Energiesysteme der Zukunft

Carbon Capture and Storage (CCS) bezeichnet Verfahren, die CO₂ abscheiden und langfristig geologisch speichern. Das wird erreicht, indem es in unterirdische Lagerstätten verpresst wird. Diese Verfahren werden für die Vermeidung von Emissionen bei Industrieprozessen wie der Zementerzeugung oder der Abfallverbrennung diskutiert. Bei diesen Prozessen ist es nicht möglich, die Entstehung des CO₂ zu vermeiden. Aber wenn es nicht emittiert, also nicht in die Atmosphäre entlassen, sondern abgeschieden und gespeichert wird, dann trägt es nicht zur Erderwärmung bei.

Wenn das verpresste CO₂ zuvor aus der Atmosphäre abgeschieden wurde oder aus Biomasse stammt, kann CCS zu negativen Emissionen beitragen. Das heißt, der CO₂-Gehalt der Atmosphäre wird verringert. Dies bezeichnet man dann als Carbon Dioxide Removal (CDR).

Zunächst wird das CO₂ aus einem Gasgemisch abgeschieden – zum Beispiel Abgas aus einem Industrieprozess oder aus der Luft. Dafür wird viel Energie benötigt. Je niedriger die Konzentration des CO₂ in dem Gemisch ist, desto höher ist der Energieaufwand. Die Abscheidung aus der Luft ist daher besonders energieintensiv. Dann wird das CO₂ verdichtet oder verflüssigt und per Pipeline, Bahn oder Schiff zum Ort der Speicherung transportiert. Dort wird das CO₂ im Untergrund verpresst. Als Lagerstätten eignen sich vor allem leergeförderte Erdöl- und Erdgaslagerstätten sowie tiefliegende, salzwasserführende Grundwasserleiter (sogenannte saline Aquifere). 

Bei der geologischen Speicherung wird das CO₂ in den Porenraum eines Speichergesteins verpresst. Geeignete Speicher befinden sich in einer großen Tiefe von mindestens 800 bis 1.000 Meter. Ähnlich wie bei Erdgasspeichern, die weitläufig bekannt und akzeptiert sind, muss sich oberhalb des Speichergesteins, ein undurchlässiges Barrieregestein befinden, damit das CO₂ nicht aus dem Speicher entweichen kann.

In Deutschland eignen sich vor allem leergeförderte Erdgaslagerstätten sowie tiefliegende, salzwasserführende Grundwasserleiter (sogenannte saline Aquifere) als CO₂-Speicher. In Europa befinden sich die größten geeigneten Lagerstätten unter der Nordsee. Die Speicherung unter dem Meer ist allerdings teurer als die Speicherung an Land. Die Eignung eines Speichers muss durch Erkundungen nachgewiesen werden. Eine staatliche Bergbehörde prüft die Speicherung eingehend und genehmigt sie. 

CO₂ ist im Untergrund auch in natürlicher Form vorhanden, auch abseits vulkanischer Gebiete. Das heißt, CO₂ ist kein unbekanntes Gas im Untergrund und beispielsweise ein häufiges Begleitgas bei der Erdöl- oder Erdgasförderung. Je nach Art des Umgebungsgesteins löst sich das CO₂ mit der Zeit im sogenannten Formationswasser. Das ist das Wasser, das sich naturgegeben in den Gesteinsporen befindet. Abhängig vom jeweiligen Gestein beginnt das CO₂ nach einer gewissen Zeit zu mineralisieren. Das heißt: Es reagiert mit Inhaltsstoffen aus dem Speichergestein und Wasser zu festen Karbonaten, die den Porenraum zunehmend ausfüllen und verschließen.

Da es verschiedene Projekte weltweit gibt, liegen bereits Erfahrungen zu allen Stufen der CCS-Prozesskette vor. Die Abscheidung von CO₂ an Industrieanlagen und der Transport von CO₂ können als industriell erprobter Standard angesehen werden. Bei der direkten CO₂-Entnahme aus der Atmosphäre sind wegen der sehr viel geringeren CO₂-Konzentration neue Verfahren erforderlich, für die es bisher nur Pilotanlagen gibt. 

