Veröffentlicht: 13. Mai 2024
Mitwirkende: Amanda McGrath, Alexandra Jonker
Bei der Kohlendioxidabscheidung und -speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) werden Kohlendioxidemissionen (CO2) abgefangen und gebunden, bevor sie in die Erdatmosphäre gelangen. Das Ziel von CCS ist die Eindämmung des Klimawandels, indem verhindert wird, dass große Mengen an Treibhausgasemissionen zur globalen Erwärmung und zu Umweltstörungen beitragen.
Beim CCS-Verfahren wird das bei industriellen Prozessen, in Kraftwerken und anderen Quellen entstehende CO2 aufgefangen und anschließend zu einer in der Regel unterirdischen Lagerstätte transportiert, wo es dauerhaft gespeichert wird. CCS wird manchmal auch als Kohlendioxidabscheidung, -nutzung und -speicherung (Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS) bezeichnet, da der abgeschiedene Kohlenstoff manchmal als Produkt zur Erleichterung anderer industrieller Prozesse verwendet werden kann.
Die Reduzierung der Menge an Treibhausgasen in der Atmosphäre ist unerlässlich, um den Klimawandel zu verlangsamen. Der Übergang zu erneuerbaren Energiequellen ist ein entscheidender Faktor, um dieses Ziel zu erreichen. Fossile Brennstoffe werden jedoch aufgrund ihrer Verbreitung und der Herausforderungen bei der Umstellung auf nachhaltigere Optionen noch einige Zeit Teil des globalen Energiemixes bleiben. CCS ermöglicht die sauberere Nutzung dieser fossilen Brennstoffe, indem die Menge an freigesetztem CO2 reduziert wird.
Die Hauptkonzentrationen von CO2-Emissionen stammen von großen punktuellen Quellen, wie z. B. großen Industrieanlagen, Erdgasaufbereitungsanlagen, Raffinerien und Kraftwerken, die ideale Kandidaten für CCS-Projekte sind. Im Jahr 2022 wurden weltweit 46 Millionen Tonnen Kohlendioxid abgeschieden und gespeichert. Bis zum Jahr 2030 sollen solche Projekte weltweit 254 Millionen Tonnen Kohlendioxid pro Jahr abscheiden und speichern.1 Da immer mehr Länder und Unternehmen versuchen, Netto-Null-Emissionen zu erreichen, und in Strategien für saubere Energie investieren, wächst das Interesse an CCS-Projekten und Technologien zur Kohlendioxidabscheidung.
CCS ist ein dreistufiger Prozess, der die Abscheidung, den Transport und die Speicherung von Kohlendioxid (CO2) umfasst.
Es gibt drei Hauptarten der CO2-Abscheidung: Post-Combustion, Pre-Combustion und das Oxyfuel-Verfahren. Jede Methode hat ihre Vorteile und Herausforderungen. Die Wahl hängt von Faktoren wie der Art des Kraftwerks oder der Industrieanlage, den spezifischen Eigenschaften des verwendeten fossilen Brennstoffs und allgemeinen wirtschaftlichen Überlegungen ab.
- Post-Combustion: Die häufigste Art der CO2-Abscheidung ist die Post-Combustion-Methode, bei der CO2 nach der Verbrennung fossiler Brennstoffe und der Umwandlung in Strom oder Wärme abgeschieden wird. Das entstehende Rauchgas wird mithilfe eines Lösungsmittels in einen konzentrierten CO2-Strom getrennt, dann komprimiert und zur Lagerung transportiert. Diese Methode wird häufig bei der Modernisierung bestehender Kraftwerke eingesetzt.
- Pre-Combustion: Bei der Pre-Combustion-Methode wird das CO2 vor der Verbrennung des fossilen Brennstoffs abgeschieden. Der fossile Brennstoff wird vor der Verbrennung teilweise oxidiert, wodurch eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid entsteht. Anschließend wird Wasser hinzugefügt, um das Kohlenmonoxid in CO2 umzuwandeln, das aufgefangen und gespeichert werden kann. Diese Methode ist effizienter als die Post-Combustion-Methode, erfordert jedoch eine komplexere und kostspieligere Einrichtung.
- Oxyfuel-Verfahren: Bei dieser Methode werden fossile Brennstoffe in reinem Sauerstoff statt in Luft verbrannt, um ein Rauchgas zu erzeugen, das hauptsächlich aus CO2 und Wasser besteht. Nach der Kondensation des Wasserdampfs bleibt nahezu reines CO2 zurück, das komprimiert und transportiert werden kann. Diese Art der CCS-Technologie befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium und wird noch nicht in großem Umfang eingesetzt.
