Carbon capture and storage

Unter CO₂-Sequestrierung versteht man die Deponierung von Kohlenstoffdioxid (CO₂), das in Kraftwerken erzeugt wird, die mit fossilen Rohstoffen wie Kohle, Gas oder Öl betrieben werden. Die Sequestrierung ist Teil der Kohlendioxid-Abscheidung und -Lagerung (engl. carbon dioxide capture and storage) zur CO₂-armen Nutzung fossiler Rohstoffe bei der Stromerzeugung. Das Verbrennungsprodukt CO₂ soll abgetrennt und danach eingelagert werden, um nicht sofort in die Atmosphäre zu gelangen. Grund für diese Bemühungen ist der Wunsch, beispielsweise Kohlekraftwerke weiter betreiben zu können, obwohl diese sehr viel Treibhausgas Kohlenstoffdioxid erzeugen, das als eine der Hauptursachen für die globale Erwärmung angesehen wird.

Einordnung der CO₂-Sequestrierung

Als Sequestrierung im eigentlichen Sinne bezeichnet man die Einlagerung des CO₂. Die Abtrennung im Kraftwerksprozess kann mit unterschiedlichen Verfahren erfolgen, z. B. nach einer Kohlevergasung (CO₂-reduziertes IGCC-Kraftwerk), Verbrennung in Sauerstoffatmosphäre, oder CO₂-Wäsche aus dem Rauchgas. Als mögliche CO₂-Endlager gelten zum einen geologische Formationen wie Erdöllagerstätten, Erdgaslagerstätten, salzhaltige Grundwasserleiter (so genannte Aquifere) oder Kohleflöze. Aber auch eine Lagerung in der Tiefsee wird untersucht.

Momentan befindet sich die CO₂-Sequestrierung allerdings noch im Entwicklungsstadium. Bislang existieren nur Pilotanlagen mit geringer Leistung, auch die Frage der sicheren Endlagerung ist noch nicht eindeutig geklärt. Ein großtechnischer Einsatz erscheint frühestens in 10–20 Jahren als möglich.^[1]

Auf EU-Ebene wird zur Zeit (2008) eine Regulierung der geologischen Lagerung vorbereitet. Der von der EU-Kommission im Januar 2008 vorgelegte Richtlinienentwurf soll in erster Linie die Auswahl und die Genehmigungsverfahren für Lagerstätten einheitlich regeln. Aber auch eine verpflichtende Nutzung in neuen Kraftwerken und das Nachrüsten bestehender ist in der Diskussion.^[2]

Möglichkeiten zur Abscheidung des Kohlenstoffdioxids

Abscheidung in konventionellen Kohlekraftwerken

In den meisten Kohlekraftwerken verlässt das Rauchgas nach der Entschwefelung den Schornstein, wodurch das CO₂, das einen Anteil von etwa 15 Prozent ausmacht, in die Atmosphäre gelangt. Bei einem herkömmlichen Kohlekraftwerk entsteht aus 0,32 kg Steinkohle ca. 0,88 kg Kohlenstoffdioxid und 1 kWh elektrischer Strom bei einem Wirkungsgrad von 38 %. Zur Erzeugung der gleichen Strommenge muss zusätzliche Kohle zur Erzeugung von Wärmeenergie für die Abtrennung von Kohlenstoffdioxid verwendet werden; dies verschlechtert den Wirkungsgrad. Zur Abtrennung des CO₂ könnte man nach der Entschwefelung einen Amin-Wäscher oder eine Carbonat-Wäsche installieren, dieses Verfahren wird auch Post-Combustion-Capture genannt. Dort könnte das CO₂ z. B. durch fein verteilte Amin-Tröpfchen absorbiert werden. In einem zweiten Schritt würden die Amine oder das Hydrogencarbonat in einen Abscheider (Stripper) gelangen, wo sie erhitzt würden, sodass das CO₂ wieder in konzentrierter Form frei wird, das dann eingelagert oder für eine chemische Umsetzung mit Wasserstoff in der Methanolsynthese umgesetzt werden kann.

Bei der Aminwäsche wird Kohlenstoffdioxid bei 27 °C an den Träger angelagert, bei 150 °C vom Träger wieder abgegeben. Bei der Carbonatwäsche erfolgt die Anlagerung bei ca. 40 °C und die Abspaltung bei 105 °C. Die Kohlenstoffdioxid-Abtrennung liegt bei ca. 90 %.^[3] Die Amine oder die Pottasche können dann erneut zur Absorption verwendet werden. Diese Abscheidemethode ist technisch am ausgereiftesten. Hauptnachteil ist jedoch der hohe Energiebedarf, der für die Regenerierung der Amine notwendig ist. Dieser führt dazu, dass der Kraftwerkswirkungsgrad um 10–15 % sinkt. Bei einem herkömmlichen Kohlekraftwerk sinkt dabei der Gesamtwirkungsgrad von 38 auf ca. 23 %, was einen 66 % höheren Kohlebedarf für die gleiche Stromproduktion bedeutet. Beim herkömmlichen Kraftwerk ist dieser Weg daher nicht sinnvoll.