Erfahrungen mit der CO₂-Speicherung liegen beispielsweise aus dem Sleipner-CCS-Projekt vor, das seit 1996 vor der Küste Norwegens das CO₂ geologisch speichert. Die bisherigen Erfahrungen sprechen dafür, dass die Speichertechnologien zuverlässig betrieben werden können. In der Gesamtschau ist CCS prinzipiell in industriellem Maßstab einsatzbereit.

CCS birgt gewisse Risiken, aber diese sind aus Sicht von Fachleuten beherrschbar. Wird beispielsweise das CO₂ in leergeförderten Erdgaslagerstätten verpresst, gibt es dort durch die früheren Bohrungen Löcher, aus denen das CO₂ austreten kann. Das kann – neben der Klimawirkung – das Grundwasser verunreinigen oder zu einer Versauerung des Meerwassers führen. Eine sorgfältige Risikoabwägung für den jeweiligen Speicherstandort und ein Monitoring während der Speicherung sind daher wichtig.

Die gesellschaftliche Diskussion fokussiert sich teilweise stark auf die Risiken von CCS. In der Gesamtabwägung sind jedoch ebenso die Risiken wichtig, die entstehen, wenn CCS nicht zugelassen würde. Diese sind erheblich, denn nach heutigem Kenntnisstand ist Klimaneutralität ohne CCS nicht realistisch. 

Durch CCS, zum Beispiel an einem Zementwerk, wird verhindert, dass neu entstandenes CO₂ in die Atmosphäre gelangt. Im Idealfall, wenn 100 Prozent des CO₂ aufgefangen werden könnten und die dafür benötigte Energie komplett aus erneuerbaren Energien käme, wäre CCS also bestenfalls klimaneutral. In der Praxis gelingt eine vollständige Abscheidung des CO₂ in der Regel aber nicht: Es verbleiben mindestens fünf bis zehn Prozent Restemissionen. Um klimaneutral zu werden, müssen diese durch negative Emissionen ausgeglichen werden. Negative Emissionen entstehen, wenn CO₂ aus der Atmosphäre abgeschieden und dauerhaft gespeichert wird. Dies wird auch als CDR bezeichnet (siehe Abschnitt über CDR).

Bei Carbon Capture and Utilization (CCU) wird CO₂ aus einer Industrieanlage oder aus der Luft abgeschieden und für die Herstellung neuer Produkte genutzt, etwa Baustoffe, Chemikalien oder Kunststoffe. Heute werden diese Produkte meist aus Erdöl hergestellt. Landen sie am Ende ihrer Lebensdauer in der Abfallverbrennung, wird CO₂ freigesetzt und das trägt zum Klimawandel bei. Mit CCU können kohlenstoffhaltige Produkte erzeugt werden, ohne dafür Kohlenstoff aus fossilen Energieträgern zu nutzen. Auch Kraftstoffe, zum Beispiel für Flugzeuge oder Schiffe, können mit CCU hergestellt werden.

Zunächst wird CO₂ aus einer Industrieanlage oder aus der Luft abgeschieden und zum Ort der Weiterverarbeitung transportiert. Um Ausgangsstoffe für die Chemieindustrie, wie Methanol oder Synthesegas, herzustellen, wird neben CO₂ auch Wasserstoff benötigt. Die Stoffe werden dann zu verschiedenen Chemieprodukten weiterverarbeitet, beispielsweise zu Kunststoffen. Um mit CCU klimaneutrale Produkte herzustellen, muss der dafür verwendete Wasserstoff mit erneuerbaren Energien erzeugt werden. Dafür wird sehr viel Energie benötigt und das macht CCU relativ teuer. 

Die Abscheidung und der Transport von CO₂ können als industriell erprobter Standard betrachtet werden. Für die direkte CO₂-Entnahme aus der Atmosphäre gibt es bisher nur Pilotanlagen, weil die geringere CO₂-Konzentration neue Verfahren erfordert. Beide Prozessschritte werden unabhängig davon benötigt, ob das CO₂ anschließend geologisch gespeichert (siehe Abschnitt über CCS) oder zu Produkten verarbeitet wird.

Bei der Verarbeitung des CO₂ zu Produkten ist der Entwicklungsstand je nach Prozess sehr unterschiedlich. Um Harnstoff herzustellen, ein wichtiger Grundstoff der Chemieindustrie und Bestandteil von Düngemitteln, ist CCU bereits in großem industriellem Maßstab etabliert. Für viele andere Prozesse gibt es bisher nur Pilotanlagen, an denen geforscht wird, um die Prozesse effizienter und kostengünstiger zu machen. 