Sobald das CO2 abgeschieden wurde, wird es zu einer Lagerstätte transportiert. Dies geschieht in der Regel über Pipelines, wobei dieselbe Technologie zum Einsatz kommt, die auch für den Transport von Erdgas und Erdöl über große Entfernungen verwendet wird. Für kürzere Strecken oder bei schwierigem Gelände können auch Schiffe oder Lastwagen eingesetzt werden.
Die CO2-Speicherung, auch als Kohlenstoffbindung bekannt, umfasst die langfristige und dauerhafte Speicherung von CO2, um dessen Freisetzung in die Atmosphäre zu verhindern. Es gibt verschiedene Arten der CO2-Speicherung:
- Geologische Speicherung: Hierbei wird CO2 tief unter der Erde in geologische Formationen injiziert. Dies können erschöpfte Ölfelder oder Gasreservoirs, unzugängliche Kohleflöze oder salzhaltige Grundwasserleiter sein. Geologische Tiefenformationen sind bisher die gängigste Methode zur Kohlenstoffspeicherung.
- Ozeanspeicherung: Bei dieser Methode wird CO2 in großen Tiefen direkt in den Ozean injiziert. Dort löst es sich auf oder bildet stabile Verbindungen. Diese Methode wirft jedoch aufgrund ihrer potenziellen Auswirkungen auf die Meeresökosysteme Umweltbedenken auf und wird derzeit nicht als praktikable Option angesehen.
- Mineralische Karbonatisierung: Bei diesem Prozess reagiert CO2 mit bestimmten porösen Gesteinsformationen und bildet stabile Mineralien. Diese Reaktionen laufen in der Natur über Tausende von Jahren ab, können aber durch industrielle Prozesse beschleunigt werden. Dies stellt zwar eine dauerhafte Lösung für die CO2-Speicherung dar, ist aber derzeit teuer und energieintensiv.
- Biologische Sequestrierung: Dies beinhaltet die natürliche Bindung und Speicherung von CO2, z. B. durch Pflanzen, die während ihres Wachstums CO2 absorbieren und den Kohlenstoff in ihrem Gewebe und im Boden speichern. Zu den biobasierten Strategien gehören Aufforstung und kohlenstoffbindende Anbaumethoden, die die Speicherung maximieren und Emissionen minimieren.
Das abgeschiedene und gespeicherte CO2 kann entweder dauerhaft gelagert oder in anderen industriellen Prozessen verwendet werden. Am häufigsten wird gespeicherter Kohlenstoff zur tertiären Erdölgewinnung (EOR) eingesetzt. Bei dieser Technik wird das abgeschiedene CO2 in ein Ölfeld injiziert, um die Menge des förderbaren Rohöls zu erhöhen.
Bei herkömmlichen Ölfördermethoden kann eine große Menge Öl zurückbleiben. EOR-Projekte machen die Förderung effizienter. Und da das CO2 zurückbleibt, bietet diese Technik auch den Vorteil einer langfristigen Speicheroption.
EOR hat spezifische Vorteile und erleichtert darüber hinaus auch die weitere Nutzung fossiler Brennstoffe zur Stromerzeugung. Aus diesem Grund wird es eher als Teil einer umfassenderen Strategie zum Übergang zu erneuerbaren Energiequellen und zur Emissionsreduzierung denn als Komplettlösung angesehen.
Die zuvor beschriebenen Methoden der Kohlendioxidabscheidung werden in der Regel für große Punktquellen wie Kraftwerke oder Industrieanlagen eingesetzt und erfassen neu entstandene Kohlendioxidemissionen, bevor sie freigesetzt werden. Es gibt jedoch auch andere Ansätze zur Kohlendioxidabscheidung, mit denen sich Kohlendioxidemissionen bekämpfen lassen, die sich bereits in der Atmosphäre befinden. Dies wird als Kohlendioxidentfernung (Carbon Dioxide Removal, CDR) bezeichnet. Es gibt zwei gängige Methoden der CDR:
- Bioenergie mit CO2-Abscheidung und -Speicherung) ist eine Strategie, die Bioenergie als Energiequelle anstelle von fossilen Brennstoffen nutzt. Biomasse absorbiert während ihres Wachstums CO2 aus der Atmosphäre; wenn sie zur Energiegewinnung als Biokraftstoff verbrannt wird, werden die CO2-Emissionen aufgefangen und gespeichert. Dies macht die Methode zu einer potenziellen „Negativemissionstechnologie“, da sie zu einer Nettoentfernung von CO2 aus der Atmosphäre führen könnte.