Ein weiteres Verfahren, welches den derzeitig geringsten Wirkungsgradverlust von 5 % (incl. CO₂-Kompression) ^[4] aufweist, ist das Carbonat-Looping-Verfahren (bzw. Lime-Loop-CO2-Reduction-Verfahren). Bei diesem Verfahren wird Kalk als Kreislaufmedium für den Prozess eingesetzt. Entsprechend findet man in dem Prozess die zwei Calciumverbindungen CaCO₃ und CaO. Da der Prozess in einem Temperaturbereich von 650-900°C abläuft, kann die gesamte, dem Prozess zugeführte Energie zur Stromproduktion genutzt werden. Hieraus ergibt sich auch der sehr geringe Wirkungsgradverlust. Durch technische Innovationen scheinen Wirkungsgradverluste von unter 1 % (ohne CO₂-Kompression), bzw. unter 3% (mit CO₂-Kompression) erreichbar. Aktuell werden mehrere Versuchsanlagen weltweit betrieben.

Leicht bessere Wirkungsgrade lassen sich mit modernen GuD-Kraftwerken erzielen. Ein modernes GuD-Steinkohlekraftwerk hat einen Wirkungsgrad von ca. 45 %, durch die Amin- oder Carbonatwäsche sinkt der Wirkungsgrad auf dann 30–35 %, was jedoch immer noch einen um bis zu 50 % höheren Kohleverbrauch für dieselbe Stromproduktion bedeutet.

Für chemische Synthesen erscheint es energetisch sinnvoll, das Kohlenstoffdioxid mit Kohle zu Kohlenmonoxid (Boudouard-Gleichgewicht) umzuwandeln.^[5] Für die Methanolherstellung würde jedoch zusätzlich Wasserstoff benötigt werden.

Auch mit organischen Lösungsmitteln kann das Kohlenstoffdioxid aus dem Rauchgas entfernt werden. Z. B. mit Methanol (Rectisolwäsche), N-Methylpyrrolidin (Purisolwäsche) oder Polyethylenglykoldimethylether (Selexol-Wäsche). Der Abscheidegrad von Kohlenstoffdioxid bei einem Steinkohlekraftwerk liegt mit diesen Verfahren bei bis zu ca. 95 %.

Abscheidung in IGCC-Kombikraftwerken

In Kombikraftwerken mit integrierter Kohlevergasung (Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC) und CO₂-Abtrennung (Carbon Dioxide Capture and Storage, CCS) reagiert die Kohle in einem ersten Schritt (Vergasen, partielle Oxidation) durch unterstöchiometrische Wasserzugabe zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid. Mit Hilfe geeigneter Katalysatoren kann Kohlenstoffmonoxid und Wasserdampf zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff reagieren (homogene Wassergasreaktion). Dadurch kann ein Gasgemisch gewonnen werden, das hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid besteht. Bedingt durch die Vergasung bei Drücken bis 60 bar, kann eine hohe CO₂-Konzentration und damit ein hoher CO₂-Partialdruck im Gasgemisch eingestellt werden. Unter diesen Bedingungen kann CO₂ mit erprobten Verfahren aus dem Gasgemisch absorbiert werden (physikalische Absorption). Dieses Verfahren wird als Pre-Combustion-Capture bezeichnet, da das CO₂ vor der Verbrennung entfernt wird. Die Entschwefelung erfolgt nach dem gleichen Prinzip (Abtrennung von Schwefelwasserstoff). Das so aufbereitete Brenngas besteht danach überwiegend aus Wasserstoff (bis 90 Vol.-% möglich) und kann in einem GuD-Prozess genutzt werden. Hierfür ist allerdings noch die Entwicklung einer Wasserstoff-Turbine notwendig, die heute noch nicht kommerziell angeboten wird. Da IGCC-Kraftwerke ohne CO₂-Abscheidung bereits mit technischen Problemen zu kämpfen haben, wird es bis zur Marktreife dieser Technologie jedoch noch einige Jahre dauern. Berechnungen zu Folge hat diese Variante der CO₂-Abscheidung den geringsten Wirkungsgradverlust (< 10 %-Punkte). Der Energieversorger RWE hat 2006 angekündigt, bis 2014 ein Kraftwerk solchen Typs mit CO₂-Abscheidung in Deutschland errichten zu wollen.

Zur Zeit werden im Rahmen des COORIVA-Verbundvorhabens (COORETEC-Programm) in Deutschland unterschiedliche Optionen für IGCC-Kraftwerke mit CO₂-Abtrennung untersucht.

