Die Uhr tickt. Wenn das in Paris beschlossene Ziel, die Erderwärmung unter zwei Grad Celsius zu halten, erreicht werden soll, darf global noch maximal zwanzig Jahre lang die aktuelle Menge von 40 Gigatonnen CO₂ pro Jahr ausgestoßen werden. Das scheint noch weit in der Zukunft zu liegen, ist aber kein Grund, sich zurückzulehnen. Denn mehr und mehr Klimaforscher halten eine Verschärfung des Ziels auf anderthalb Grad Celsius für erforderlich – in diesem Fall wäre das CO₂-Budget in weniger als fünf Jahren aufgebraucht.
Schon ein Blick auf die schleppende Entwicklung im Verkehrssektor oder auf die weiterhin intensive Nutzung von Kohlekraftwerken in den Schwellen- und Entwicklungsländern zeigt, dass sowohl das Zwei- als auch das 1,5-Grad-Ziel nicht durch eine Reduzierung der Emissionen allein erreichbar sind. Gefragt sind kreative Lösungen. Ein intensiv diskutierter Ansatzpunkt ist es, das vorhandene CO₂ aus der Atmosphäre zu entfernen. Der im Deutschen lange gebräuchliche, paradox anmutende Fachbegriff dafür lautet "Negative Emissionen", inzwischen spricht man korrekterweise von "CO₂-Entnahme"; im internationalen Raum hat sich die Abkürzung CDR (Carbon Dioxide Removal) durchgesetzt. Welche Relevanz Maßnahmen zur CO₂-Entnahme heute haben, darüber besteht in der Wissenschaft ein breiter Konsens. Prof. Frank Schilling vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat mehrere Forschungsprojekte zur geologischen Speicherung von CO₂ durchgeführt.
Er ist überzeugt: "Ich sehe keinen Weg, die Pariser Klimaziele ohne solche Technologien zu erreichen. Salopp gesagt muss man CO₂ entweder einsparen oder wegpacken. Da wir es in den letzten zehn Jahren nicht geschafft haben, unsere Emissionen in ausreichendem Maß zu reduzieren, müssen wir jetzt Technologien zu Hilfe nehmen, um das CO₂ wieder loszuwerden."
Bäumchen, wechsle dich
Die Kernidee hinter der CO₂-Entnahme ist es, das in der Atmosphäre befindliche Kohlendioxid dort zu speichern, wo es keinen Schaden anrichtet: in Wäldern, Ozeanen oder unterirdisch im Boden. Dafür gibt es diverse Technologien, die mit biologischen, chemischen und physikalischen Verfahren arbeiten. Das bekannteste biologische Verfahren ist die (Wieder-)Aufforstung: Beim Wachstumsprozess entziehen die Bäume der Atmosphäre CO₂. Auch die Ozeandüngung gehört zu den biologischen Verfahren: Durch die Düngung mit Nährstoffen wie Nitrat oder Eisen soll das Algenwachstum und damit die biologische Kohlenstoffpumpe angeregt werden, die das Kohlendioxid aus der Luft in die Tiefen der Ozeane umwälzt. Bei der pyrogenen CO₂-Abscheidung und -speicherung wird Biomasse in einer sauerstoffarmen Atmosphäre bei Temperaturen von bis zu 900 Grad Celsius verkokt. Dabei entsteht ein festes Material, die sogenannte Biokohle, die in den Boden verbracht wird.
Zu den chemischen Verfahren gehört das "Enhanced Weathering", gewissermaßen der Turbolader für den natürlichen Verwitterungsprozess von Gestein, bei dem der Atmosphäre durch chemische Reaktionen CO₂ entzogen wird. Dieser in der Natur sehr langsam ablaufende Prozess lässt sich beschleunigen, indem geeignete Minerale fein zermahlen und auf Äckern verteilt werden. Praktischer Nebeneffekt: Die Minerale setzen bei Kontakt mit Wasser Pflanzennährstoffe wie Silizium frei – eine verbesserte Düngung kommt damit frei Haus. Ein biochemisches Verfahren ist die Erzeugung von Bioenergie mit CO₂-Abscheidung (engl. BECCS für "bioenergy with carbon capture and storage"). Biomasse wird zur Energieerzeugung verbrannt, das dabei entstehende CO₂ abgeschieden, durch Abkühlung verflüssigt und dann per Schiff oder Pipeline zu unterirdischen Lagerstätten transportiert. In einer Variation dieses Verfahrens, der CO₂-Abscheidung und -verwendung (CCU oder CCR für "carbon capture and usage/recycling") wird das abgeschiedene Kohlendioxid nicht gelagert, sondern weiterverwendet – beispielsweise als Kohlensäure in der Getränkeindustrie oder als Ausgangsstoff für synthetische Kraftstoffe.
Das einfachste mechanische Verfahren besteht schlicht und einfach darin, mit Holz zu bauen – denn dadurch werden emissionsintensive Konstruktionsmaterialien und Techniken vermieden. Insbesondere die Herstellung von Zement benötigt viel Energie, und bei der Umwandlung von Kalkstein in Zementklinker wird Kohlendioxid freigesetzt. Einer Studie des Schweizer Bundesamts für Umwelt (BAFU) zufolge können pro Kubikmeter verbauten Holzes Emissionen in Höhe von bis zu 2,5 Tonnen CO₂ eingespart werden. Das bekannteste mechanisch-chemische Verfahren ist die Filterung – auch "Direct Air Capture" genannt: Umgebungsluft wird mit großen Ventilatoren angesaugt und strömt über ein Filtermaterial, an dem die CO₂-Moleküle haften bleiben. Ist der Filter gesättigt, wird er erhitzt. Dadurch wird das gebundende CO₂ wieder frei, es kann als reines Gas aufgefangen und abgeleitet werden.
