Als größter aktiver Kohlenstoffspeicher der Erde nehmen die Ozeane pro Jahr rund 400 Millionen Tonnen des Treibhausgases Kohlendioxid auf – eine unsichtbare, aber entscheidende Leistung im irdischen Klimasystem. Dabei ist das in den Meeren vorhandene Kohlendioxid technisch bislang kaum nutzbar, da es überwiegend in Form gelöster Karbonate und Hydrogenkarbonate vorliegt.
Der technische Kern des in der Fachzeitschrift Nature Communications beschriebenen Ansatzes ist ein Durchflussreaktor: Hus Team entwickelte ein neues photoelektrochemisches Gerät, das ausschließlich Sonnenlicht nutzt, um den im Meerwasser enthaltenen Kohlenstoff – vor allem Hydrogenkarbonat – in sogenanntes Synthesegas umzuwandeln. In dem Reaktor wird dabei Meerwasser lokal angesäuert, sodass sich aus den im Wasser gelösten Karbonaten freies Kohlendioxid bildet. Das gelangt unmittelbar zu einer speziellen Kathode, wo es mithilfe von Sonnenlicht in Kohlenmonoxid und andere Grundstoffe für synthetische Kraftstoffe umgewandelt wird.
Erneuerbarer Strom wandelt CO₂ direkt in klimafreundliche Energieträger um
Der gesamte Prozess läuft kontinuierlich im Durchfluss – das Meerwasser wird durch den Reaktor geschleust. „Es funktioniert wie ein perfekt abgestimmtes Staffellauf-Rennen“, erläutert Xiang Shi, Mitautor der Studie und Doktorand in Hus Labor. „Die Anode gibt Protonen und CO₂ an die Kathode weiter, die dann den Schlussspurt übernimmt – die Umwandlung. Dieses Teamwork treibt die Reaktion effizient zum Abschluss.“ Entscheidend für das Verfahren ist die direkte Kombination von Freisetzung und Umwandlung in einem System, wodurch Energieverluste minimiert werden. Bei bisherigen Versuchen musste das Kohlendioxid erst umständlich abgespalten und aufgefangen werden. Die neue Methode spart diesen Zwischenschritt aus: Das Kohlendioxid wird verarbeitet, wo es entsteht.
Bei den Anwendungsszenarien denken die Forschenden etwa an schwimmende Module, die Gezeitenströmungen nutzen, und an Kombinationen mit Offshore-Windparks oder Entsalzungsanlagen. Neben Treibstoffen könnten auch chemische Grundstoffe hergestellt werden. Zudem würde das behandelte Wasser leicht alkalischer zurückgeleitet – ein Effekt, der die Ozeanversauerung lokal abmildern könnte. Und für Betreiber bestehender Infrastruktur böte sich die Option, erneuerbaren Strom nicht nur einzuspeisen, sondern vor Ort in physische Energieträger umzuwandeln, die sich lagern und transportieren lassen.
„Die erzielte Solar-to-Fuel-Effizienz von 0,7 Prozent und die Selektivität von 21 Prozent für Kohlenmonoxid sind vielversprechend, jedoch noch weit von industriellen Maßstäben entfernt“, sagt Anton Eisenhauer vom Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel. Sein Team erforscht ein verwandtes Konzept, das Kohlendioxid aus Luft und Meerwasser über sogenanntes Kalcium-Looping chemisch bindet. „In naher Zukunft ist eine großtechnische Produktion von Kraftstoffen eher unrealistisch“, sagt Eisenhauer. „Mittelfristig könnte die Technologie aber als Baustein in modularen Floating-Arrays Bedeutung erlangen.“
Auch Unternehmen außerhalb der Hochschullabore arbeiten an meeresbasierten Systemen, setzen jedoch andere Schwerpunkte: Captura aus Kalifornien gewinnt Kohlendioxid als Gas zur Speicherung oder industriellen Nutzung, während die ebenfalls aus Kalifornien stammende Firma Equatic auf Mineralisierung setzt und dabei zugleich Wasserstoff erzeugt. Allen Ansätzen gemein ist der erhebliche technische Aufwand, der nötig ist, um das stabile Karbonatgleichgewicht des Ozeans gezielt zu verschieben. Hinzu kommen Herausforderungen wie Korrosion, mineralische Ablagerungen und Biofouling.
