Einfangen und einsperren

Geoforscher zerstreuen Bedenken

Es ist ein Problem, zu dem Klaus Wallmann, Geowissenschaftler am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, seit Jahren forscht. Sein Team hat in Norwegen, wo das Klimagas seit 1996 in den Buntsandstein des Meeresbodens gepresst wird, CO₂-Deponien unter die Lupe genommen. Leckagen wurden keine gefunden. „Im porösen Sandstein gespeichertes CO₂ ist dünnflüssig und leichter als Wasser“, erläutert der Forscher. Dadurch entwickle es zwar einen Auftrieb, werde jedoch durch darüber liegende, mächtige Tonschichten am Entweichen gehindert: „Solange sich der Druckanstieg während des Verpressens unter dem vorgegebenen Grenzwert bewegt, bleibt die Deckschicht unversehrt und hält dicht“, sagt Wallmann.

Darüber hinaus haben die Wissenschaftler im Mittelmeer untersucht, wie das maritime Ökosystem reagiert, wenn CO₂ aus dem Meeresboden ins Wasser aufsteigt. Dort gibt es an vielen Orten CO₂-Emissionen mit vulkanischem Ursprung. In diesen Regionen löst sich das Klimagas kontinuierlich im Wasser – ein Problem vor allem für kalkschalenbauende Organismen wie Muscheln und Schnecken. Denn übersäuertes Wasser behindert die Kalkbildung. Entsprechend verarmt ist die Artenvielfalt im Umfeld dieser natürlichen Quellen. „Doch der Radius des Schadens ist gering“, erläutert der Kieler Geowissenschaftler. „Unsere Experimente haben ergeben, dass bei einer Leckrate von jährlich 30 Tonnen das Wasser im Umkreis von nur 50 Quadratmetern versauert.“ In der Nordsee sorge zudem die starke Tidenströmung für ein schnelles Abdriften und eine Verdünnung des Klimagases.

Ein Schwachpunkt der Deponierung unter der Nordsee sind allerdings verwaiste Bohrlöcher, von denen es über 15.000 gibt. Überall dort, wo nach Erdöl oder Erdgas gebohrt wurde, ist das umgebende Gestein der Deckschicht gestört. Will man ein darunter liegendes ehemaliges Gasfeld als CO₂-Endlager nutzen, muss das Bohrloch verschlossen und gestörtes Gestein abgedichtet werden. „Das kostet viel Geld, aber wenn man es sorgfältig macht, werden Emissionen vermieden“, sagt Wallmann. Doch selbst wenn es zu Leckagen kommen sollte, bleiben mehr als 99 Prozent des deponierten Klimagases auf Dauer im tiefen Untergrund – eine Einschätzung, die Bundeswirtschaftsminister Habeck teilt. Die Technologien rund um die Abscheidung und Lagerung von CO₂ seien „weitgehend ausgereift“, heißt es in dem Evaluierungsbericht seines Ministeriums zum CCS-Gesetz.

Ein Filter für Klimagase

So weit ist DACCS noch nicht – ein Verfahren, das CCS ähnelt. Das Kürzel DACCS steht für „Direct Air Capture and Storage“. Die Technologie, die sich dahinter verbirgt, spielt im Klimaschutz zwar noch keine Rolle, könnte aber in einigen Jahrzehnten zu einem wichtigen Baustein dafür avancieren. Anders als CCS, das CO₂ direkt am Entstehungsort abfängt, filtert eine DACCS-Anlage das Klimagas aus der Luft heraus – und das kann sie überall an jedem nur denkbaren Ort auf der Welt tun.

Während CCS lediglich verhindert, dass beispielsweise ein Zementwerk die Atmosphäre mit zusätzlichem CO₂ verschmutzt, lässt sich mit DACCS bestehendes CO₂ aus der Luft extrahieren. Die Technik erzeugt quasi negative Emissionen, die die Folgen von mehr als 200 Jahren Industrialisierung zumindest abmildern. So jedenfalls sieht die Theorie aus.

