Negativ Emissions Technologien (NETs)

Negativ-Emissionstechnologien (NET)

Methoden der CO2-Rückholung

 

Nach heutigem Sachstand gibt es sechs Negativ-Emissionstechnologien (engl. Negative Emission Technologies, kurz NETs) und zwei dazugehörige Speichertechnologien mit relevantem Potenzial und beherrschbarem ökologischem Risikoprofil. Keine Lösung allein wird das notwendige Volumen an Kohlenstoffsenken bereitstellen können. So gilt es, alle diese Lösungen und Optionen weiterzuentwickeln und geeignete Anwendungen zu finden.

Mit diesem Artikel geben wir einen Überblick über den aktuellen Sachstand der Technologien. Als Basis dienen die  dena-Leitstudie “Aufbruch Klimaneutralität” von der Deutschen Energie-Agentur und der Ariadne-Bericht im Rahmen des Kopernikus-Projekts. Beide sind im Oktober 2021 erschienen.

NET

Aufforstung/Wiederaufforstung

Durch das Wachstum der Bäume wird in Wäldern CO₂ gebunden — sowohl in lebender Biomasse als auch im Boden. Die deutschen Wälder haben eine  verhältnismäßig junge Altersstruktur. Ihre Senkenleistung im Jahr 2019 betrug 57 Mt CO₂. [1] Wird die aktuelle Waldnutzung beibehalten, wird mit zunehmendem Alter des Waldes die Senkenleistung abnehmen. Um die aktuelle Senkenleistung des Waldes zu sichern, werden zwei alternative Modelle vorgestellt: Renaturierung und Waldverdichtung setzen auf das Vorbild von Urwäldern zugunsten von mehr Biomasse und zulasten der Holzernte. Der Gegenvorschlag setzt auf Kohlenstoffsenken aus langlebigen Holzprodukten, z.B. kann Holz als Baumaterial den CO₂-intensiven Stahl oder Beton teilweise ersetzen. 

Der Zielkonflikt zwischen der Renaturierung oder einer intensivierten Holzproduktion und anschließender Verwendung in langlebigen Holzprodukten bringt noch große Unsicherheiten mit sich, weswegen es noch keine Potenzialabschätzungen gibt. Erfahrungen von Klimaförster:innen zeigen, dass Neuanpflanzungen von Bäumen ein höheres Senkenpotenzial bieten als der ungeführte Zuwachs von neuer Biomasse. Sie begründen dies u.a. mit besseren Anpassungsstrategien und weniger Schädlings- bzw. Pilzbefall. Der Wald als Kohlenstoffspeicher ist umkehrbar (z.B. durch Störungen wie Feuer, Dürren oder Schädlinge) und erfordert daher eine kontinuierliche Aufrechterhaltung. Jedoch profitiert das Ökosystem von positiven Auswirkungen u. a. auf die Bodenqualität, den Wasserrückhalt und bei naturnaher Ausrichtung auch auf die Biodiversität. Die Praktiken sind ausgereift und können heute schon ohne Weiterentwicklungsbedarf großflächig angewendet werden. Dies gilt es schnellstmöglich zu fördern. [2]

 

Aufbau bodenorganischer Substanz / Humusaufbau

Humus besteht zu ca. 58 % aus Kohlenstoff und kommt in unseren Böden vor. Ob ein Boden viel oder wenig Humus enthält, hängt davon ab, wieviel organische Substanz eingetragen und wieviel davon wieder in Form von CO₂ wieder freigesetzt wird. Nur ein kleiner Anteil des Kohlenstoffs wird langfristig im Boden gespeichert, dabei ist die Speicherdauer u. a. abhängig vom Standort, der Wasserversorgung und von Bodenfaktoren (z.B. tonhaltiger oder sandiger Boden). Auf deutschen Ackerflächen geht aktuell im Jahresmittel mehr Kohlenstoff aus dem Boden in Form von CO₂ verloren, als wieder eingetragen wird. Somit nimmt der Boden-Kohlenstoffgehalt stetig ab. [3] Um eine positive Klimawirkung zu erhalten, gilt es also über den Humusaufbau mehr Kohlenstoff aus der Atmosphäre zu binden und den in den Böden bereits vorhandenen Kohlenstoff zu schützen. In landwirtschaftlich genutzten Böden erfolgt der Schutz z.B. durch eine reduzierte Bodenbearbeitung (z.B. pfluglose Bodenbearbeitung). Der Aufbau gelingt durch Maßnahmen wie organische Düngung (Gülle, Kompost, Stallmist), Verbleib von Ernteresten auf dem Acker, Anbau von Zwischenfrüchten und Untersaaten für eine ganzjährige Begrünung. Agroforstsysteme zählen ebenfalls zu den Maßnahmen der Bodenkohlenstoffanreicherung. [4]

