Was ist Kohlendioxidabscheidung und -speicherung (CCS)?

Beim CCS-Prozess wird das CO₂, das in industriellen Betrieben, Kraftwerken und anderen Quellen anfällt, gesammelt und dann zu einer Speicherstelle, in der Regel unterirdisch, transportiert, wo es dauerhaft gespeichert wird. CCS wird manchmal als Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und Speicher bezeichnet, in Anlehnung an die Tatsache, dass abgeschiedener Kohlenstoff manchmal als Produkt zur Förderung anderer industrieller Prozesse verwendet werden kann.

Die Verringerung der Menge an Treibhausgasen in der Atmosphäre ist eine wesentliche Voraussetzung für die Verlangsamung des Klimawandels. Die Umstellung auf erneuerbare Energiequellen ist ein wichtiger Teil des Erreichen dieses Ziels. Aber fossile Brennstoffe werden aufgrund ihrer Verbreitung und der Herausforderungen bei der Umstellung auf nachhaltigere Optionen noch einige Zeit Teil des globalen Energiemixes bleiben. CCS ermöglicht eine sauberere Nutzung dieser fossilen Brennstoffe, indem es die von ihnen freigesetzte CO₂-Menge reduziert.

Die größten Konzentrationen von CO₂-Emissionen stammen aus großen Punktquellen wie großen Einrichtungen, Erdgasverarbeitung, Raffinerien und Kraftwerken, die ideale Kandidaten für CCS-Projekte sind. Im Jahr 2022 wurden weltweit 46 Millionen metrische Tonnen (auch Tonnen genannt) Kohlendioxid abgeschieden und gespeichert; bis zum Jahr 2030 werden durch solche Projekte weltweit 254 Millionen metrische Tonnen Kohlendioxid pro Jahr abgeschieden und gespeichert werden.¹ Da immer mehr Länder und Unternehmen versuchen, Netto-Null-Emissionen zu erreichen und in Strategien für saubere Energien zu investieren, wächst das Interesse an CCS-Projekten und Technologien zur CO2-Abscheidung.

CCS ist ein dreistufiger Prozess, der die Abscheidung, den Transport und die Speicherung von Kohlendioxid (CO2) umfasst.

Es gibt drei Hauptarten der CO₂-Abscheidung: Post-Combustion, Pre-Combustion und das Oxyfuel-Verfahren. Jede Methode hat ihre Vorteile und Herausforderungen. Die Wahl hängt von Faktoren wie der Art des Kraftwerks oder der Einrichtung, den spezifischen Eigenschaften des verwendeten fossilen Brennstoffs und wirtschaftlichen Gesamtüberlegungen ab.

• Post-Combustion: Die häufigste Art der CO₂-Abscheidung ist die Post-Combustion-Methode, bei der CO₂ nach der Verbrennung fossiler Brennstoffe und der Umwandlung in Strom oder Wärme abgeschieden wird. Das entstehende Rauchgas wird mithilfe eines Lösungsmittels in einen konzentrierten CO₂-Strom getrennt, dann komprimiert und zur Lagerung transportiert. Diese Methode wird häufig bei der Modernisierung bestehender Kraftwerke eingesetzt.
• Pre-Combustion: Bei der Pre-Combustion-Methode wird das CO₂ vor der Verbrennung des fossilen Brennstoffs abgeschieden. Der fossile Brennstoff wird vor der Verbrennung teilweise oxidiert, wodurch eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid entsteht. Anschließend wird Wasser hinzugefügt, um das Kohlenmonoxid in CO₂ umzuwandeln, das aufgefangen und gespeichert werden kann. Diese Methode ist effizienter als die Post-Combustion-Methode, erfordert jedoch eine komplexere und kostspieligere Einrichtung.
• Oxyfuel-Verfahren: Bei dieser Methode werden fossile Brennstoffe in reinem Sauerstoff statt in Luft verbrannt, um ein Rauchgas zu erzeugen, das hauptsächlich aus CO₂ und Wasser besteht. Nach der Kondensation des Wasserdampfs bleibt nahezu reines CO₂ zurück, das komprimiert und transportiert werden kann. Diese Art der CCS-Technologie befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium und wird noch nicht in großem Umfang eingesetzt.

Nach der Rückhaltung des CO₂ wird es zu einer Speicherstelle transportiert. Dies geschieht in der Regel über Pipelines und mit derselben Technologie, die auch für den Transport von Erdgas und Öl über lange Strecken verwendet wird. Für kürzere Strecken oder bei schwierigem Gelände können auch Schiffe oder Lastwagen eingesetzt werden.

