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 vereinbart, 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 Kohlenstoffspeicherung

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.

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.

Treibhaus in den Niederlanden

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.

Tertiäre Ölförderung

Der größte Verbraucher von direkt genutztem CO₂, ist die intensivierte Ölförderung, engl. Enhanced Oil Recovery (EOR). Im Deutschen spricht man hier auch von tertiärer Ölförderung, die dann eintritt, wenn auf die primäre Förderung durch den Druck des flüssigen Öls selbst und die sekundäre Förderung nach einer Erhöhung des Drucks durch Wasserzufuhr ein dritter Schritt erfolgt, bei dem CO2 in die Poren von Öllagerstätten verpresst wird und eine weitere Förderung bewirkt. Die globale Nutzung von Kohlendioxid insgesamt wurde 2019 von der Internationalen Energieagentur IEA auf 230 Mio. t geschätzt, wovon 70-80 Mio. t auf die Ölförderung entfielen. Regional lagen die USA mit 33% der weltweiten Ölförderung mit Hilfe von Kohlendioxid eindeutig an der Spitze vor China (21%) und Europa (16%).

Tertiäre Ölförderung durch CO₂-Injektion: Abscheidung, Transport, CO₂-Injektion und Ölförderung

Die Kohlendioxid-Nutzung bei der tertiären Ölförderung ist eine ausgereifte Technologie, die seit über 50 Jahren in der Öl- und Gasindustrie vor allem in den USA weit verbreitet ist. Das CO₂ stammt bei der tertiären Ölförderung zumeist aus natürlichen Quellen bzw. aus geologischen Lagerstätten und wird mit Hilfe von Pipelines oder LKWs zu den Ölfeldern transportiert. Weniger als 30% stammen aus nicht-geologischen Quellen, hauptsächlich, weil es keine entsprechenden Lagerstätten in der Nähe der Ölfelder gibt. Auf den Ölfeldern wird das Kohlendioxid auf einen höheren Druck komprimiert und in die Gesteinsformationen injiziert, in denen das bis dahin nicht förderbare Öl haftet. Beim Kontakt mit den mikroskopisch kleinen Öltröpfchen in den Gesteinsporen mischt sich das CO₂ mit dem Öl, lässt das Öl anschwellen und reduziert seine Viskosität. Der Prozess muss bei genügend hohem Druck in den Gesteinsporen ablaufen, der bei Bedarf durch die Injektion von Wasser weiter erhöht werden kann. Das Öl wird durch die Verbindung mit dem Kohlendioxid mobil und fließt zu den Förderbrunnen, die es an die Oberfläche pumpen. Dabei wird auch ein hoher Anteil des CO₂ mitgefördert und anschließend von dem Öl getrennt. Da das CO₂ auf dem Markt teuer erworben werden muss, wird es zumeist in eigenen Anlagen aufbereitet und erneut in die Lagerstätte verpresst, bis kein weiteres Öl mehr gefördert werden kann. Am Ende des Verfahrens können bis über 90% des eingesetzten Kohlendioxids dauerhaft im Gestein gespeichert werden. Die Ölausbeute kann durch die Kohlendioxid-Nutzung um 30-60% gegenüber konventionellen Förderverfahren erhöht werden.

In den USA werden auf diese Weise 5% des Öls gefördert. Grundlagen sind für die CO₂-Injektion geeignete Öl-Reservoire und große natürliche Quellen von hochreinem CO₂, wie sie etwa in dem Perm-Becken im Westen von Texas und Südosten von New Mexiko vorliegen. Vor ca. einem Jahrzehnt wurden 45 Mio. t CO₂ jährlich aus natürlichen Reservoiren für die Öl- und Gasförderung genutzt, wobei die Kosten durch die hohe Reinheit des geförderten Kohlendioxids relativ gering sind. Außerdem wird die CO₂-Nutzung durch eine ausgedehnte Pipeline-Infrastruktur von über 6000 km unterstützt. 2014 wurden auf den Ölfeldern der Vereinigten Staaten mehr als 8000 Anlagen zur Injektion von Kohlendioxid gezählt. Um ein Barrel Öl zu fördern, werden in den USA im Mittel 0,3-0,6 t CO₂ injiziert. Inzwischen hat sich die tertiäre Ölförderung auch global verbreitet. 2020 waren mehr als 375 EOR-Projekte in Betrieb, die für 2% der globalen Ölproduktion standen und 78 Mio. t CO₂ verbrauchten. Der Anteil Nordamerikas ist im letzten Jahrzehnt von 70% der EOR-Projekte auf 40% gesunken.

Nach sehr optimistischen Schätzungen besteht weltweit die theoretische Möglichkeit, bei einer Förderung von 470 Mrd. Barrel Öl eine kumulative Menge von 70-140 Gt CO₂ bis 2050 in EOR-Förderstätten zu injizieren. In vielen Ölregionen der Welt liegen die Kosten für Kohlendioxid jedoch deutlich höher als in den USA, und Öl wird um die Mitte des Jahrhunderts sehr wahrscheinlich weniger gefördert werden als heute. Daher sind eher 35-70 Gt CO₂-Injektion bis 2050 realistisch, was lediglich 4,5% der nötigen CO₂-Minderung von 800 Gt CO₂ zur Erreichung der Klimaziele entspricht.

