Technik gegen den Klimawandel Direct Air Capture and Storage: CO2 wird im großen Maßstab zurückgeholt

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Erste Großanlagen können tausende Tonnen CO2 pro Jahr aus der Atmosphäre filtern. Forschende erwarten, dass diese Technologien bis 2050 einen messbaren Beitrag gegen Klimawandel und Treibhauseffekt erbringen.

Die Luftfilter der CO2-Filteranlage Orca aus Island sind etwa hausgroße, graue Kästen mit einem Lamellenvorhang, die über Eck stehen und durch Rohrleitungen miteinander verbunden sind.
Schon jetzt kann die Anlage Orca auf Island 4000 Tonnen CO2 pro Jahr aus der Luft filtern. Ihr Nachfolger Mammoth soll noch einmal die neunfache Menge davon schaffen. Bildrechte: Climeworks

In Bezug auf den Klimawandel gibt es nicht nur schlechte Nachrichten. Beispielsweise bei den globalen CO2 Emissionen: Zwar nehmen diese nach einem kurzen Rückgang während des ersten Coronajahres 2020 nun wieder zu (zum Rückgang hatte vor allem die Einstellung des Flugverkehrs beigetragen). Doch der Blick über die vergangenen 20 Jahre zeigt: In den weit entwickelten Weltregionen, Europa und den USA, sinkt der Ausstoß langfristig kontinuierlich – wenngleich auch langsam und auf hohem Niveau.

Gegen den Klimawandel: CO2-Filterung aus der Luft wird ein lohnendes Geschäft

Deshalb weisen Klimaforscher darauf hin, dass die aktuellen Bemühungen nicht schnell genug vorangehen, um das 1,5 Grad Ziel zu erreichen. In seinem aktuellen Bericht forderte der Weltklimarat IPCC, in großem Maßstab technische Anlagen aufzubauen, die CO2 aus der Atmosphäre zurückholen und sicher im Boden lagern können.

Und hier gibt es die zweite gute Nachricht: Die "Direct Air Capture and Storage" (DACS) genannte Technologie existiert. Erste Anlagen holen schon heute mehrere tausend Tonnen CO2 pro Jahr zurück. In wenigen Jahrzehnten soll diese Kapazität den Gigatonnen-Maßstab erreichen. Das entspräche bereits der heute ausgestoßenen CO2-Menge eines modernen Industrielandes wie Deutschland.

Bis zum Ende des Jahrhunderts könnten solche Anlagen dann in etwa den gleichen Beitrag leisten wie die global neu angepflanzten Waldflächen. Schon sehr viel schneller dürfte sich die CO2-Absaugung und Einlagerung zu einem lohnenden Geschäft entwickeln. Denn die Betreiber rechnen damit, dass ihre Anlagen schon in Kürze wirtschaftlich arbeiten, wenn die Betriebskosten für Abscheidung und Einlagerung unter die Preise für CO2-Zertifikate gesunken sind. Auf der Technology Readiness Skala (siehe Infokasten) hat die Technologie damit die finalen Stufen erreicht: Sie wird in der Praxis im kommerziellen Betrieb angewendet und weiter verbessert.

Technology Readiness – Die Skala für Technologie-Entwicklung Von der ersten theoretischen Studie über den Prototyp bis zum Serienprodukt: Forscher, Ingenieure und Institute verwenden die Technology Readiness Skala, um zu beschreiben, wie weit eine Technologie fortgeschritten ist. Die ursprünglich von der US-Weltraumbehörde Nasa entwickelte Skala teilt die Entwicklung einer neuen Technik in neun Stufen ein. Die ersten drei Stufen umfassen dabei meist die Arbeit, die an Universitäten geleistet wird. Forscher beobachten ein Prinzip, formulieren eine Anwendung und weisen dessen Funktionsfähigkeit in einem Experiment nach. Während der Level vier bis sechs wird die neue Technologie dann in einem Prototyp umgesetzt und dieser Prototyp zum ersten Mal in einer realen Einsatzumgebung aufgebaut. Besteht er, folgen schließlich die Schritte sieben bis neun. Dabei wird die Technologie im großen Maßstab auf dem Markt ausgerollt und von den Endanwendern genutzt.