Die Kohlenstoffspeicherung, auch bekannt als Kohlenstoffbindung, beinhaltet die langfristige und permanente Speicherung von CO₂, um seine Freisetzung in die Atmosphäre zu verhindern. Es gibt verschiedene Arten der Kohlenstoffspeicherung:

• Geologische Speicher: Dabei wird CO₂ tief unter der Erde in geologische Formationen injiziert. Dazu können erschöpfte Ölfelder oder Gasvorräte, unzugängliche Kohleflöze oder salzige Grundwasserleiter gehören. Tiefe geologische Formationen sind bisher die häufigste Methode zur Kohlenstoffspeicherung.
• Speicherung im Ozean: Bei dieser Methode wird CO₂ direkt in den Ozean in großer Tiefe injiziert. Dort löst es sich auf oder bildet stabile Verbindungen. Diese Methode wirft jedoch aufgrund ihrer potenziellen Auswirkungen auf die Meeresökosysteme umwelttechnische Bedenken auf und wird derzeit nicht als praktikable Option angesehen.
• Mineralische Karbonisierung: Dabei reagiert CO₂ mit bestimmten Arten von porösen Gesteinsformationen und formt dadurch stabile Mineralien. Diese Reaktionen laufen auf natürliche Weise über Jahrtausende ab, können aber durch industrielle Prozesse beschleunigt werden. Dies ist zwar eine dauerhafte Lösung für die Speicherung von CO₂, gilt aber derzeit als teuer und energieaufwändig.
• Biologische Sequestrierung: Dabei handelt es sich um die Abscheidung und Speicherung von CO₂ auf natürliche Weise. Pflanzen beispielsweise absorbieren während ihres Wachstums CO₂ und speichern den Kohlenstoff in ihrem Gewebe und im Boden. Biobasierte Strategien beinhalten Aufforstung und Techniken der Kohlenstoffwirtschaft, die das Speichervolumen maximieren und die Emissionen minimieren.

Das abgeschiedene und gespeicherte CO₂ bleibt entweder dauerhaft bestehen oder wird in anderen industriellen Prozessen verwendet. Die gebräuchlichste Art der Nutzung von gespeichertem Kohlenstoff ist die verbesserte Ölgewinnung (Enhanced Oil Recovery, EOR). Bei dieser Technik wird das abgeschiedene CO₂ in ein Ölfeld injiziert, um die Menge des zu fördernden Rohöls zu erhöhen.

Typische Ölextraktionsmethoden können eine große Menge Öl zurücklassen; EOR-Projekte machen die Extraktion effizienter. Und da CO₂ zurückbleibt, bietet diese Technik auch den Vorteil einer langfristigen Speichermöglichkeit.

EOR hat spezifische Vorteile und erleichtert darüber hinaus auch die weitere Nutzung fossiler Brennstoffe zur Stromerzeugung. Aus diesem Grund wird es eher als Teil einer umfassenderen Strategie zum Übergang zu erneuerbaren Energiequellen und zur Emissionsreduzierung denn als Komplettlösung angesehen.

Die zuvor beschriebenen Methoden der Kohlendioxidabscheidung werden in der Regel für große Punktquellen wie Kraftwerke oder Industrieanlagen eingesetzt und erfassen neu entstandene Kohlendioxidemissionen, bevor sie freigesetzt werden. Es gibt jedoch auch andere Ansätze zur Kohlendioxidabscheidung, mit denen sich Kohlendioxidemissionen bekämpfen lassen, die sich bereits in der Atmosphäre befinden. Dies wird als Kohlendioxidentfernung (Carbon Dioxide Removal, CDR) bezeichnet. Es gibt zwei gängige Methoden der CDR:

• Bioenergy Carbon Capture and Storage (BECCS) ist eine Strategie, die Bioenergie als Stromquelle anstelle von fossilen Brennstoffen nutzt. Biomasse nimmt während ihres Wachstums CO₂ aus der Atmosphäre auf. Bei der Verbrennung in Form von Biokraftstoffen werden die CO₂-Emissionen abgeschieden und gespeichert. Dies macht BECCS zu einer potenziellen Technologie für „negative Emissionen“, da sie zu einer Nettoentfernung von CO₂ aus der Atmosphäre führen könnte.
• Direct Air Capture and Carbon Storage (DACCS) konzentriert sich auf die direkte Abscheidung von CO₂ aus der Luft und nicht aus einer Punktquelle wie einem Kraftwerk. Strategien zur direkten Luftabscheidung (Direct Air Capture, DAC) können auch zu negativen Emissionen führen, da sie darauf abzielen, bereits in der Atmosphäre vorhandenes CO₂ zu entfernen.