Pilotbetrieb in British Columbia

Doch wie funktioniert die Technik in der Praxis? In der kanadischen Provinz British Columbia betreibt das Unternehmen Carbon Engineering seit 2015 eine Pilotanlage, die der Atmosphäre pro Tag rund eine Tonne CO₂ entziehen kann. Dafür blasen riesige Ventilatoren Umgebungsluft durch einen Abscheider, der Kaliumhydroxid in wässriger Lösung enthält. Das Klimagas in der Luft reagiert mit dem Kaliumhydroxid und ist dann chemisch gebunden. Im zweiten Verfahrensschritt wird aus dem angereicherten Hydroxid bei Temperaturen um 900 Grad Celsius CO₂ in Reinform herausgelöst.

Der CO₂-Staubsauger der Firma Climeworks, der ab 2017 in der Schweiz fünf Jahre lang der Atmosphäre jährlich 900 Tonnen CO₂ entzogen hat, arbeitet dagegen mit einem Feststofffilter. Das Funktionsprinzip der Anlage kann man sich vorstellen wie einen Schwamm, an dessen Poren die CO₂-Moleküle hängenbleiben. Ist der Schwamm gesättigt, leitet die Anlagensteuerung den zweiten Verfahrensschritt ein: Im Vakuum trennt sich das Klimagas bei Temperaturen um die 100 Grad Celsius vom Sorptionsmittel. Auf diese Weise entstand bis Oktober 2022 hochreines CO₂, das an ein Gewächshaus geliefert wurde, um dort das Pflanzenwachstum anzukurbeln. Inzwischen ist die Anlage stillgelegt – zugunsten einer zweiten, weit größeren auf Island.

Dass beide DAC-Technologien funktionieren, ist erwiesen. Allerdings: Ob sie das auch effizient tun, und wie hoch ihr Nutzen für das Klima ist, darauf gibt es bislang nur grobe Abschätzungen der Betreiber selbst. Die Krux des Verfahrens: Während die CO₂-Konzentration bei Direktabsaugung am Schornstein einer Industrieanlage 8 bis 14 Prozent beträgt, liegt sie in der Luft bei nur 0,03 Prozent. Es müssen also gewaltige Luftmengen umgewälzt werden, was teuer und energieintensiv ist. Etwas mehr Klarheit brachte kürzlich eine Studie der Universität Freiburg, die den gesamten Lebenszyklus der Anlagen vom Bau bis zur Verschrottung unter die Lupe genommen, den Ressourcenverbrauch bilanziert und die nötigte Energiemenge für den Entzug des Klimagases aus der Luft, seinen Transport und das anschließende Verpressen im Boden errechnet hat. Die Ergebnisse der Freiburger Forscher belegen, dass es mit beiden Verfahren möglich ist, der Atmosphäre mehr CO₂ zu entziehen, als durch die Anwendung der Verfahren emittiert wird.

Erstaunliche Effizienz

Insbesondere das Niedertemperaturverfahren von Climeworks habe sich als „erstaunlich effizient“ erwiesen, berichtet Kavja Madhu, einer der Studienautoren: „Stammt der Strom aus erneuerbaren Quellen, stößt die Anlage nur etwa 150 Kilogramm CO₂ aus, um eine Tonne davon aus der Luft zu holen.“ Damit ist der Klimanutzen der Climeworks-Technologie ähnlich hoch wie der von bereits etablierten Klimaschutzmaßnahmen, vergleichbar etwa dem Ersatz eines Benziners durch ein Elektroauto. Weniger gut, aber auch positiv, schnitt das Verfahren von Carbon Engineering ab, das 580 Kilogramm CO₂ freisetzt, um eine Tonne des Klimagases unter die Erde zu bringen. Da die CO₂-Entnahme aus der Atmosphäre bereits recht effizient sei, komme den DACCS-Verfahren im Klimaschutz langfristig wahrscheinlich eine ergänzende Rolle zu, resümiert Madhu.