Anlage Mammoth wird 36.000 Tonnen CO2 aus der Atmosphäre zurückholen

Zwei Mönner gehen auf einer Straße auf die Climeworks CO2 abscheideanlage Orca auf Isalnd zu. Die Anlage besteht aus einer grauen lagerhalle links und mehreren großen grauen Kästen mit Ventilatoren zum Ansaugen von Luft rechts davon.
Die Anlage Orca von Climeworks. Bildrechte: Climeworks

Die größte derzeit bereits kommerziell arbeiten Anlage heißt "Orca", steht auf Island und ist im September 2021 in Betrieb genommen worden. Erbauer und Betreiber ist das Schweizer Unternehmen Climeworks. Beim sogenannten "temperature–vacuum swing adsorption" Verfahren saugen zunächst riesige Ventilatoren Umgebungsluft an. Filter halten dann das CO2 fest, das in einem nächsten Schritt bei Temperaturen um 100 Grad Celsius aus den Filtern und in Wasser gelöst wird. Das CO2-haltige Wasser wird dann in einem nächsten Schritt vom isländischen Partnerunternehmen Carbfix in tiefen Vulkangesteinsschichten eingelagert.

Auf diese Weise soll Orca etwa 4000 Tonnen CO2 pro Jahr aus der Atmosphäre holen. Das ist noch nicht besonders viel, die Menge entspricht etwa den jährlichen Emissionen von 500 Personen in Deutschland oder 870 Pkw. Doch der nächste Vergrößerungsschritt um den Faktor neun ist bereits in der Umsetzung. Im Juni 2022 haben die Bauarbeiten für Mammoth begonnen, die 2024 in Betrieb gehen und 36.000 Tonnen CO2 pro Jahr aus der Luft holen soll. Beide Anlagen werden durch das direkt benachbarte Geothermie-Kraftwerk Hellisheidi mit grünem Strom und Wärme versorgt.

Klimapositiv: Anlagen holen deutlich mehr CO2 zurück, als Aufbau und Betrieb benötigen

Illustration der geplanten CO2 Abscheideanlage Mammoth der Firma Climeworks auf Island.
So soll die geplante Anlage Mammoth auf Island einmal aussehen. Bildrechte: 2022_Climeworks

Bis 2030 will Climeworks CO2-Abscheidung im Bereich von Megatonnen installieren, also mehr als einer Millionen Tonnen CO2 pro Jahr. Bis 2050 soll der Bereich von Gigatonnen erreicht werden, also mehreren Milliarden Tonnen. Damit könnte ein wirklich messbarer Einfluss auf das Klima erreicht werden. Aber schon heute gelingt es solchen Anlagen, mehr CO2 aus der Atmosphäre zu holen, als Aufbau und Betrieb gekostet haben. "Unter den typischen Betriebsbedingungen sind diese CO2-Abscheidetechnologien klimapositiv", sagt Stefan Pauliuk, Professor für Nachhaltiges Energie- und Stoffstrommanagement an der Universität Freiburg.

Pauliuk hat zusammen mit seinem Team bereits im vergangenen Jahr die aktuell zwei gängigsten Verfahren von Direct Air Capture verglichen. Ergebnis: Je nach Verfahren gelang es den Anlagen, 73 bis 86 Prozent mehr CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen, als Bau und Betrieb verursacht hatten, die Energieversorgung mit Erneuerbaren Energien vorausgesetzt.