Die Frage nach dem Senken-Potenzial für landwirtschaftlich genutzte Böden in Deutschland lässt sich derzeit nicht sicher beantworten, und wahrscheinlich unterliegt es einer hohen regionalen Variabilität. Die Ergebnisse einer Studie über landwirtschaftlich genutzte Böden in Bayern zeigen jedoch ein hohes Speicherpotenzial auf. Diese Böden sind aktuell nur zu rund 50% mit Kohlenstoff gesättigt. Einige Praktiken sind ausgereift und können heute schon großflächig angewendet werden. Kohlenstoff im Boden ist reversibel gebunden. Daher ist es wichtig, dass Aufbau- oder Schutzmaßnahmen über einen langfristigen Zeitraum beibehalten werden. Dies gilt es schnellstmöglichst zu fördern. An besseren, regionalisierten Abschätzungen für Aufbaupotenziale und an weiteren Maßnahmen zum Schutz von bestehenden Vorräten gilt es weiter zu forschen. [5] Auch der Humusaufbau muss mit aller Kraft vorangetrieben werden und braucht eine massive Förderung.

 

Pyrogene Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (PyCCS) / Pflanzenkohle

PyCCS steht für “Pyrogenic Carbon Capture and Storage” und bedeutet: Über Photosynthese gebundener Kohlenstoff wird mittels Pyrolyse dauerhaft beständig gemacht. Lässt man organisches Material nämlich verrotten oder verbrennen, gelangt Kohlenstoff in Form von CO₂ zusammen mit weiteren klimaschädlichen Gasen zurück in die Atmosphäre. Das wird durch Pyrolyse verhindert. Pyrolyse ist ein technisches Verfahren, bei dem das organische Material unter Sauerstoffausschluss zersetzt wird. Es entsteht die sogenannte Pflanzenkohle, zudem ein energiereiches Pyrolyse-Öl und Pyrolysegas. Pflanzenkohle kann einfach gespeichert werden. In Ackerböden eingebracht unterstützt sie die Landwirtschaft: Z. B. erhöht sie die Wasserhaltekapazität, verringert Nitratauswaschungen und reduziert weitere klimaschädliche Treibhausgasemissionen wie Lachgas und Methan. In tropischen Regionen, in geringerem Ausmaß auch in gemäßigten Breiten, kann Pflanzenkohle sogar die Bodenfruchtbarkeit signifikant erhöhen. Eine stoffliche Verwendung von Pyrolysekohle und -Öl als Beimischung in Baumaterialien wurde bereits erfolgreich demonstriert. Das Rückholungspotenzial ist im Wesentlichen durch die Verfügbarkeit von nachhaltiger Biomasse limitiert. Im landwirtschaftlichen Materialkreislauf gibt es jedoch Reststoffe, die nicht energetisch genutzt, aber in Pflanzenkohle umgewandelt werden können (z. B. Einstreustroh aus den Ställen). Die Stabilität der Pflanzenkohle hängt von Prozessparametern und der Anwendungsform ab. Bei günstigen Parametern ist Pflanzenkohle mehreren Jahrhunderte stabil. Bei der Bodenanwendung muss ein jährlicher Zerfall angenommen werden, bei der Anwendung im Beton/Asphalt ist das nicht nötig. PyCCS ist eine marktreife Technologie, die heute schon zur Verfügung steht und schnell skaliert werden kann. Auch existiert bereits mit dem European Biochar Certificate (EBC) ein Qualitätssicherungssystem. Mit aktueller Anlagentechnik werden heute 30 bis 70% des Kohlenstoffs in der Pflanzenkohle und dem Pyrolyseöl gebunden. Das Pyrolysegas wird zur Zeit energetisch genutzt, z.B. zur Trocknung der Ausgangssubstrate, der Reaktorbeheizung oder Stromherstellung. [6] 

 

