Longread aus 2023/2024

In den Untergrund statt in die Atmosphäre

Kohlendioxid aus dem Abgasstrom von Kraftwerken oder Fabriken abzutrennen und anschließend dauerhaft zu speichern ist technisch aufwendig und teuer. Ebenso die Weiterverwendung des Gases als Rohstoff. Dennoch werden solche Verfahren auf Europas Weg zur Klimaneutralität unvermeidbar sein – zumindest als Nischenlösung.
Von:  Jan Oliver Löfken
01.06.2024 | 12 Min.
Erschienen in: Ausgabe 04/2024
Reges Interesse: Der deutsche Wirtschaftsminister Robert Habeck zu Besuch beim Zementhersteller Norcem im norwegischen Brevik. Aus dem Abgasstrom des Kraftwerks soll CO2 herausgefiltert werden.
Reges Interesse: Der deutsche Wirtschaftsminister Robert Habeck zu Besuch beim Zementhersteller Norcem im norwegischen Brevik. Aus dem Abgasstrom des Kraftwerks soll CO2 herausgefiltert werden.
Foto: Ole Berg-Rusten/Associated Press/picture alliance

Dieser Artikel stammt aus der Ausgabe 04/2024 von neue energie.

Gut 30 Meter ragt der schwarze Zylinder senkrecht in die Höhe, gekrönt von einem ebenso langen Schornstein aus Edelstahl. Im Laufe des kommenden Sommers wird das Bauwerk an die Drehöfen des Zementwerks in Brevik im Süden Norwegens angeschlossen. 400 000 Tonnen Kohlendioxid soll die Anlage von Norcem, einer Tochtergesellschaft von Heidelberg Materials, jedes Jahr aus den Abgasen abscheiden und damit die klimaschädlichen Emissionen des Zementwerks halbieren.

Das entspricht dem CO2-Ausstoß von rund 250 000 Verbrennerautos, die jährlich 10 000 Kilometer zurücklegen. Unter Hochdruck konzentriert und verflüssigt gelangt das Treibhausgas per Schiff zu einem Hafen an der norwegischen Küste. Danach wird es über eine Pipeline in ein Reservoir bis zu 2500 Meter unter dem Meeresgrund gepumpt und dauerhaft gelagert.

Norwegen zählt zu den Vorreitern bei der Entwicklung und Nutzung von Endlagern für Kohlendioxid. Aktuell wird im Rahmen des staatlichen „Longship“-Projekts eine Infrastruktur für CCS – das Kürzel für „Carbon Capture and Storage“ – mit Häfen, Pipelines und Lagerstätten unter dem Nordseeboden aufgebaut. Damit steht das Land alles andere als allein. Weltweit listet die Internationale Energieagentur (IEA) in Paris in einer aktuellen Datenbank 845 CCS-Projekte von der Abscheidung über den Transport bis zur Nutzung oder Endlagerung von Kohlendioxid auf.

Viele finden sich in Norwegen, Dänemark und Großbritannien, aber auch in China und im Mittleren Osten, in Saudi-Arabien, Qatar und den Arabischen Emiraten. Die größte Dynamik mit knapp 300 CCS-Vorhaben verzeichnen die USA. Deutschland kommt immerhin auf knapp zwei Dutzend Projekte. „CCS kann eine Rolle für die Senkung der CO2-Emissionen spielen, besonders im industriellen Sektor“, sagte IEA-Direktor Fatih Birol Ende vergangenen Jahres auf der Weltklimakonferenz COP28 in Dubai.

Verschwindend geringe Mengen

Er betonte aber zugleich, dass diese Technologie keine Bremse für die technisch umsetzbare Vermeidung von Treibhausgasen und den schnellen Ausbau der erneuerbaren Energien sein dürfe. Denn dafür sind die abgetrennten und gespeicherten CO2-Mengen schlicht viel zu gering. Aktuell sind nur wenige Dutzend der gelisteten Projekte bereits im Betrieb oder im Bau, alle anderen befinden sich noch in Planung und könnten frühestens bis zum Jahr 2030 Realität werden.

CCS kann eine Rolle für die Senkung der CO2-Emissionen spielen, besonders im industriellen Sektor.“ Fatih Birol, Internationale Energieagentur

Heute werden nur wenige Millionen Tonnen CO2 in laufenden CCS-Anlagen gespeichert, bis 2030 werden es laut IEA-Prognose höchstens 1024 Millionen Tonnen sein. Das ist verschwindend wenig im Vergleich zu den aktuellen CO2-Emissionen, die vergangenes Jahr wieder ein neues Allzeithoch von 36 800 Millionen Tonnen erklommen haben. Selbst für 2050 – die Netto- Null-Zeitmarke, in der rechnerisch weltweit gar kein CO2 mehr in die Atmosphäre gelangen soll – prognostiziert die IEA gerade mal 6000 Millionen per CCS gespeicherte Tonnen. Viel zu geringe Mengen, um die CCS-Technologien auch nur ansatzweise als Entschuldigung für eine weitere intensive Nutzung von fossilen Energieträgern zu strapazieren.