Sowohl der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC) der Vereinten Nationen als auch die Internationale Energieagentur (IEA) haben berichtet, dass CCS ein wichtiger Bestandteil ihrer Strategien zur Erreichung der globalen Netto-Null-Emissionsziele bis 2050 ist. Verschiedene Länder und Regionen gehen das Thema CCS auf ihre eigene Weise an. Hier sind einige Beispiele:

In den USA sind etwa 10 große CCS-Einrichtungen in Betrieb, darunter das Projekt Petra Nova in Texas. Als weltweit größtes Projekt zur CO2-Abscheidung mit Post-Combustion fängt es über 1 Million metrische Tonnen CO₂ pro Jahr aus einem Kohlekraftwerk auf und verwendet es für die tertiäre Erdölgewinnung in einem nahe gelegenen Ölfeld Die Regierung bietet finanzielle Anreize für CCS durch die Steuergutschrift 45Q, die Steuervorteile für jede abgeschiedene oder gespeicherte metrische Tonne CO₂ bietet.

Auch in Kanada laufen mehrere bedeutende CCS-Projekte, darunter das Feld Weyburn-Midale, das seit dem Jahr 2000 in Betrieb ist und jährlich etwa 2 Millionen metrische Tonnen CO₂ speichert. Die kanadische Regierung unterstützt CCS durch die Finanzierung von Forschung und Entwicklung sowie durch regulatorische Maßnahmen, die den Einsatz in Ölsandbetrieben fördern.

Norwegen ist Vorreiter im Bereich CCS. Das Sleipner-Feld in der Nordsee bindet und speichert bereits seit 1996 CO₂ und ist damit eines der am längsten laufenden CCS-Projekte. Das CO₂ wird von dem aus dem Feld geförderten Erdgas abgetrennt und dann in unterirdische Salzformationen injiziert. Die Regierung des Landes stellt Mittel für diese Projekte bereit, da sie CCS als ein wichtiges Instrument zum Erreichen ihrer Klimaziele betrachtet.

Als weltweit größter CO₂-Emittent betrachtet China CCS als wesentlichen Bestandteil seiner Strategie zur Emissionsreduzierung. Es hat mehrere CCS-Pilotprojekte und investiert stark in Forschung und Entwicklung. Der großflächige Einsatz von CCS in China ist jedoch immer noch begrenzt.

Die Europäische Union (EU) unterstützt CCS durch ihr Emissionshandelssystem, das CCS durch die Bepreisung von CO2-Emissionen finanziell attraktiv machen kann. Allerdings sind die Fortschritte bei CCS in Europa mit nur wenigen laufenden Projekten bisher nur langsam vorangekommen.

Trotz ihres Potenzials steht die CCS vor zahlreichen Herausforderungen. Die Kosten für die Abscheidung, den Transport und die Lagerung von CO₂ können hoch sein, und die Technologie zur CO2-Abscheidung befindet sich noch in verschiedenen Entwicklungsstadien. Während die Kosten mit zunehmender Reife der CCS-Technologie voraussichtlich sinken werden, stellen sie nach wie vor ein erhebliches Hindernis für den flächendeckenden Einsatz dar. CCS erfordert auch eine beträchtliche Menge an Energie, was die Gesamtemissionen eines Kraftwerks oder einer Industrieanlage erhöhen kann, wenn sie nicht richtig gehandhabt wird. Dies wird als „Energieeinbuße“ von CCS bezeichnet.

Die Ausweitung der CCS ist auch geografisch begrenzt, da nicht in allen Regionen geeignete Standorte für die CO₂-Speicherung vorhanden sind und die Möglichkeit, neue zu schaffen, begrenzt ist. Außerdem gibt es Bedenken hinsichtlich der langfristigen Stabilität von Endlagern und der Gefahr von Leckagen. Auch wenn das Risiko als gering eingestuft wird, könnte jede Leckage die Wirksamkeit von CCS bei der Emissionsreduzierung und der Eindämmung des Klimawandels untergraben. Da sich die Energietechnologien jedoch weiterentwickeln und Projekte immer kosteneffizienter werden, wird CCS voraussichtlich eine wichtige Methode zur Steuerung der CO2-Emissionen großer Produzenten sein.