Fachleute begrüßen die spürbare Dynamik in der Forschung rund um das Thema, warnen aber vor zu hohen Erwartungen hinsichtlich einer potenziellen Kommerzialisierung der neuen Verfahren. Denn technische Anlagen in den Ozeanen seien immer komplex und müssten mit Meerwasser-Exposition, Korrosion und ökologischen Nebenwirkungen zurechtkommen. „Zurzeit ist keine meeresbasierte CO₂-Entnahmetechnik einsatzbereit“, sagt der Ozeanchemiker Scott Doney von der University of Virginia, betont aber zugleich: „Selbstverständlich müssen wir jetzt weiter forschen, denn eine Skalierung wird Jahrzehnte dauern.“ Die biologische Ozeanografin Helen Findlay vom Plymouth Marine Laboratory gibt zudem zu bedenken: „Ich halte es nicht für verantwortungsvoll, diese Methoden schon bald kommerziell einzusetzen, insbesondere nicht, wenn wir CO₂-Zertifikate auf ihrer Basis verkaufen. Wir wissen noch nicht wirklich, ob sie zuverlässig funktionieren.“ Und Nicholas Ward vom Pacific Northwest National Laboratory nennt die Nachweisfrage als Knackpunkt: „Es ist sehr schwer, die Veränderungen im offenen Meer genau zu messen. Ohne Nachweis wird niemand für CO₂-Zertifikate zahlen.“
Meerwasser-Extraktion könnte effizienter als DAC werden
Vergleicht man das Yale-Verfahren mit Direct Air Capture (DAC) – der Technik, die Kohlenstoffdioxid aus der Luft abscheidet, um es zu speichern oder zu nutzen – wird rasch klar, dass das Meerwasser bereits eine Art Vorkonzentrat ist: „Meerwasser enthält gelöstes anorganisches Kohlenstoffdioxid in rund 140-mal höherer Konzentration pro Volumeneinheit als die Atmosphäre. Damit liegt der thermodynamische und potenziell auch wirtschaftliche Vorteil aufseiten der Meerwasser-Extraktion“, sagt Ozeanforscher Eisenhauer.
Erste Berechnungen deuten darauf hin, dass der Energiebedarf pro Tonne Kohlendioxid geringer sein könnte als bei heutigen Luftabscheidungsanlagen. Je nach Technik benötigen die DAC-Verfahren 1,4 bis 2,8 Megawattstunden, um eine Tonne CO₂ zu entfernen, heißt es einer Publikation der National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. Entscheidend ist dabei, dass dieser Strom nahezu emissionsfrei erzeugt wird, andernfalls verpufft der Effekt. „Während die Forschung bei Meerwasser-Verfahren noch am Anfang steht, ist DAC bereits industriell etabliert, allerdings sehr energie- und kostenintensiv“, betont Eisenhauer.
Die politischen Rahmenbedingungen sind indes volatil: Wenige Monate nach Beginn von Donald Trumps zweiter Amtszeit, in der klimapolitische Programme gekürzt wurden und werden, hat sich die Investitionsstimmung in der CO₂-Branche deutlich eingetrübt. Das US-Energieministerium beendete im laufenden Jahr bereits mehr als zwei Dutzend Förderzusagen im Wert von rund vier Milliarden US-Dollar, die größtenteils für Projekte zur CO₂-Abscheidung und -Speicherung vorgesehen waren. Für Befürworter unterstreicht das die Notwendigkeit, Pilotanlagen sauber zu evaluieren, Anlagendesigns zu standardisieren und Mess-, passende Berichts- und Verifizierungsprotokolle aufzusetzen, sodass Klimanutzen, ökologische Verträglichkeit und Kosten pro Tonne transparent werden.
Verwendung von CO₂ aus der Luft und aus dem Ozean im Vergleich
| CO₂ aus der Luft abscheiden (DAC) | CO₂ aus dem Ozean abscheiden |
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CO₂ wird aus der Umgebungsluft entzogen und entweder dauerhaft gespeichert (Direct Air Carbon Dioxide Capture and Storage, DACCS) oder direkt genutzt (Carbon Capture and Utilization, CCU). |
Mithilfe von Licht und Strom lässt sich das CO₂ im Meerwasser gezielt freisetzen und direkt in nutzbare Energieträger – wie Treibstoffe – umwandeln. |
| Die CO₂-Konzentration in der Luft liegt bei rund 0,04 Volumenprozent oder 400 ppm (parts per million). | Die CO₂-Konzentration im Meerwasser ist rund 140-mal höherer als in der Atmosphäre, was das Verfahren potenziell wirtschaftlicher macht. |
| Die Entnahme von Kohlendioxid aus der Luft hilft bei der Erzeugung negativer Emissionen und trägt damit zum Klimaschutz bei. | In Kombination mit Strom aus erneuerbaren Energien können aus dem abgeschiedenen Kohlendioxid umweltfreundliche Brennstoffe erzeugt werden, für die sich später eventuell CO₂-Zertifikate verkauft lassen. |
| Direct Air Capture (DAC) ist bereits erprobt, aber noch sehr energie- und kostenintensiv. | Die Meerwasser-Extraktion befindet sich noch in der Erforschung und ist bisher nicht industriell einsetzbar. |