Dennoch herrscht unter Energieanalysten und zahlreichen Klimaforschenden Einigkeit, dass CCS für das Erreichen der Pariser Klimaziele – maximal zwei Grad Erderwärmung – unverzichtbar sein wird. Mit einer Eindämmung der Emissionen, die für eine maximale Erwärmung von 1,5 Grad nötig wäre, rechnen Fachleute für Energie- und Klimaprozesse heute sowieso kaum mehr. Bereits für das vergangene Jahr 2023 ermittelte die Weltwetterorganisation WMO eine global gemittelte Temperatur von 1,45 Grad über dem Niveau vor der Industrialisierung.

Mit den Bestrebungen, bis Mitte des Jahrhunderts Klimaneutralität zu erreichen, bleibt aber immerhin das Zwei-Grad-Ziel greifbar. „Technologien für die Abscheidung und Speicherung von CO2 sind für Netto-Null-Emissionen nötig, um die schwer vermeidbaren Restemissionen auszugleichen“, bringt es Glen Peters, Forschungsleiter des Center for International Climate Research Cicero in Oslo und Mitautor des jüngsten, sechsten Weltklimareports in einem Beitrag für die Fach Zeitschrift „Nature Reviews Earth & Environment“ auf den Punkt.

Welche Emissionen sind unvermeidbar?

Zu diesen selbst in den kommenden Jahrzehnten unvermeidbaren Emissionsquellen zählen beispielsweise Zementwerke und die Müllverbrennung. Der Ansatz, CCS-Technologien für den Klimaschutz zu nutzen, spiegelt sich auch im jüngst veröffentlichten Konzept der Bundesregierung für eine Carbon-Management-Strategie wider. CCS-Maßnahmen sollen darin als dritter, kleinerer Baustein zur Klimaneutralität ab dem Jahr 2045 führen, wohingegen der Schwerpunkt weiterhin auf dem Verzicht fossiler Brennstoffe und der Vermeidung von CO2-Emissionen liegt.

Zugleich erlaubt das Papier allerdings auch, dass neue Gaskraftwerke – rund 50 Anlagen mit zusammen 25 Gigawatt Leistung sind vorgesehen – übergangsweise ihre CO2-Emissionen abspalten und dauerhaft speichern. Während die Diskussion über diese Strategie gerade erst begonnen hat, zeichnet sich inzwischen schon recht deutlich ab, welche Mengen CO2 sich hierzulande auch langfristig nicht vermeiden lassen werden. Die Deutsche Energieagentur Dena geht bei ihren Schätzungen für das Netto-Null-Jahr 2045 von 34 Millionen Tonnen aus, der Thinktank Agora Energiewende von 73 Millionen Tonnen jährlich, also gut dem doppelten Wert.

Jüngst präsentierte der Verein Deutscher Zementwerke (VDZ) eine detaillierte Studie für die Speicherung der deutschen Jahresemissionen aus der Müllverbrennung und der Zement- und Branntkalk-Produktion. 2030 rechnet der VDZ mit 6,5 Millionen Tonnen, mit einer raschen Steigerung auf 45,5 Millionen Tonnen CO2 bis 2045. Zum Vergleich: 2023 sanken die deutschen Emissionen in einem einzigen Jahr um stolze 76 Millionen Tonnen, mit rund zehn Prozent der größte Rückgang seit 1990.

Der CO2-Ausstoß aus zukünftigen Gaskraftwerken mit gekoppelten CCS-Anlagen lässt sich dagegen heute kaum genau beziffern. „Die Mengen sind sehr schwer abzuschätzen“, sagt Christoph Sievering, Experte für Industrietransformation und Gesellschaft am Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie. „Wir wissen nicht, wie viele Stunden die Gaskraftwerke im Jahr laufen werden.“ Denn diese Anlagen sollen vor allem als Backup dienen, um stets eine sichere Stromversorgung in Deutschland garantieren zu können.

Großer Energieaufwand

Parallel wird dazu das Stromnetz ausgebaut, um Erzeugung von Wind- und Solarstrom mit dem Verbrauch bundesweit besser im Gleichgewicht zu halten. Hinzu kommen immer mehr Batteriespeicher, die ebenfalls kurze Erzeugungslücken stopfen können. Als Obergrenze liegt es nahe, die aktuellen Emissionen aller deutschen Gaskraftwerke heranzuziehen. 2023 erzeugten sie rund 75 Terawattstunden Energie – das entspricht etwa 25 Millionen Tonnen CO2.