Abscheidung im Oxyfuel-Verfahren

Im Oxyfuel-Verfahren wird die Kohle in einer Atmosphäre aus reinem Sauerstoff und CO₂ (rezirkulierendem Rauchgas) verbrannt. Das dabei entstehende Rauchgas ist nicht mit Luft-Stickstoff verdünnt und besteht im Wesentlichen aus CO₂ und Wasserdampf. Der Wasserdampf kann mit wenig Aufwand auskondensiert werden, so dass ein hochkonzentrierter CO₂-Strom (Konzentration im Idealfall nahe 100 %) übrigbleibt. Das CO₂ kann dann verdichtet und zum Lager transportiert werden. Nach erfolgreichem Test in einer Versuchsanlage wurde im September 2008 eine Pilotanlage zur CO₂-Sequestrierung mit einer Leistung von 30 MW_thermisch im Industriepark Schwarze Pumpe in unmittelbarer Nähe zum Kraftwerk Schwarze Pumpe in Betrieb genommen.

Auch beim Oxyfuelverfahren sinkt der elektrische Wirkungsgrad gegenüber einer Anlage ohne CO₂-Abscheidung um ca. 10 Prozentpunkte, was je nach Wirkungsgrad des zugrundeliegenden Prozesses einem 30–50 % höheren Kohlebedarf entspricht. Hauptenergieverbraucher ist in diesem Fall die Luftzerlegungsanlage für die Sauerstoffproduktion.

Weitere Möglichkeiten

Am einfachsten lässt sich CO₂ in Anlagen, die CO₂ von Erdgas trennen, abscheiden, weil es dort in sehr reiner Form auftritt. Erste Versuche zur CO₂-Sequestrierung sind daher auf diesen Bereich und nicht auf Kohlekraftwerke angelegt, so z. B. in Norwegen (Sleipner) oder der algerischen Sahara (In-Salah).

Durch die steigende Nachfrage nach Erdöl wird die Kohleverflüssigung zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen für Treibstoffzwecke rentabler. Dabei fallen große Mengen an CO₂ an, weil die pro Kohlenstoffatom gebundene Energiemenge im Produkt (Kohlenwasserstoff) wesentlich größer ist als im Rohstoff (Kohle). Im Prozess muss also Primärenergie übertragen werden. Ein Teil des Kohlenstoffs wird energetisch aufgewertet (reduziert), ein anderer zur Energiefreisetzung oxidiert.

Weitere Programme erforschen Möglichkeiten, das Kohlenstoffdioxid mittels chemischer Absorber direkt aus der Luft zu filtern.

Die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) empfiehlt als effizienteste Abscheidungsmethode die Erzeugung und Deponierung von Biomasse, insbesondere Holz.(siehe Alternativen)

CCS-Ready

Im Zusammenhang mit dem Neubau von Kohlekraftwerken werden zunehmend die Begriffe „CCS-Ready“ bzw. „Capture-Ready“ diskutiert, die bescheinigen sollen, dass der Kraftwerksneubau für nachträgliche Installationen zur Abscheidung vorbereitet ist. Diese Begriffe sind allerdings derzeit nicht gesetzlich geschützt oder auch nur genau definiert. Da für den Aufbau der Abscheidung jedoch Flächen benötigt werden, die in etwa der ursprünglichen Kraftwerksfläche entsprechen, sollten bei einem Kraftwerksneubau oder einer Renovierung zumindest diese Flächen vorhanden und für die Nutzung freigegeben sein. Ferner muss der Zugang zu einem Lager entweder direkt am Kraftwerksstandort oder über eine Pipeline gegeben und der Nachweis tatsächlich vorhandener Lagerkapazitäten erbracht sein. Ein Kraftwerksneubau ohne diese Voraussetzungen kann auf keinen Fall geltend machen, „CCS-Ready“ zu sein.

Mögliche CO₂-Lagerstätten

Von den meisten Forschern auf dem Gebiet der CO₂-Sequestrierung wird eine Lagerung in tiefen Sedimentschichten, deren Poren mit Salzwasser gefüllt sind, favorisiert. Ab ca. 800 m Teufe treten Drücke auf, bei denen das eingebrachte CO₂ optimal verdichtet ist. Damit ein erneutes Zutagetreten des Kohlenstoffdioxids praktisch ausgeschlossen ist, müssen diese Schichten durch eine undurchlässige Deckschicht abgedeckt sein. Durch den dort herrschenden Druck besitzt das CO₂ eine etwa so große Dichte wie das Salzwasser, wodurch es dieses aus den Poren verdrängen kann. Bei der Nutzung tiefer Aquifere steht die Sequestrierung allerdings im Wettbewerb mit anderen Nutzungen, beispielsweise der Nutzung dieser Aquifere zur nachhaltigen Stromerzeugung aus Geothermie. Fragen der Umweltschädlichkeit der Endlagerung großer Mengen von CO₂ in Aquiferen sind noch nicht untersucht. Da in Deutschland die Deponierung von Abfällen grundsätzlich nicht gestattet ist, sind auch rechtliche Fragen noch zu klären.