Enhanced Weathering: Beschleunigtes Verwittern von Gestein

Verwitterung ist ein langsamer natürlicher Prozess, bei dem Mineralien Kohlenstoff chemisch binden. Die Verwitterung findet fast ausschließlich an der Materialoberfläche statt, wo Gestein mit Wasser und dem darin gelösten atmosphärischen CO₂ in Kontakt treten kann. Dieser Prozess lässt sich beschleunigen. Dazu werden geeignete Minerale (z.B. Basalt) zu feinem Gesteinsmehl zermahlen und auf Äckern oder in Ozeanen verteilt. Schätzungen im IPCC-Weltklimabericht gehen davon aus, dass jährlich etwa eine Gigatonne atmosphärischer Kohlenstoff gebunden werden kann. Bei der Schätzung noch nicht berücksichtigt, ist eine gesteigerte Kohlenstoffaufnahme durch einen Dünge-Effekt der Pflanzen. [7]

Im IPCC ist diese Technologie unter dem englischen Begriff “Enhanced Weathering” zu finden. Sie wird inzwischen intensiv erforscht und erscheint als aussichtsreich - insbesondere für tropische und subtropische Regionen, in denen das CO₂-Aufnahmepotenzial am höchsten ist. Das Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) schätzt den Beitrag der beschleunigten Verwitterung allerdings als überschaubar ein, da erhebliche Massen an Gestein bewegt werden müssen, was die Kosten und den Energieaufwand summiert. Die Anwendung der beschleunigten Gesteinsverwitterung ist aktuell auf einen kleinskaligen Einsatz  im Düngebereich begrenzt. Um die zukünftige Relevanz einzuschätzen, besteht Forschungsbedarf. [8]

 

Bioenergie mit CO₂-Abscheidung und -Speicherung (BECCS)

Bioenergy with Carbon Capture and Storage (kurz: BECCS) steht als Oberbegriff für Technologien, die aus pflanzlicher Biomasse nutzbare Energie produzieren und gleichzeitig das im Prozess freiwerdende CO₂ abfangen (BE) und dann einer langfristigen (geologischen) Speicherung (CCS) zuführen. Das tatsächliche CO₂-Abscheidungspotenzial hängt maßgeblich von der eingesetzten Technologie ab. Das Rückholungs-Potenzial ist im Wesentlichen durch die Verfügbarkeit von nachhaltiger Biomasse limitiert. Diesbezüglich steht BECCS in Konkurrenz zu PyCCS/Pflanzenkohle. In Bezug auf geologisches Speicherpotenzial steht BECCS in Konkurrenzen zu DACCS (s. geologische Speicher). [9]

Nach derzeitigem Kenntnisstand stellen sich noch zahlreiche Fragen, insbesondere in Bezug auf die Verfügbarkeit möglicher/sinnvoller Standorte. Für einen wirtschaftlichen und ökologisch sinnvollen Betrieb solcher Anlagen müssen drei Standortvoraussetzungen gegeben sein: (i) Es muss günstige Restbiomasse ohne große Transportwege verfügbar sein, (ii) Die im Prozess anfallende Abwärme muss sinnvoll genutzt werden können, und (iii) Es muss eine Infrastruktur für den Abtransport des CO₂ vorhanden sein oder mit vertretbarem Aufwand geschaffen werden können. Aktuell gibt es wenige Demonstrationsprojekte z.B. in Decatur/Illinois und in Stockholm/Schweden. [10]

 

Gewinnung von CO₂ direkt aus der Umgebungsluft (DACCS)

DACCS steht für “Direct Air Carbon Capture and Storage” und bündelt als Oberbegriff alle technische Verfahren zur Abscheidung von CO₂ direkt aus der Umgebungsluft (DAC) mit anschließend langfristiger, geologischer Speicherung (CCS). Dies gelingt mit Hilfe von Ventilatoren, die Umgebungsluft in großen Mengen an einem Ab- oder Adsorbermaterial entlang führen. Dabei setzt sich das in der Luft enthaltene CO₂ am Filtermaterial ab. Das gebundene CO₂ wird schließlich erhitzt, um es freizusetzen, abzufangen und dann der Speicherung zuzuführen. Die Speicherung soll unterirdisch erfolgen, beispielsweise verpresst in alten Öllagerstätten der Nordsee oder abgeschieden in einer passenden geologischen Gesteinsformation (s. geologische Speicher). [11]