Zudem spielt es eine Rolle, ob die benötigten Energieträger ausreichend vorhanden sind. Für viele CCU-Produkte wird Wasserstoff benötigt, der idealerweise klimaneutral ist. Fachleute sehen hier einen Flaschenhals für CCU: Es gibt aktuell nicht viele Produktionsanlagen für klimaneutralen Wasserstoff. Zudem ist der erneuerbare Strom, um die Anlagen zu betreiben, momentan nur begrenzt verfügbar. 

Die Klimabilanz von CCU-Produkten kann sehr unterschiedlich sein und hängt von folgenden Faktoren ab:

• Herkunft des CO₂: Mit CO₂ aus der Atmosphäre oder aus Biomasse ist die Klimabilanz besser als mit CO₂ aus fossilem Kohlenstoff.
• Lebensdauer des hergestellten Produkts: Bei kurzlebigen Produkten, wie Kraftstoffen, wird die Freisetzung des CO₂ nur um einige Wochen oder Monate verzögert. Denn das CO₂ gelangt beim Verbrennen des Kraftstoffs in die Atmosphäre. Werden mit dem CO₂ stattdessen Baustoffe hergestellt, kann es über viele Jahrzehnte gespeichert bleiben.
• Verbleib des Kohlenstoffs am Ende der Lebensdauer: Werden beispielsweise mit CCU hergestellte Kunststoffe recycelt, wird der Kohlenstoff länger im Kreislauf gehalten – das verbessert die Klimabilanz, ähnlich wie eine längere Produktlebensdauer. Auch, wenn CCU-Produkte in einer Abfallverbrennung enden, die mit CCS ausgestattet ist, wird eine Freisetzung des zuvor gebundenen CO₂ verhindert.
• Weitere mögliche Emissionsquellen: Im gesamten Lebenszyklus der CCU-Produkte gibt es Emissionsquellen, die auch wichtig sind, um die Klimabilanz von CCU zu bewerten. So wird Energie benötigt, um den notwendigen Wasserstoff zu produzieren. Ebenso sind Rohstoffe erforderlich, um die CCU-Anlage zu bauen. 

Im besten Fall, wenn das CO₂ aus Biomasse oder aus der Atmosphäre in sehr langlebigen Produkten gespeichert wird, dann kann das zu negativen Emissionen führen. Im schlechtesten Fall, wenn CO₂ aus fossilem Kohlenstoff zum Beispiel zu Kraftstoffen verarbeitet wird, wird die Freisetzung des CO₂ nur um einige Wochen oder Monate verzögert. In einer klimaneutralen Zukunft haben daher nur einige CCU-Pfade Platz. 

Die folgende Grafik macht deutlich, wann ein CCU-basierter Prozess in der Gesamtbilanz CO₂-Emissionen verursacht, wann er CO₂-neutral ist und wann er zu negativen Emissionen führt. 

Dies ist eine interaktive Grafik: Um die jeweilige Klimabilanz zu erkunden, klicken Sie auf „CO2-Abscheidung aus der Atmosphäre“ oder auf „CO2-Abscheidung z.B. am Zementwerk“. Wenn Sie mit der Maus über die rechten Kästen fahren, dann erhalten Sie tiefergehende Informationen. 

(Grafik: Energiesysteme der Zukunft (ESYS); Illustration by Figures GmbH)
 

Aufgrund des hohen Energiebedarfs ist CCU sehr teuer. Daher sind in vielen Fällen andere klimafreundliche Produktionsverfahren besser geeignet. 

Vor allem bei Kunststoffprodukten bietet sich Recycling an. Ein komplettes Recycling wird aber auch in Zukunft nicht möglich sein, da die Qualität der Abfälle teils nicht hoch genug ist, um sie zu hochwertigen Kunststoffen aufzubereiten. Eine weitere Möglichkeit ist, kohlenstoffhaltige Produkte aus Biomasse herzustellen. Allerdings ist die Verfügbarkeit eng begrenzt, sodass sie als einziger Ausgangsstoff voraussichtlich nicht ausreicht. 