Kohlenstoffdioxid kann in Form von Karbonaten gelagert werden, die auch offen deponiert werden könnten. Als Ausgangsstoffe kommen hierfür in erster Linie Silikate der Erdalkalimetalle in Frage. Diese lassen sich mit gelöster Kohlensäure exotherm zu Karbonaten und Kieselsäuren umsetzen. Besonders erfolgversprechend sind nicht-polymerisierte oder niedrig-polymerisierte Silikate wie Olivine, Pyroxene und Pyroxenoide, so z. B. Forsterit, Monticellit, Wollastonit, Diopsid oder Enstatit, weniger dagegen Schicht-Silikate wie die Serpentine. Problematisch ist dennoch die langsame Reaktionsgeschwindigkeit. Zu deponierende Produkte wären Magnesium- oder Calcium-Carbonat und aus der Kieselsäure ausgefälltes Silicium-Dioxid.

Forscher der New Yorker Columbia University konnten nachweisen, dass in bestimmten Peridotit-Gesteinen chemische Reaktionen stattfinden können, die Kohlenstoffdioxid im Gestein in Form von Carbonaten binden.^[6] Die Forscher halten es für möglich, in Peridotit-Gesteinen über noch zu entwickelnde technische Methoden Milliarden Tonnen von Kohlenstoffdioxid zu binden und damit aus der Erdatmosphäre zu entfernen.

Man kann Kohlenstoffdioxid auch in tiefe, nicht-abbaubare Kohleflöze injizieren. Der Vorteil dieser Methode ist, dass das CO₂ an der Kohle sorbiert (durch schwache physikalische Wechselwirkungen fixiert) wird. Das in der Kohle normalerweise enthaltene so genannte Flözgas Methan wird dadurch verdrängt und kann als relativ saubere Energiequelle gefördert und genutzt werden.

Derzeit wird der Austausch von Methan-Hydraten in Sedimentschichten am Meeresboden gegen CO₂ erforscht. Der kommerzielle Abbau von Gashydrat-Lagerstätten zwecks Gewinnung des fossilen Energieträgers wurde bisher nur in einem westsibirischen Permafrostvorkommen realisiert. In Japan, USA, Kanada, Südkorea, China, Indien und anderen Staaten werden jedoch umfangreiche Förderprogramme aufgelegt, die darauf abzielen, in ca. 10 Jahren mit dem großflächigen Abbau von submarinen Hydratlagerstätten zu beginnen. Das Leibniz-Institut für Meereswissenschaften an der Universität Kiel hat zum Ziel, den großen Schaden am Weltklima abzuwenden, indem das dem Meeresboden entnommene Methan gegen CO₂ ausgetauscht wird.

Gesetzentwurf CCS

Die CO₂-Sequestrierung unterliegt nur dann dem Berggesetz, wenn die CO₂-Sequestrierung im Rahmen traditioneller Bergbauaktivitäten beispielsweise zur Förderung von Öl oder Gas eingesetzt wird.^[7] Da die Sequestrierung auf Grund des Deponierungsverbots nicht über die Gesetzgebung zur Abfallwirtschaft geregelt werden kann, ist die Schaffung eines separaten Gesetzes nötig.

Im derzeitigen Gesetzentwurf (Stand 1. April 2009) wird der CO₂-Sequestrierung eine Vorrangnutzung des unterirdischen Raums eingeräumt. Dies wird insbesondere von der Geothermischen Vereinigung kritisiert, da dadurch die Entwicklung der Geothermie, die Erschließung von Bodenschätzen und der Betrieb von Speicherkraftwerken und Gaslagern stark behindert werde.^[8] Als problematisch wird auch die Regelung der Haftungsfrage gesehen: Im aktuellen Gesetzesentwurf wird festgelegt, dass die Haftung 30 Jahre nach Schließung der Lagerstätte auf den Staat übergehen soll.

Forschungsprogramme

In vielen Industrieländern der Erde wird die CO₂-Sequestrierung erforscht. Die Europäische Union hat ihren bisherigen Forschungsetat für diesen Bereich von 30 auf 200 Millionen Euro aufgestockt. Auch in den USA existiert bereits seit 1997 ein derartiges Forschungsprogramm.

In der Bundesrepublik Deutschland wird in Forschungsprojekten im Rahmen der Programme Geotechnologien und Cooretec untersucht, wie der notwendige Kraftwerksneubau in Deutschland von 40 GW (etwa 1/3 der Engpassleistung aller deutschen Kraftwerke) so gestaltet werden sollte, dass die notwendige Reduzierung der CO₂-Emissionen erreicht werden kann. So müssen insbesondere die Wirkungsgrade der Kraftwerke maximiert werden, weil so der CO₂-Anfall an der Quelle minimiert wird. Weiterhin erprobt man die Realisierung von Kraftwerkstechnologien mit CO₂-Abtrennung (Prognose: Ersteinsatz bis 2030) sowie Möglichkeiten, das Gas aus den Rauchgasen konventioneller Kraftwerke abzuscheiden. Zuletzt wird nach Möglichkeiten gesucht, das abgetrennte CO₂ dauerhaft und sicher zu lagern.