- Direct Air Capture and Carbon Storage (DACCS) konzentriert sich auf die direkte Abscheidung von CO2 aus der Luft und nicht aus einer Punktquelle wie einem Kraftwerk. Strategien zur direkten Luftabscheidung (Direct Air Capture, DAC) können auch zu negativen Emissionen führen, da sie darauf abzielen, bereits in der Atmosphäre vorhandenes CO2 zu entfernen.
Sowohl der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC) der Vereinten Nationen als auch die Internationale Energieagentur (IEA) haben berichtet, dass CCS ein wichtiger Bestandteil ihrer Strategien zur Erreichung der globalen Netto-Null-Emissionsziele bis 2050 ist. Verschiedene Länder und Regionen gehen das Thema CCS auf ihre eigene Weise an. Hier sind einige Beispiele:
In den Vereinigten Staaten sind etwa 10 große CCS-Anlagen in Betrieb, darunter das Projekt Petra Nova in Texas. Als weltweit größtes Projekt zur CO2-Abscheidung mit Post-Combustion fängt es über 1 Million metrische Tonnen CO2 pro Jahr aus einem Kohlekraftwerk auf und verwendet es für die tertiäre Erdölgewinnung in einem nahe gelegenen Ölfeld. Die Regierung bietet finanzielle Anreize für CCS durch die Steuergutschrift 45Q, die Steuervorteile für jede aufgefangene oder gespeicherte metrische Tonne CO2 bietet.
In Kanada gibt es mehrere bedeutende CCS-Projekte, darunter das Weyburn-Midale-Feld, das seit 2000 in Betrieb ist und jährlich etwa 2 Millionen Tonnen CO2 speichert. Die kanadische Regierung unterstützt CCS durch die Finanzierung von Forschung und Entwicklung sowie durch Regulierungsmaßnahmen, die den Einsatz der Methode bei der Ölsandgewinnung fördern.
Norwegen ist ein Pionier im Bereich der CO2-Abscheidung und -Speicherung. Im Sleipner-Feld in der Nordsee wird seit 1996 CO2 aufgefangen und gespeichert, was es zu einem der am längsten laufenden CCS-Projekte macht. Das CO2 wird vom Erdgas getrennt, das aus dem Feld gewonnen wird, und dann in unterirdische Salzformationen injiziert. Die Regierung des Landes stellt Mittel für diese Projekte zur Verfügung und betrachtet CCS als ein wichtiges Instrument zur Erreichung ihrer Klimaziele.
Als weltweit größter CO2-Emittent betrachtet China CCS als wesentlichen Bestandteil seiner Strategie zur Emissionssenkung. Es gibt mehrere CCS-Pilotprojekte und das Land investiert stark in Forschung und Entwicklung. Allerdings ist der großflächige Einsatz von CCS in China noch begrenzt.
Die Europäische Union (EU) unterstützt CCS durch ihr Emissionshandelssystem, das CCS durch die Bepreisung von CO2-Emissionen finanziell attraktiv machen kann. Allerdings sind die Fortschritte bei CCS in Europa mit nur wenigen laufenden Projekten bisher nur langsam vorangekommen.
Trotz ihres Potenzials steht die CCS vor mehreren Herausforderungen. Die Kosten für die Abscheidung, den Transport und die Speicherung von CO2 können hoch sein, und die Technologie zur CO2-Abscheidung befindet sich noch in verschiedenen Entwicklungsstadien. Während die Kosten mit zunehmender Reife der CCS-Technologie voraussichtlich sinken werden, stellen sie nach wie vor ein erhebliches Hindernis für den flächendeckenden Einsatz dar. CCS erfordert auch eine beträchtliche Menge an Energie, was die Gesamtemissionen eines Kraftwerks oder einer Industrieanlage erhöhen kann, wenn sie nicht richtig gehandhabt wird. Dies wird als „Energieeinbuße“ von CCS bezeichnet.
Die Ausweitung der CCS ist auch geografisch begrenzt, da nicht in allen Regionen geeignete Standorte für die CO2-Speicherung vorhanden sind und die Möglichkeit, neue zu schaffen, begrenzt ist. Außerdem gibt es Bedenken hinsichtlich der langfristigen Stabilität von Endlagern und der Gefahr von Leckagen. Auch wenn das Risiko als gering eingestuft wird, könnte jede Leckage die Wirksamkeit von CCS bei der Emissionsreduzierung und der Eindämmung des Klimawandels untergraben. Da sich die Energietechnologien jedoch weiterentwickeln und Projekte immer kosteneffizienter werden, wird CCS voraussichtlich eine wichtige Methode zur Steuerung der CO2-Emissionen großer Produzenten sein.
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Fußnoten
1 „Carbon capture. Use, transport and storage“ (Link befindet sich außerhalb von ibm.com), U.S. Department of Energy (DOE), Juni 2023.