Noch besser könnte möglicherweise die CO₂-Bilanz einer ganz anders gearteten Technologie zum Klimagasentzug aus der Atmosphäre ausfallen. In Decatur, einer US-amerikanischen Kleinstadt rund 280 Kilometer südlich von Chicago, baut der Agrarkonzern Archer Daniels Midland auf riesigen Feldern Mais an und fermentiert die Ernte zu Ethanol. Das beim Vergären freiwerdende CO₂ wird in großem Stil abgefangen und deponiert. „Bioenergy with Carbon Capture and Storage“ (BECCS) nennen Ingenieure dieses Verfahren, das ähnlich wie DACCS negative Emissionen erzeugt. Dazu verarbeitet man schnell wachsende Pflanzen, die während ihres Wachstums per Photosynthese CO₂ aus der Atmosphäre holen, zu Strom oder Treibstoff und trennt dabei freiwerdendes Klimagas ab. Auf diese Weise macht Archer Daniels Midland pro Jahr ungefähr 500.000 Tonnen CO₂ unschädlich. Doch das Verfahren ist umstritten, denn sein Flächenbedarf für den Anbau von Biomasse konkurriert mit dem Naturschutz und der Produktion von Nahrungsmitteln.

Versteinertes CO₂

Sollten Anlagen wie die von Climeworks, Carbon Engineering und Archer Daniels Midland eines Tages tatsächlich der Atmosphäre in großem Stil CO₂ entziehen, wären für die Deponierung des Klimagases Endlager gigantischen Ausmaßes nötig. Wo die liegen könnten, zeigt ein Projekt auf Island. Im Südwesten des Inselstaats, auf der Hochebene Hellisheidi filtert die neue Climeworks-Anlage Orca jährlich rund 4.000 Tonnen CO₂ aus der Atmosphäre. Anschließend presst das isländische Partnerunternehmen Carbfix das Klimagas 700 Meter unter die Erde, wo es im porösen Basaltgestein der vulkanischen Hochebene mineralisiert. Anders ausgedrückt: Das CO₂ versteinert.

Die Versteinerung, im Fachjargon Gesteinsverwitterung genannt, ist im Grund ein natürlicher Prozess, der allerdings in natura nur sehr langsam abläuft. Carbfix hilft der Natur deshalb ein wenig auf die Sprünge, indem es CO₂ in Wasser löst und die Lösung in den Untergrund pumpt. Kommt das Sprudelwasser in Kontakt mit dem vulkanischen Basalt im Boden, reagieren darin enthaltene Metalle mit dem gelösten CO₂, und es bildet sich Karbonat-Gestein. Ein Kubikmeter Basalt kann rund 100 Kilogramm CO₂ aufnehmen und im Verlauf von zwei Jahren versteinern. Danach ist das Klimagas dauerhaft gebunden und kann ohne fremdes Zutun nie wieder in die Atmosphäre entweichen.

Doch die Technologie ist noch jung. 2011 wurden erste Versuche durchgeführt, seit 2014 wird das Verfahren im industriellen Maßstab angewandt. Ein Problem ist bislang noch der große Frischwasserbedarf. Um eine Tonne CO₂ zu lösen, sind 25 Tonnen Süßwasser notwendig. Zurzeit prüft Carbfix, ob in Meerwasser gelöstes CO₂ im Untergrund genauso schnell mineralisiert. Allerdings steigt damit auch das zu verpressende Volumen, denn die Löslichkeit von CO₂ in Meerwasser ist geringer als in Süßwasser. „Die Volumina, die in den Basalt gepresst werden müssen, sind 50 Mal so groß wie beim CCS-Verfahren“, erläutert GEOMAR-Forscher Wallmann. Da stoße man schnell an die vorgegebene, von der Belastbarkeit der Deckschicht abhängige Druckgrenze. Tatsächlich kam es in der Nähe des Vulkansystems Hengill zu einer Reihe kleinerer Beben, die durch das Verpressen von Wasser ausgelöst wurden.

Als CO₂-Speicher nutzbare Basaltvorkommen gibt es auf Island zuhauf und noch viel mehr im Ozean, der die Insel umgibt. Denn Island ist sozusagen nur die Spitze eines Basaltbergs: Die Insel ist Teil des Mittelatlantischen Rückens – einer unter dem Meeresspiegel liegenden Gebirgskette vulkanischen Ursprungs. Daher kann Carbfix in großem Maßstab planen. Im bereits bestehenden Industriehafen Straumsvík im äußersten Südwesten der Insel wird gerade ein neues Terminal zur Anlieferung von Flüssig-CO₂ aus aller Welt errichtet. Für 2025 peilt Carbfix eine Kapazität von 300.000 Tonnen an, die bis 2031 auf drei Millionen Tonnen steigen soll.