Die möglichen Lagerungskapazitäten für CO₂ werden für die Bundesrepublik Deutschland mit etwa 22 Gt (Gigatonnen) angenommen, diese Annahmen sind aber noch nicht abschließend geklärt. Umfangreiche Untersuchungen dazu finden sich bei der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR). [3]

Auf EU-Ebene wurde die Technologieplattform für CO₂-freie Kraftwerke (TP ZEFFPP) eingerichtet, die in internationaler Kooperation von Experten aus Nichtregierungsorganisationen, Wissenschaft und Industrie den Stand der Forschung untersucht und den Handlungsbedarf ermittelt, um die Vision CO₂-freier Kraftwerke umzusetzen. Dieses Gremium erarbeitet auch Vorschläge für die Ausrichtung des 7. Forschungsrahmenprogramms der EU. Hierzu ist allerdings anzumerken, dass der Begriff CO₂-freie Kraftwerke irreführend ist, es geht allenfalls um eine Reduzierung der CO₂-Abgabe in die Atmosphäre. Dies gilt insbesondere, wenn nicht nur das Kraftwerk, sondern die Stromerzeugung aus Kohle insgesamt betrachtet wird.

Am 10. und 11. März 2005 fand auf der internationalen Energiemesse ENERTEC ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit veranstalteter Workshop zu CO₂-Minderungstechnologien statt. Die Folien zu den Vorträgen können von [4] heruntergeladen werden. Dort wird vor allem der Stand zur CO₂-Sequestrierung dargestellt [5].

Vorteile und Chancen

Da auch stark zunehmende Nutzung regenerativer Energien und Energieeffizienzsteigerung auf der Erzeugungs- und Verbrauchsseite selbst unter optimistischen Annahmen fossile Energieerzeugung nur langfristig ablösen wird, wird die weltweite Stromversorgung noch auf Jahrzehnte - insbesondere auch in den Wachstumsländern China und Indien - auf fossile Primärenergieträger angewiesen sein. Es besteht mit der dauerhaften Einlagerung (Endlagerung) des Kohlenstoffdioxids daher gegebenenfalls eine Möglichkeit, die ansonsten zu erwartende steigende Belastung der Atmosphäre mit Treibhausgasen zu reduzieren.

In Sedimentschichten eingelagertes Kohlenstoffdioxid hätte auch (lokal begrenzt und in der Menge ohne Bedeutung) seine Vorteile: In fast erschöpften Erdöllagerstätten könnte man dadurch den Förderdruck erhöhen. Entsprechende Programme laufen bereits in Großbritannien (Nordsee) und den USA.

Setzt man Biomasse als Brennstoff ein, könnte man in Verbindung mit CCS CO₂ aus dem atmosphärischen Kreislauf entziehen. Damit ließen sich durch menschliche Aktivität verursachte CO₂-Emissionen sogar wieder aus der Atmosphäre entfernen.

Nachteile und Risiken

Der Wirkungsgradverlust am Kraftwerk führt zu einem um bis zu ca. 40 % erhöhten Brennstoffeinsatz zur Erzeugung der gleichen Strommenge. Hieraus resultieren neben hohen Kosten ein schnellerer Verbrauch teils ohnehin knapper Ressourcen und zusätzliche Umweltbelastungen durch Landschaftszerstörung (im Fall z. B. von Braunkohletagebau), den Transport, der Zunahme an Abwärme und die Emission anderer Schadstoffe (Feinstaub, Schwermetalle). Weitere Umweltfolgen entstehen durch erhöhten Anfall von Abwasser und Abfall als Folge des Abscheidungsprozesses. Diese lassen sich mit dem gegenwärtigen Kenntnisstand noch nicht quantifizieren.

Bei manchen Arten der Lagerung, insbesondere bei der Einleitung ins Meer, könnte das gelagerte CO₂ im Laufe von einigen 100 bis 1000 Jahren wieder in die Atmosphäre gelangen, so dass nur eine Verzögerung der Emission erreicht oder es im Extremfall sogar zu einer Erhöhung der CO₂-Emission kommen würde (aufgrund des erhöhten Brennstoffeinsatzes wird mehr CO₂ produziert als ohne Abscheidung). Auch bei einigen unterirdischen Lagern, die prinzipiell wesentlich zuverlässiger sind, ist die Dichtigkeit des Endlagers schwer einzuschätzen. Das Beobachten von CO₂-Lagern ist daher wichtiger Gegenstand der Entwicklung. Die Gefahr des allmählichen Ausgasens, das den klimapolitischen Effekt der CO₂-Sequestrierung womöglich unbemerkt zunichte machen würde, erschwert auch die Suche nach geeigneten Lagerstätten, denn der endgültige Verbleib des Gases muss natürlich gesichert sein (je nach Ansicht für mindestens 200 oder 10.000 Jahre). Die deutsche Bundesregierung hält aus klimapolitischer Sicht eine maximale Leckagerate von 0,01 % pro Jahr für akzeptabel^[9], bei der nach 1000 Jahren noch ca. 90 % des CO₂ im Endlager verbleibt.