Der aktuelle IPCC-Weltklimabericht schätzt DACCS als sehr aussichtsreich ein. Da die Konzentration des CO₂ in der Atmosphäre vergleichsweise klein ist und zusätzlich thermische und elektrische Energie erforderlich ist, um das CO₂ verfügbar zu machen, hat diese Technologie einen beträchtlichen Energiebedarf. Nach Angaben eines der führenden DAC-Unternehmen Climeworks werden für die Abscheidung einer Tonne CO₂ perspektivisch 400 kWh elektrische Energie zum Betrieb der Ventilatoren und 1600 kWh thermische Energie zur Materialregeneration benötigt. Das macht einen großskaligen Einsatz erst dann bzw. nur dort sinnvoll, wenn/wo überschüssiger erneuerbarer Strom in ausreichender Menge verfügbar ist. Aktuell gibt es Pilotanlagen z.B. in Hilwil/Schweiz und in Hellisheiði/Island. Die Technologie wird derzeit mit viel Einsatz weiterentwickelt. Dabei zeichnen sich technologisch große Fortschritte und zukünftig greifbare Kostensenkungspotenziale ab. [12] Es ist davon auszugehen, dass es noch Jahrzehnte dauern wird, bis DACCS einen signifikanten Beitrag zur CO₂-Rückholung beitragen kann. DACCS-Anlagen mit fossilem Strom zu betreiben ist kontraproduktiv und die sichere, langfristige Speicherung von CO₂ noch ungeklärt.

 

Geologische Speicherung - Carbon Dioxide Capture and Storage (CCS)

Das hochkonzentrierte CO₂ aus den Entnahmeoptionen BECCS oder DACCS muss sicher gespeichert werden. Hier kommt die Technologie "Carbon Capture and Storage” (CCS) ins Spiel. Auf deutsch: CO₂-Abscheidung und -Speicherung. Wie weit BECCS und DACCS zum Klimaschutz beitragen können, ist stark von den verfügbaren Kapazitäten geeigneter Speicher abhängig. Die Eignung dieser Speicher wird wiederum vor allem von den natürlichen Gegebenheiten bestimmt. Mögliche Speicherorte sind: ausgebeutete Gas- oder Erdöllagerstätten, saline Aquifere oder der Meeresuntergrund. Dabei wird das komprimierte CO₂ in die jeweilige Gesteinsschicht gepresst - mit dem Ziel, dass das CO₂ sich langfristig im Wasser als Kohlensäure löst und dieses kohlensäurehaltige Wasser sich schließlich mit dem umliegenden Gestein zu Mineralen formt. Dies würde dann eine dauerhafte geologische Speicherung gewährleisten. [13]

In Deutschland wurde die geologische Speicherung von CO₂ z.B. am Pilotstandort Ketzin erprobt. Im Zeitraum 2008 bis Anfang 2016 wurden dort insgesamt 67 kt CO₂ gespeichert. Die Speicherkapazität für Deutschland wird auf 19,8 Gt CO₂ geschätzt (16 Gt Onshore und 3.8 Gt Offshore). [14] Die Technologie befindet sich noch im Anfangsstadium. Um in einigen Jahrzehnten in ausreichendem Umfang zur Verfügung zu stehen, muss sie schnell weiterentwickelt werden. Global sind derzeit 27 CCS-Anlagen [15] in kommerziellem Betrieb und viele weitere sind in der Projektpipeline. Um die Speicherung langfristig sicherzustellen, müssen Leckagen unbedingt verhindert werden. Entweicht CO₂ durch Leckagen, könnte es Schadstoffe im Untergrund freisetzen oder zu einer indirekten Versalzung des Grundwassers in Böden und Oberflächengewässern führen. Das macht eine effektive Überwachung zur zwingenden Voraussetzung. Bislang fehlen jedoch noch Techniken für ein umfassendes Monitoring. So besteht auch hier ein erheblicher Forschungsbedarf. Zudem braucht es eine unterirdische Raumordnung, die Nutzungskonflikte (z.B. zur Geothermie) verhindert - auch gesetzlich braucht es hier entsprechende Rahmenbedingungen. Zusätzlich zur Entwicklung der CO₂-Abscheidung und -speicherung bedarf es darüber hinaus einer Infrastruktur zum Transport des CO₂, z.B. über Schiffe oder Pipelines.

Neben CCS ist auch der Begriff CCX zu erwähnen. Dabei kann das X für eine Nutzung des CO₂ stehen oder auch für die Speicherung. Bei letzterem wird das CO₂ durch die Verbindung mit Wasserstoff zu Methan / Erdgas und somit zu einem Speicher, der Schwankungen in der Produktion von Erneuerbaren Energien ausgleichen kann. Hier sprechen wir dann nicht mehr von dauerhaften Kohlenstoff-Senken sondern von saisonaler Speicherung. Wird das abgeschiedene CO₂ genutzt, spricht man auch von CCU (Carbon capture and utilisation/usage). [16] Siehe dazu langlebige Produkte. 