Angesichts eines weltweiten CO₂-Ausstoßes von rund 40 Milliarden Tonnen pro Jahr ist das nicht mehr als ein Tropfen auf den heißen Stein. Aber es ist ein Anfang. Denn der Mittelatlantische Rücken erstreckt sich über rund 20.000 Kilometer vom Arktischen Ozean bis an den Rand der Antarktis. Das Carbfix-Verfahren zur Gesteinsverwitterung lässt sich also weltweit an vielen Orten anwenden.

Verpressen im Vulkanschlot

Wissenschaftler der Neuen Universität Lissabon schlagen dagegen erloschene Unterseevulkane als CO₂-Speicher vor. Vulkan-Basalt enthalte große Mengen Kalzium, Eisen und Magnesium und damit drei Elemente, mit denen das Klimagas besonders schnell zu Karbonat-Gestein reagiert, berichten Ricardo Pereira und Davide Gamboa. CO₂ lasse sich über den Schlot des Vulkans relativ einfach in sein Inneres pumpen, wo es im porösen Basalt mineralisiere. Um ihre These zu stützen, haben die Forscher den Unterseevulkan Fontanelas untersucht, der sich rund 100 Kilometer vor der Küste Portugals im Atlantik befindet. Sein Schlot liegt etwa 1.500 Meter unter dem Meeresspiegel; das Gestein an den Flanken ist dicht genug, um unkontrolliertes Ausgasen zu verhindern. Die Vermessung ergab ein Speicherpotenzial von 1,2 bis 8,6 Milliarden Tonnen CO₂.

Aber wäre es nicht viel eleganter, statt CO₂ zu deponieren, daraus neue Produkte herzustellen, in denen es dann gebunden ist? Das Klimagas wäre unschädlich gemacht und zugleich ein wirtschaftlicher Mehrwert erzielt, der bei bloßer Deponierung nicht gegeben ist. Tatsächlich lässt sich mit grünem Wasserstoff aus CO₂ Methanol herstellen – eine organische Chemikalie, die sich unter anderem zu Kraftstoffen weiterverarbeiten lässt. Am Chemiestandort Leuna, 20 Kilometer südlich von Halle, erprobt seit August 2023 ein Konsortium aus Wissenschaft und Industrie in großem Maßstab die Herstellung von grünem Methanol als Treibstoff für die Schiff- und Luftfahrt.

Allein der Seeverkehr ist mit einem Ausstoß von über einer Milliarde Tonnen CO₂ für knapp drei Prozent des globalen Klimagasausstoßes verantwortlich. Mit grünem Methanol als Kraftstoff wäre die Weltschiffsflotte klimaneutral. Negative Emissionen lassen sich damit jedoch nicht erzielen, denn das der Atmosphäre entzogene und im Methanol gebundene CO₂ wird ja wieder frei. Da das Klimagas aber im Kreis geführt wird, also kein zusätzliches CO₂ entsteht, wäre der Klimanutzen trotzdem erheblich.

Gleiches gilt für die CO₂-Speicherung in altem Beton. Dafür wird Beton aus Abbruchhäusern gebrochen und das Granulat in Spezialcontainern unter hohem Druck mit CO₂ begast, sodass im Beton enthaltenes Kalziumhydroxid mit dem Klimagas zu Kalziumkarbonat reagiert – ähnlich der auf Island praktizierten Gesteinsverwitterung in Basalt. Bis zu zehn Kilogramm CO₂ pro Kubikmeter Granulat bindet die Anreicherungsanlage der schweizerischen Firma Neustark im ersten Anlauf. Der Prozess lässt sich mehrmals wiederholen. Je nach Betonmischung könnten pro Kubikmeter 150 bis 250 Kilogramm CO₂ dauerhaft gespeichert werden, teilt das Unternehmen mit. Der Recycling-Beton von Neustark enthält bis zu 85 Prozent angereichertes Granulat und wird verarbeitet wie Normalbeton. Der einzige Unterschied ist, dass bei der Zementherstellung prozessbedingt freiwerdendes CO₂ darin gebunden ist – auch das ist ein Weg in die klimaneutrale Zukunft der Zementindustrie.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…