Weit gefährlicher als das allmähliche Ausgasen des gelagerten Kohlenstoffdioxids wäre ein plötzliches Zutagetreten. Dadurch würden hohe CO₂-Konzentrationen erreicht werden, die erstickend wirken (siehe hierzu Nyos-Unglück). Aufgrund von Beobachtungen bei der Erdgasförderung kann das Auftreten von Erdbeben im Bereich der Lagerstätte, und damit evtl. ein solches Zutagetreten durch Risse oder an defekten Bohrlöchern nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden.

Die Einleitung großer Mengen CO₂ ins Meer kann massive ökologische Folgen haben, etwa durch Senkung des pH-Wertes oder die Bildung von „CO₂-Seen“ auf dem Meeresgrund, die das dortige Leben abtöten (siehe dazu auch Kohlenstoffzyklus, hier vor allem Kohlenstoffzyklus (Probleme technischer Lösungen)).

Die Verfahren zur CO₂-Sequestrierung verursachen zusätzliche Kosten in der Stromerzeugung. Die wirtschaftliche Machbarkeit hängt daher wesentlich von den im CO₂-Handel festgelegten Preisen der Emissionsrechte ab. Ziel des europäischen Emissionsrechtehandels ist die Förderung CO₂-mindernder Technologien, zu denen die CO₂-Sequestrierung gehört. Da die CO₂-Sequestrierung voraussichtlich erst 2020 großtechnisch zur Verfügung stehen wird, stellt sich von der Kostenseite her zusätzlich die Frage, inwieweit die Technologie dann noch mit erneuerbaren Energien konkurrieren kann. Den Erneuerbaren wird ein großes Kostensenkungspotenzial nachgesagt, wobei die CCS-Technologie zu einer deutlichen Verteuerung der Stromproduktion aus fossilen Energien führen wird. Mehrere Forschungsinstitute haben dazu im Auftrag des Umweltministeriums eine Studie durchgeführt, die zum Ergebnis hat, dass Strom aus Hochsee-Windenergieanlagen bereits ab 2020 günstiger sein könnte als Strom aus fossilen Kraftwerken mit CO₂-Sequestrierung^[10].

Wollte man das gesamte Kohlenstoffdioxid, das während der Lebensdauer von 40 Jahren eines konventionellen Kraftwerks auftritt, in Sedimentschichten lagern, bräuchte man dafür so große Reservoirs, dass das Kraftwerk nur an wenigen Stellen der Erde errichtet werden könnte (vornehmlich an Erdöllagerstätten). Forscher sind jedoch zuversichtlich, mittels noch zu entwickelnder besserer Erkundungsmethoden genügend Lagerstätten finden zu können. Letztendlich kann man die Sequestrierung und Endlagerung von Kohlenstoffdioxid als Strategie verstehen, den langfristigen Weiterbetrieb von Kohlekraftwerken zu ermöglichen.

Alternativen

Kritiker der CO₂-Sequestrierung wenden ein, dass andere Alternativen mit weniger Problemen behaftet, weiter entwickelt und zumindest langfristig billiger seien. Insbesondere werden hier genannt:

• Maßnahmen zur Energieeinsparung und Verbesserung der Energieeffizienz,
• ein Ausbau der erneuerbaren Energien und verstärkte Nutzung von Kernenergie. Der Vergleich der Kraftwerksparks von Deutschland und Frankreich zeigt, dass sich durch den ausschließlichen Einsatz von Kernkraftwerken die produzierte Menge CO₂ um den Faktor 10 reduzieren lässt. Dabei werden allerdings die systemimmanenten Gefahren der Atomkraftnutzung in Kauf genommen, einschließlich der nicht mehr möglichen Trennung friedlicher und militärischer Nutzung, und die nicht gelösten Fragen der Endlagerung verdrängt. Außerdem ist auf Grund von Beschränkungen bei der Urangewinnung, einem Mangel an Fachpersonal und den hohen Investitionskosten nicht mit einem starken Zubau an Kernkraftwerken zu rechnen.
• eine biologische Sequestrierung.