Quelle: Climeworks
Chancen und Herausforderungen
Die größten Herausforderungen beim Entfernen von Kohlendioxid aus der Atmosphäre stellen Zielkonflikte, Kosten und Nebenwirkungen dar. So kann die Aufforstung zur CO₂-Reduktion zulasten von Flächen gehen, die eigentlich für die Nahrungsmittelproduktion benötigt werden. Die unterirdische Speicherung von Kohlendioxid im industriellen Maßstab wiederum hat biologische und geologische Konsequenzen, die beherrscht werden wollen – was bereits in der Vergangenheit für Proteste in der Bevölkerung gesorgt hat. Und welche langfristigen Nebenwirkungen die großflächige Düngung im komplexen Ökosystem der Ozeane mit sich bringen könnte, lässt sich nur schwer in reduzierten Modellversuchen vorhersehen.
Frank Schilling vom KIT: "Von den heute bekannten Verfahren sind Aufforstung, Enhanced Weathering und CO₂-Abscheidung beziehungsweise -Speicherung die mengenmäßig wirksamsten Verfahren. Viele CCU-Verfahren, also die weitere Nutzung des abgeschiedenen Kohlendioxids, sind für mich oft eine Mogelpackung: Denn wenn ich aus CO₂ einen Treibstoff herstelle und ihn dann verbrenne, habe ich das CO₂ ja nicht dauerhaft entnommen, sondern lediglich doppelt genutzt. Trotzdem müssen wir auch an solchen Technologien forschen, denn auch sie helfen uns, die Emissionen zu reduzieren."
Prof. Jan Minx vom Berliner Klimaforschungsinstitut MCC (Mercator Research Institute on Global Commons and Climate Change) hat gemeinsam mit einem Forscherteam eine großangelegte Metaauswertung zu allen relevanten Studien über CO₂-Entnahme-Technologien vorgenommen. Sein Fazit: "In den letzten Jahren hat die Zahl der Studien und Experimente exponentiell zugenommen. Fast alle Technologien zur Entnahme von Kohlendioxid haben ihre Potenziale, aber eben auch Grenzen und Nebeneffekte. Daher plädiere ich für einen Portfolioansatz, also einen Mix aus verschiedenen Technologien, bei dem deren jeweiliger Entwicklungsstand berücksichtigt und Chancen wie Risiken ausbalanciert werden."
Neue Anreize müssen her
Fakt ist: Viele der Technologien haben die Laborphase bereits verlassen, sind aber erst bei der Anwendung im großen Stil finanzierbar. Auch die dafür notwendige Forschungsarbeit ist kostenintensiv. Die gute Nachricht: Aus Sicht der Forscher sind Methoden zur CO₂-Entnahme durchaus marktfähig – wenn es die entsprechenden, notfalls negativen Anreize gibt. Jan Minx beispielsweise hält den aktuellen CO₂-Preis von gut 22 Euro pro Tonne für viel zu gering: "Für die notwendigen Innovationen und Wettbewerbsfähigkeit von CO₂-Entnahmetechnologien brauchen wir einen CO₂-Preis, der glaubwürdig steigt. Mittelfristig sollten wir eher auf 50 Euro pro Tonne kommen."
Technologien im Überblick
Einen systematischen Überblick über die verschiedenen CO₂-Entnahme-Technologien und ihre Potenziale und Herausforderungen finden Sie hier: www.CO2removal.org
DRAX
Der britische Energieversorger Drax verbrennt jährlich sieben Millionen Tonnen Holzschnitzel zur Stromerzeugung. Das Verfahren ist insoweit CO₂-neutral, als die Bäume bei ihrem Wachstum das CO₂ aus der Atmosphäre entnommen haben, das bei der Verbrennung lediglich wieder freigesetzt wird. Drax hat im November 2018 eine Pilotanlage zur Abscheidung des erzeugten CO₂ in Betrieb genommen, die ein Abscheidemodul von C-Capture, einem Spin-off der University of Leeds, nutzt. Mit der Pilotanlage sollen jährlich mehr als 360 Tonnen CO₂ aus den Kraftwerkabgasen entfernt werden. Bei einem erfolgreichen Probelauf ist der Einbau weiterer Anlagen geplant. Das ehrgeizige Ziel: Die Drax-Anlage soll weltweit das erste Biomassekraftwerk mit negativer CO₂-Bilanz werden.
CLIMEWORKS
Das schweizerische Unternehmen baut und vertreibt Anlagen, die CO₂ direkt aus der Luft filtern, sowohl zur Wiederverwendung als auch zur Endlagerung. Climeworks liefert Kohlendioxid an Getränkehersteller, Betreiber von Treibhäusern und Hersteller von "Future Fuels". Louise Charles (Kommunikationsmanagerin) von Climeworks: "Unsere Anlagen können Strom und Abwärme von bereits existierenden industriellen Anlagen oder Geothermie nutzen – auf diese Weise können sie CO₂ besonders effektiv einsammeln." Das Unternehmen betreibt gemeinsam mit Forschungspartnern und dem örtlichen Energieversorger Reykjavik Energy eine Forschungsanlage in Island, die ihre Pilotphase bereits erfolgreich abgeschlossen hat. Der Untergrund dort besteht aus porösem Basaltgestein, das große Mengen an Magnesium, Kalzium und Eisen enthält. In Kontakt mit den Mineralien beginnt das Kohlendioxid, aus dem im Wasser Kohlensäure entstanden ist, quasi zu versteinern.
Text: Jochen Reinecke