Problem CO2-Einlagerung: Entweichen birgt viele Gefahren

Während der Vorgang der CO2-Abscheidung also funktioniert, gilt das für Storage, die langfristige sichere Lagerung noch nicht im globalen Maßstab. "Die große, teilweise noch ungelöste Frage ist vor allem: Wie speichert man das CO2?", sagt Pauliuk. Viele bisherige Konzepte sahen vor, erschöpfte Erdgas- und Öllagerstätten zu verwenden. Das gefilterte CO2 müsste dafür stark komprimiert und in die Lagerstätten gepresst werde.

Bagger schaffen ein Baufeld auf Island. Im Hintergrund ist ein Geotheromie-Kraftwerk zu sehen, das von grauen Dampfwolken eingehüllt ist.
Baustelle für die Anlage Mammoth, im Hintergrund das Geothermiekraftwerk Hellisheidi. Bildrechte: Climeworks/Retouched

Doch aus Sicht von Kritikern ist oftmals unklar, wie stabil und sicher die Lager sind. "Das CO2 muss auch drin bleiben und zwar nicht nur für zehn, sondern für tausende Jahre. Es muss wirklich gut gebunden sein im Gestein darf nicht beim ersten Erdbeben wieder entweichen", sagt Pauliuk.

Ist eine Lagerstätte undicht, drohen eine ganze Reihe von Konsequenzen, bei denen ein Entweichen des CO2s in die Atmosphäre noch zu den vergleichsweise ungefährlichen möglichen Folgen gehört. Wie das Umweltbundesamt ausführt, könnte das entweichende Klimagas auch in tiefe Lagerstätten von salzigem Grundwasser gelangen und dieses Salzwasser nach oben drücken. Das würde das süße Grundwasser in Gefahr bringen.

Sichere geologische CO2-Einlagerung ist möglich – Strombasierte Technologien aber günstiger

Viel versprechend ist allerdings der Ansatz, den die Betreiber der Anlagen in Island gewählt haben. Dort wird das CO2-haltige Wasser in vulkanischem Gestein eingelagert. Dort sind Kalzium, Magnesium und Eisen enthalten, die mit dem gelösten CO2 reagieren und den Kohlenstoff im Lauf der Zeit in Kalziumkarbonat, also Kalk, verwandeln. Das CO2 versteinert gewissermaßen. Das Beispiel zeigt, sichere CO2-Lagerstätten gibt es. In Island ist das Verfahren sogar vergleichsweise günstig. Neun bis 16 Euro pro Tonne CO2 veranschlagt Carbfix laut einem Bericht der Neuen Züricher Zeitung für die Einlagerung.

"Es wird funktionieren und man wird diese Speichermöglichkeiten finden", ist sich deshalb auch Stefan Pauliuk sicher. Den Haken an der Sache sieht er im globalen Maßstab an einer anderen Stelle: "Was das genau kosten wird, weiß man jetzt noch nicht."

Der Nachhaltigkeitsforscher ist deshalb davon überzeugt, dass die Vermeidung von CO2-Emissionen nach wie vor der wirtschaftlichere Weg ist. "Sicher ist, im Moment gibt es viele andere, kostengünstigere Klimaschutztechnologien. Vorne dran, alles was mit Stromdirektnutzung zu tun hat, Wärmepumpen, Elektroautos und so weiter." In einigen Bereichen wie der Luftfahrt wird das allerdings nicht möglich sein, da Flugzeuge weder ausreichend große Batterien noch Wasserstofftanks mitführen werden können. Für solche Bereiche, die auf die Verbrennung organischer Kraftstoffe angewiesen bleiben, wird Direct Air Capture and Storage die wichtigtes Ergänzung sein, um Klimaneutralität zu erreichen.

Senkrecht ausgerichtete Solarmodule stehen auf einer hügeligen Wiese, im Hintergrund ist Wald zu sehen. mit Video
Senkrecht aufgestellte, zweiseitige Solarzellen wie diese Anlage im Saarland, können vor allem morgens und abends flach einstrahlende Sonne zur Stromerzeugung nutzen. So lässt sich der Bedarf an Stromspeichern reduzieren. Bildrechte: Next2Sun
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