Biologische Sequestrierung

Die bisherigen Forschungen oder Vorhaben beschäftigen sich in der Regel nur mit der Lagerung von flüssigem oder gasförmigen CO₂ oder in Form von Trockeneis. Daneben gibt es aber auch die Möglichkeit, das CO₂ als Biomasse zu binden und als daraus gewonnenen Kohlenstoff zu speichern, also z. B. als Pyrogener Kohlenstoff in Form von Biokoks oder Schwarzerde (siehe auch Terra preta: Schwarzerde in Amazonien). Auf diese Aggregatform sind die meisten der oben genannten Kritikpunkte dann nicht mehr zutreffend. Dieser Umweg zeigt allerdings, dass es am effektivsten wäre, die fossilen Kohlenstoffablagerungen gleich unberührt liegen zu lassen, anstatt sie nachträglich wieder herzustellen.

Eine weitere mögliche Sequestrierung bietet Aufforstung, die laut der Gesellschaft Deutscher Chemiker (Mai 2004) sinnvoller und wesentlich preiswerter zu realisieren sei als die Abtrennung von CO₂ aus Abgasen. Allerdings wird nur dann CO₂ dauerhaft gebunden, wenn das erzeugte Holz nicht verbrannt wird oder verrottet, sondern zu Häusern oder Möbeln verbaut wird. Holz stellt eine lagerfähig gebundene Form des Kohlenstoffs dar, aus der auch eine verdichtete und vor Verrottung geschützte Speicherungsform hergestellt werden könnte. Wirksam wäre auch die Wiedervernässung von Mooren, da hier durch den Aufwuchs des Torfmooses im zusätzlich entstehenden Torf Kohlenstoff gebunden werden kann. Durch die Wiedervernässung kommt es zum Luftabschluss, was den Abbau der organischen Substanz und damit die erneute Freisetzung des CO₂ verhindert. Oftmals kommen derartige Maßnahmen auch anderen Zielen des Umweltschutzes zugute.

Privatpersonen können die CO₂-Sequestrierung durch Aufforstung mittels Spenden z. B.an den als gemeinnützig anerkannten Verein PrimaKlima-weltweit durchführen lassen.

Weiterhin wird derzeit die Düngung von Meeresgebieten mit Eisen erforscht. Damit soll das Wachstum von Algen befördert werden. Diese binden wie Pflanzen an Land CO₂, sinken danach idealerweise auf den Meeresgrund und verbleiben dort. Allerdings sind die Auswirkungen auf die dadurch stark beeinflussten Ökosysteme bisher weitgehend unbekannt und es ist unklar wie viel CO₂ durch diese Methode tatsächlich dauerhaft der Atmosphäre entzogen wird. Derzeit führt das Alfred-Wegener-Institut das Experiment LOHAFEX (siehe auch EisenEx) durch, um Erkenntnisse zu diesen Fragen zu gewinnen.

In geringem Umfang werden derzeit CO₂-Emissionen zur CO₂-Düngung von in Gewächshäusern angebauten Nutz- und Zierpflanzen genutzt, da eine höhere CO₂-Konzentration unter geeigneten Bedingungen das Pflanzenwachstum beschleunigt.

Kosten

Die Kosten der CO₂-Sequestrierung setzen sich zusammen aus:

• Kosten für die Abscheideanlagen
• Kosten für den Transport zu den Lagern
• Kosten für die Lagerung inklusive der Überwachung
• Kosten für den zusätzlichen Brennstoffeinsatz aufgrund des reduzierten Wirkungsgrads der Kraftwerke.

Die Höhe ist gegenwärtig noch nicht bekannt. Die IEA schätzt, dass die Kosten gegenwärtig bei 50 bis 100 US-Dollar pro Tonne abgeschiedenes CO₂ liegen, durch Forschungs- und Entwicklungsarbeit bis 2030 aber auf 25 bis 50 Dollar gesenkt werden können [6]. Da die Preise der CO₂-Zertifikate in der EU langfristig über 20 Euro gesehen werden, kann die CCS-Technologie somit die Wirtschaftlichkeit erreichen. Vorausgesetzt wird hierbei allerdings, dass andere Alternativen (z. B. erneuerbare Energieträger) nicht in ausreichendem Maße oder nur zu höheren Kosten zur Verfügung stehen.