Werden Kunststoffe zukünftig weiterhin aus Erdöl erzeugt, kann bei der Abfallverbrennung das CO₂ abgeschieden und dauerhaft gespeichert werden. Damit wäre der gesamte Lebenszyklus der Produkte ebenfalls relativ klimafreundlich. Allerdings müsste mehr CO₂ geologisch gespeichert werden (siehe Abschnitt über CCS). 

Da alle klimafreundlichen Produktionsverfahren ihre Grenzen haben, sollte immer auch geprüft werden, ob der Bedarf an kohlenstoffhaltigen Produkten reduziert werden kann.

Carbon Dioxide Removal (CDR) bezeichnet die Entnahme und dauerhafte Speicherung von CO₂ aus der Atmosphäre. Dadurch kommt es zu sogenannten negativen Emissionen: der CO₂-Gehalt der Atmosphäre sinkt. CDR wird benötigt, um nicht vermeidbare Restemissionen auszugleichen, zum Beispiel aus der Landwirtschaft. Außerdem deuten Klimaszenarien darauf hin, dass ab Mitte des Jahrhunderts mehr CO₂ aus der Atmosphäre entnommen werden muss, als noch ausgestoßen wird (sogenannte netto-negative Emissionen), um den globalen Temperaturanstieg auf unter 2°C zu begrenzen.

Es gibt verschiedene CDR-Verfahren. Sie unterscheiden sich dadurch, wie CO₂ aus der Atmosphäre aufgefangen wird und wie das CO₂ oder der daraus erzeugte Kohlenstoff gespeichert wird. 

Das bekannteste CDR-Verfahren ist die Aufforstung: Bäume nehmen CO₂ aus der Luft auf und speichern den Kohlenstoff langfristig im Holz. Allerdings nur, solange der Wald nicht abbrennt oder Schädlinge ihn befallen. Dann kann der gespeicherte Kohlenstoff wieder als CO₂ in die Atmosphäre gelangen. Diese Risiken steigen, je weiter der Klimawandel voranschreitet. Zudem ist der hohe Flächenbedarf ein weiterer Nachteil. 

Andere CDR-Verfahren nutzen CCS (siehe Abschnitt über CCS): Sie speichern abgeschiedenes CO₂ in geologischen Lagerstätten. Hier ist das Risiko geringer, dass das CO₂ wieder in die Atmosphäre entweicht. 

Die CO₂-Entnahme aus der Atmosphäre mit technischen Anlagen bezeichnet man als Direct Air Capture. Das ist allerdings sehr aufwändig und erfordert viel Energie. Eine weitere Möglichkeit ist, CO₂ aus Bioenergieanlagen abzuscheiden und zu speichern.

Bei den meisten CO₂-Entnahmeverfahren besteht noch großer Forschungsbedarf: Wie viel CO₂ können sie in welchem Zeitraum aus der Atmosphäre entfernen? Was kostet das? Wie viel Energie wird dafür benötigt? Wie lange bleibt das CO₂ gebunden? Und welche Umweltauswirkungen sind zu erwarten? Zu diesen Fragen gibt es erste Einschätzungen aus der Wissenschaft, aber die Wissenslücken sind noch groß. Bei technischen Verfahren wie Direct Air Capture, also der direkten CO₂-Entnahme aus der Atmosphäre, besteht teilweise noch erheblicher Entwicklungsbedarf, um die Technologien effizienter und kostengünstiger zu machen.

CDR-Technologien erzeugen negative Emissionen; das heißt, es wird CO2 aus der Atmosphäre entfernt. Sie sind also „das Gegenteil“ von Emissionen. CDR kann dazu dienen, unvermeidbare Restemissionen auszugleichen. So entstehen etwa in der Landwirtschaft auf einer großen Fläche Treibhausgase, die man nicht direkt am Entstehungsort auffangen kann. Da sich nicht alle Emissionen vermeiden lassen, wäre Klimaneutralität ohne CDR nicht möglich.

Wie viel CDR erforderlich ist, hängt auch davon ab, wie schnell es gelingt, die Emissionen zu reduzieren. Wird in den nächsten Jahren zu viel CO2 emittiert, muss mit CDR nachträglich wieder CO2 aus der Atmosphäre entfernt werden, um den globalen Temperaturanstieg auf unter 2°C zu begrenzen. Szenarien vom Weltklimarat  zeigen, dass dies höchstwahrscheinlich erforderlich ist.