 

Langlebige Produkte - Carbon Capture and Usage (CCU)

Biogene Rohstoffe oder atmosphärisches CO₂ können auch für die Herstellung langlebiger Produkte verwendet werden. Somit werden diese zu temporären CO₂-Senken. Wie effektiv diese Senkenleistung ist, hängt maßgeblich vom Produktlebenszyklus und der anschließenden Verwendung (Verbrennung vs. Pyrolyse) ab. Derzeit in der Entwicklung ist z.B. CO₂ als Rohmaterial für Kunststoffe oder für die Nutzung als Baumaterial. Kunststoffe in der Bauindustrie weisen z.B. eine mittlere Lebensdauer von 35 Jahren auf. Auch Holz weist in der globalen Bauindustrie ein beachtliches Potenzial auf [17]. Die Nutzung des gespeicherten Kohlenstoffs wird auch als Heizgas oder PKW-Kraftstoff diskutiert. Dies ist zu kritisieren, da der Effekt der Kohlenstoffspeicherung zu kurzfristig greift. Maximal die Verwendung als Flugbenzin scheint diskussionwürdig, da ein batterieelektrischer Flugzeugantrieb keine Alternative für Langstreckenflüge darstellt. 

Quellen

  • [1] Kopernikus-Projekt Ariadne (2021): Ariadne-Report - Deutschland auf dem Weg zur Klimaneutralität 2045 - Szenarien und Pfade im Modellvergleich. https://doi.org/10.48485/pik.2021.006 (S.234)
  • [2] ebd. S.235
  • [3] Öko-Institut e.V. (2021). Natürliche Senken – Die Potenziale natürlicher Ökosysteme zur Vermeidung von THG-Emissionen und Speicherung von Kohlenstoff. Modellierung des LULUCF-Sektors sowie Analyse natürlicher Senken. Kurzgutachten zur dena-Leitstudie Aufbruch Klimaneutralität. Herausgegeben von der Deutschen Energie-Agentur GmbH (dena).
  • [4] ebd. S.24-25
  • [5] ebd. S.25-26 
  • [6] Lerchenmüller, H. et al. (2020): Mit Pflanzenkohle basierten Kohlenstoffsenken dem Klimawandel entgegenwirken: EBI-Whitepaper. http://www.biochar-industry.com/wp-content/uploads/2020/09/Whitepaper_Pflanzenkohle2020.pdf
  • [7] Kopernikus-Projekt Ariadne (2021): Ariadne-Report - Deutschland auf dem Weg zur Klimaneutralität 2045 - Szenarien und Pfade im Modellvergleich. https://doi.org/10.48485/pik.2021.006 (S. 237)
  • [8] IPPC: https://www.ipcc.ch/sr15/chapter/chapter-4/
  • [9] ebd. S.231-232
  • [10] ebd. S.232
  • [11] ebd. S.233
  • [12] Heß, D., Klumpp, M., Dittmeyer, R. (2020): Nutzung von CO2 aus Luft als Rohstoff für synthetische Kraftstoffe und Chemikalien
  • [13] Prognos AG (2021). Technische CO2-Senken – Techno-ökonomische Analyse ausgewählter CO2-Negativemissionstechnologien. Kurzgutachten zur dena-Leitstudie Aufbruch Klimaneutralität. Herausgegeben von der Deutschen Energie-Agentur GmbH (dena).
  • [14]  ebd. S. 229
  • [15] Global CCS Institut2 (2021): Global Status of CCS 2021. https://www.globalccsinstitute.com/wp-content/uploads/2021/10/2021-Global-Status-of-CCS-Report_Global_CCS_Institute.pdf
  • [16] Prognos AG (2021). Technische CO2-Senken – Techno-ökonomische Analyse ausgewählter CO2-Negativemissionstechnologien. Kurzgutachten zur dena-Leitstudie Aufbruch Klimaneutralität. Herausgegeben von der Deutschen Energie-Agentur GmbH (dena).
  • [17] Kopernikus-Projekt Ariadne (2021): Ariadne-Report - Deutschland auf dem Weg zur Klimaneutralität 2045 - Szenarien und Pfade im Modellvergleich. https://doi.org/10.48485/pik.2021.006 (S. 243)