Literatur

• A. Hüttermann, J.O. Metzger: Begrünt die Wüste durch CO₂-Sequestrierung. in: Nachrichten aus der Chemie. 52.2004,11, S. 1133-1138, ISSN 1439-9598
• Robert H. Socolow: Können wir das Klimaproblem begraben?. in: Spektrum der Wissenschaft. Heidelberg 03.2006, S. 72ff, ISSN 0170-2971
• Michael Kühn, Christoph Clauser: Mineralische Bindung von CO₂ bei der Speicherung im Untergrund in geothermischen Reservoiren. in: Chemie Ingenieur Technik. 78.2006,4, S. 425-434, ISSN 1522-2640
• Oliver Mayer-Spohn, Markus Blesl, Ulrich Fahl, Alfred Voß: Logistik der CO₂-Sequestrierung – Optionen für den CO₂-Transport. in: Chemie Ingenieur Technik. 78.2006,4, S. 435-444, ISSN 1522-2640
• Umweltbundesamt: Technische Abscheidung und Speicherung von CO₂ - nur eine Übergangslösung - Positionspapier zu möglichen Auswirkungen, Potenzialen und Anforderungen. in: Climate Change. 2006,4, S. 1-120 (s. auch unter weblinks unten).
• L. Dietrich: CO₂-Abscheidung und Ablagerung (CAA) im deutschen und europäischen Energieumweltrecht, Baden-Baden 2007, Forum Energierecht Bd. 12, zugl. Diss. Universität Osnabrück, 264 Seiten, ISBN 978-3-8329-2864-3
• IPCC Special report on CCS von 2005
• Internationale Energieagentur (IEA): CO₂ Capture and Storage -- A Key Carbon Abatement Option, Paris 2008, ISBN 978-92-64-041400 (Englische Summary)
• Prof. Lutz Wicke, "Mit CCS oder gar nicht", Artikel zur technischen Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Sequestrierung, der ein "Schweigekartell der Oberingenieure" analog zur Diskussion um die Abscheidung von Schwefeldioxid in den 70er Jahren ins Feld führt.

Einzelnachweise

1. ↑ Konrad Kleinknecht: Wer im Treibhaus sitzt, Piper, 2007, ISBN 978-3-492-05011-1
2. ↑ Europäisches Parlament: "EU-Klimaschutzpaket 2020: CO2-Abtrennung und Speicherung" (Website des Europäischen Parlaments, 14.05.2008)
3. ↑ Birgit Kessler, Jörg von Eysmondt und Heinrich Merten: Nutzung von CO₂ aus Rauchgas für chemische Synthesen, Chem.-Ing-Tech. 64 (1992) Nr. 12, S. 1076, VCH-Verlagsgesellschaft Weinheim
4. ↑ Abanades, Carlos Juan; Alonso, Mónica; Rodriguez, N.; González, Belén; Grasa, Gemma S.; Murillo, R. (Nov. 2008): Capturing CO2 from combustion flue gasses with a carbonation calcination loop. Experimental results and process development. Veranstaltung vom Nov. 2008, aus der Reihe "GHGT9". Washington DC.
5. ↑ Birgit Kessler, Jörg von Eysmondt und Heinrich Merten: Nutzung von CO₂ aus Rauchgas für chemische Synthesen, Chem.-Ing-Tech. 64 (1992) Nr. 12, S. 1078, VCH-Verlagsgesellschaft Weinheim
6. ↑ Peter B. Kelemen and Jürg Matter: In situ carbonation of peridotite for CO₂ storage . In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 2008 [1]
7. ↑ Dietrich und Schäperklaus, Der Raum wird knapp: über die Steuerbarkeit, Erdöl Erdgas Kohle 125. Jg. 2009, Heft 1
8. ↑ Stellungnahme der Geothermischen Vereinigung zum Entwurf des CCS-Gesetz (Stand 23. Februar 2009)
9. ↑ CO₂-Abscheidung und -Lagerung, Antwort der Bundesregierung auf eine Kleine Anfrage von Abgeordneten der Fraktion Bündnis 90/Die Grünen im Deutschen Bundestag, 18. April 2007 (PDF)
10. ↑ [2]

Weblinks

• Sequestrierung von CO₂: Technologien, Potenziale, Kosten und Umweltauswirkungen (PDF) - Externe Expertise von Christiane Ploetz im Auftrag des Wissenschaftlichen Beirats der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU)
• Kohlenstoffdioixid-arme Kraftwerke - Überblicksdarstellung der Wissenschaftlichen Dienste des Deutschen Bundestags
• Technische Abscheidung und Speicherung von CO₂ - nur eine Übergangslösung - Positionspapier des Umweltbundesamt (2006) als Kurz- oder Langfassung zum Herunterladen
• "Klimakiller in Dunkelhaft?" Interview zu den Perspektiven zur Verminderung und Entschärfung des Treibhausgases CO₂ auf dem Geowissenschaften-Portal planeterde
• Carbon Capture and Storage - Publikationen und Forschungsaktivitäten des Wuppertal Instituts
• CO₂ Capture & Storage von der Internationalen Energieagentur (IEA) (englisch)
• CO2NET - Europäisches Forschungsnetzwerk zur CO₂-Sequestrierung (englisch)
• Das Sleipner-Projekt der norwegischen Firma Statoil (Einlagerung von CO₂ im norwegischen Nordseee-Meeresgrund) (englisch)
• IFM-GEOMAR: SUGAR-Projekt Erforschung der CO₂-Sequestrierung in submarinen Gashydrat-Lagerstätten
• CCS in Europe Informationsseiten der EU-Kommission zur geplanten Regulierung von CCS
• CO2SINUS CO₂ Speicherung in vor Ort umgewandelten Kohleflözen - Forschungsprojekt an der RWTH Aachen
• Artikel der Technology Review zur CO₂-Sequestrierung in Peridotit