Die Erwartungen an CDR dürfen aber nicht zu hoch sein. Die Verfahren sind teilweise teuer und energieintensiv oder ihre Potenziale sind begrenzt, weil sie viel Fläche brauchen. Fachleute gehen davon aus, dass CDR nur wenige Prozent unserer heutigen Emissionen zukünftig ausgleichen kann. Daher müssen wir den Großteil unserer Emissionen vermeiden.

Das Kohlenstoffmanagement umfasst Verfahren und Ansätze, um CO₂ aus der Atmosphäre fernzuhalten, es wieder zu entfernen oder es als Kohlenstoffquelle zu nutzen, um damit fossile Rohstoffe zu ersetzen. Oft reden Fachleute von drei Bausteinen: 

• Carbon Capture and Storage (CCS): die Abscheidung und unterirdische Speicherung von CO₂
• Carbon Capture and Utilization (CCU): die Abscheidung und Nutzung von CO₂, zum Beispiel um Kunststoffe oder Kraftstoffe herzustellen
• Carbon Dioxide Removal (CDR): die CO₂-Entfernung aus der Atmosphäre und dessen langfristige Speicherung

Verfahren und Ansätze zählen hingegen nicht zum Kohlenstoffmanagement, wenn sie von vorneherein vermeiden, dass Treibhausgase und insbesondere CO₂ neu entstehen. Zum Beispiel kann ein Energieversorger erneuerbare Energien statt Kohlekraftwerke nutzen, um Strom zu produzieren. Dann wird weniger Kohle verbrannt und es entsteht weniger CO₂. 

Die folgende Grafik zeigt, welche Ansätze und Verfahren zum Kohlenstoffmanagement gehören – und welche nicht. CCU ist in der Grafik nicht abgebildet, denn hier kommt es auf den Einzelfall an. Es kann die Emission von entstandenem CO₂ vermeiden, nur verzögern, oder sogar zu negativen Emissionen führen und somit zum Ausgleich von Restemissionen beitragen. 

Dies ist eine interaktive Grafik: Um mehr zu erfahren, klicken Sie auf die Pfeile, die sich jeweils in den drei Kästen befinden. 

(Grafik: Energiesysteme der Zukunft (ESYS); Illustration by Figures GmbH)

Wir brauchen Kohlenstoffmanagement, um CO₂ aus der Atmosphäre fernzuhalten, es wieder zu entfernen oder es als Kohlenstoffquelle zu nutzen. Denn nach heutigem Wissen lässt es sich in einigen Bereichen weiterhin nicht vermeiden, dass CO₂ und andere Treibhausgase entstehen. Dazu zählen die Zement- und Kalkindustrie, die Abfallverbrennung und die Landwirtschaft. 

Um klimaneutral zu werden, dürfen die Treibhausgase nicht in die Atmosphäre gelangen, oder sie müssen ausgeglichen werden. Darüber hinaus muss ab Mitte des Jahrhunderts voraussichtlich mehr CO₂ aus der Atmosphäre entfernt werden als noch emittiert wird, um den Temperaturanstieg bei unter 2°C zu stabilisieren (siehe Abschnitt über CDR).

Außerdem werden zukünftig kohlenstoffhaltige Produkte benötigt, die heute größtenteils aus Erdöl hergestellt werden, etwa Kunststoffe, Kosmetikprodukte, Farben und Lacke. Neben Recycling und Biomasse kann CO₂ hier als nicht-fossile Kohlenstoffquelle dienen (siehe Abschnitt über CCU).

In welchem Umfang Kohlenstoffmanagement benötigt wird, hängt davon ab, wie schnell und umfassend die Entstehung von CO₂ und anderen Treibhausgasen in allen Bereichen reduziert wird. Dabei kommt es auf technologische Entwicklungen an (zum Beispiel Ersatz von Zement durch klimafreundlichere Baustoffe) und auf die gesellschaftliche Bereitschaft zu Verhaltensänderungen (zum Beispiel Reduktion des Flugverkehrs).

Fachleute sind sich einig, dass Kohlenstoffmanagement ein notwendiger, aber eher kleiner Baustein des Klimaschutzes ist. Der weitaus größte Teil der heutigen Emissionen muss vermieden werden.