Neben der Ölförderung wird die CO₂-Nutzung auch auf die Gasförderung angewandt. Allerdings ist das Verfahren hier nicht ausgereift, wurde als Konzept erst in den 1990er Jahren entwickelt und bis heute erst in wenigen Pilotprojekten erprobt. Das erste und wohl bislang erfolgreichste Pilotprojekt ist das K12-B-Projekt vor der niederländischen Nordseeküste, das seit 2004 das mit dem Gas geförderte Kohlendioxid erneut in die Lagerstätte injiziert und dadurch die Gasausbeute erhöht. Das Potential für die CO₂-Speicherung wird weltweit auf 160-390 Gt geschätzt, die Erhöhung der Gasproduktion auf 5-15%. Die zusätzliche Gasgewinnung liegt damit weit hinter der des OER-Verfahrens. Das liegt u.a. daran, dass schon bei der traditionellen Gasförderung in günstigen Fällen bereits Ausbeuten von bis zu 90% erzielt werden können, so dass die durch CO₂ noch zu gewinnende Gasmenge die hohen Kosten für die Injektion und Behandlung des geförderten Gases nicht abdecken können. Besonders teuer ist zudem die Aufbereitung von mit CO₂ verunreinigtem Erdgas nach der Förderung. Die intensivierte Gasförderung durch CO₂-Injektion ist daher ökonomisch nicht etabliert.

Beschleunigtes Wachstum von Mikroalgen

Anders als die CO₂-Anreicherung in Treibhäusern und die Nutzung zur Intensivierung der Erdölförderung ist das beschleunigte Wachstum von Mikroalgen eine neuartige Anwendung von CO₂. Mikroalgen besitzen schon von Natur aus ein starkes Wachstum durch eine hohe Photosyntheserate, die zu einer starken Biomassezunahme führt. Durch die künstliche Erhöhung der CO₂-Zufuhr kann ohne zusätzliche Zufuhr von Energie und ohne sekundäre Verunreinigung die Umwandlung in Biomasse noch weiter verstärkt werden. Das CO₂ kann dabei aus Rauchgasen und Abwasser aus anderen industriellen Prozessen stammen. Die Produktionsausbeute von Mikroalgen kann auch noch dadurch gesteigert werden, dass verdünntes CO₂-Rauchgas durch Glasröhrensysteme geleitet wird. Gegenüber herkömmlichen Landpflanzen zeigen Algen bei künstlicher Zugabe von Kohlendioxid ein 8- bis 10mal schnelleres Wachstum (OTTO et al. 2017). Damit sind Mikroalgen in der Lage, drei bis zehn Mal mehr als andere Biomassen Kohlendioxid zu absorbieren (HEPBURN et al. 2019). In der Regel werden etwa 1,8 t CO₂ verwendet, um 1 t trockene Algenbiomasse zu erzeugen, was je nach Algenart variieren kann (HONG 2022). Schätzungen für 2050 halten es für möglich, dass Mikroalgen 0,2 bis 0,9 Gt CO₂ pro Jahr binden könnten (HEPBURN et al. 2019). Das ist allerdings auf dem Hintergrund zu sehen, dass nach Einschätzung der IEA (2019) die CO₂-Einsparung durch die CO₂-Nutzung insgesamt im günstigsten Fall kaum 1 Gt erreichen wird, wobei andererseits die beiden Werte (CO₂-Absorption und CO₂-Emissionseinsparung) nicht direkt verglichen werden können.

Die Algenkultivierung befindet sich derzeit in einer frühen Entwicklungsphase. Die 2014 weltweit größte Mikroalgenfarm wurde von BASF Health in Australien errichtet. Sie verwertet sowohl CO₂ aus der Atmosphäre wie aus angereicherten CO₂-Gasströmen und züchtet Mikroalgen in offenen Becken. Weitere Anlagen entstanden in Klötze (Deutschland), wo pro kg Mikroalgen vier kg CO₂ absorbiert wurden, sowie in Südspanien, beide mit einem Glasröhrensystem. Außerdem entstanden zahlreiche Pilotanlagen, z.B. in Hamburg und Mannheim (OTTO et al. 2017). Mikroalgen können in ein breites Spektrum an Produkten umgewandelt werden wie Wasserstoff, Biodiesel, Biomethan, Bioethanol etc. (KLINTHONG et a. 2015), und sie können auch als Fischfutter verwertet werden (DE KLEIJNE et al. 2022). Zusammenfassend gelten als Hauptvorteile der Algenkultivierung, dass sie ein hohes Potenzial für die Wiederverwendung von CO₂ besitzen und dass die aus Algen gewonnenen Energieträger wie Biokraftstoff und Biogas fossile Äquivalente ersetzen können (HONG 2022).

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Kontakt: Martin Behrens