf diese Weise 400 000 t CO₂ pro Jahr an 580 Treibhäuser über ein ausgedehntes Pipeline-Netz. Die Wiederverwendung dieser Menge an Kohlendioxid, das zuvor hauptsächlich als reines CO₂ aus einer Bioethanol-Anlage gewonnen wurde, in Gewächshäusern soll nach Angaben der Firma das Verbrennen von 115 Mio. m3 Gas und die Emission von 205 000 t CO₂ jährlich vermeiden. In der Schweiz verkauft die durch ihr Air-Capture-Projekt auf Island bekannte Firma Climeworks das ebenfalls aus der Luft abgeschiedene CO₂ an einen Gewächshausbetreiber zur Aufrechterhaltung einer ausreichend hohen CO₂-Konzentration. Weltweit wurde die Fläche von Gemüsetreibhäusern für 2012 auf 500.000 ha geschätzt.

Um beim Klimaschutz in Konkurrenz zur CO₂ Speicherung (CCS) bestehen zu können, muss sich die Nutzung von Kohlendioxid vor allem ökonomisch rechnen. Nach Einschätzung der International Energy Agency ist die Verwendung von CO₂ in Gewächshäusern an bestimmten Standorten durchaus wettbewerbsfähig. Diese Standorte liegen in der Nähe, d.h. innerhalb von 5-10 km Entfernung, zu günstigen Quellen mit hochreinem CO₂, günstiger Abwärme und einer CO₂-Transportstruktur auf Pipeline-Basis. In klimatischer Hinsicht besteht ein großer Nachteil darin, dass CO₂ nur für relativ kurze Zeit in den Pflanzen gespeichert bleibt, bis es wieder in die Atmosphäre entweicht. Wenn das in Treibhäusern angewendete Kohlendioxid aus externen Quellen, d.h. nicht aus dem Anwendungsprozess selbst, stammt und die Vor-Ort-Produktion von CO₂ ersetzt, können jedoch Emissionen vorübergehend eingespart werden.

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Kontakt: Martin Behrens