Um solche großen Kohlendioxid-Mengen aus den Abgasen von Zement- oder Gaskraftwerken zu filtern, stehen mehrere Verfahren zur Verfügung, alle extrem energieaufwendig. Reif für den Einsatz ist die Amin-Wäsche, die der CCS-Spezialist Aker Carbon Capture auch in dem norwegischen Zementwerk in Brevik installiert hat. Dabei absorbieren wässrige Lösungen von Aminen – organische, Stickstoff-haltige Verbindungen – bis zu 90 Prozent des CO2 im Gasstrom.

Anschließend lässt sich das CO2 von diesem „Amin-Waschmittel“ in hoher Konzentration abtrennen und – unter Hochdruck komprimiert und verflüssigt – in Tanks zwischenspeichern. Nach der Abgabe des CO2, der sogenannten Desorption, sind die Amin-Lösungen erneut für die CO2-Abtrennung nutzbar. Statt mit Aminen lässt sich CO2 im Abgasstrom auch mit Hydrogencarbonat abtrennen. Die Carbonat-Wäsche erzielt sogar eine etwas höhere Abscheiderate von 95 Prozent. Doch ebenso wie weitere Ansätze mit Membranfiltern oder gekühltem Ammoniak ist das Verfahren noch längst nicht so ausgereift wie die Amin-Wäsche.

Nach der Abtrennung folgt der Transport zur Küste, um das Gas von dort teils per Schiff, teils per Pipeline zu den Anlagen zu transferieren, die es in Lagerstätten unter dem Meeresboden der Nordsee injizieren. In der Startphase könnten CO2-Tankwagen einige Tonnen auf der Straße transportieren, unterstützt von Bahn und Binnenschifffahrt. Ab 2040 dürfte laut einer Studie des VDZ ein Pipelinenetz die sicherste und günstigste Lösung sein, um die Millionen Tonnen anfallenden Kohlendioxids an ihren Endlagerort zu verfrachten.

„Die Zementhersteller und andere Branchen brauchen bis spätestens 2035 ein CO2-Pipelinenetz“, sagt Vereinspräsident Christian Knell. Ein erster Entwurf kommt auf eine Länge von etwa 4800 Kilometern, um die CO2-Punktquellen, die Müllverbrennungsanlagen und Zementwerke, mit der Küste zu verbinden. Dieses Netz soll dann für die deutschen CO2-Mengen von knapp 50 Millionen Tonnen wie auch als Transitstrecke für zusätzliche 20 Millionen Tonnen aus den Nachbarländern Österreich, Schweiz und Frankreich ausgelegt sein.

Kostenpunkt pro Tonne CO2: Mehrere hundert Euro

Preiswert ist der Aufbau einer solchen Infrastruktur nicht. Der VDZ rechnet mit rund 14 Milliarden Euro Installationskosten. Daraus ergeben sich Transportkosten von 25 bis 35 Euro pro Tonne. Auf der Schiene kalkuliert die Studie für Entfernungen von mehr als 500 Kilometern mit 35 bis 60 Euro pro Tonne. Im Vergleich zu den Kosten für die Abtrennung von CO2 aus den Abgasen von 80 bis 110 Euro pro Tonne ist der Transport allerdings relativ günstig. Für die Speicherung unter dem Meeresboden rechnet die VDZ-Studie mit bis zu 50 Euro pro Tonne.

Insgesamt sollten die Zusatzkosten für die Beseitigung der schwer vermeidbaren Emissionen mit rund 200 Euro pro Tonne veranschlagt werden. Sowohl Norwegen als auch Dänemark bieten sich derzeit als potenzielle Abnehmer für überschüssiges Kohlendioxid an. Das Sleipner-Feld 260 Kilometer westlich der norwegischen Küste beispielsweise ist gut geeignet, um das Gas dort in den Poren einer salzwasserführenden Gesteinsschicht unterhalb des Meeresgrunds dauerhaft einzulagern.

Laut Susanne Buiter, Vorstandssprecherin des Geoforschungszentrum GFZ in Potsdam, hat Norwegen signalisiert, große Mengen CO2 auch von europäischen Partnern speichern zu können. „Doch ob ein solcher Export sinnvoll ist, ist eine politische Entscheidung“, sagt Buiter. „Eigentlich sollten wir das CO2, das wir in Deutschland erzeugen, auch in Deutschland speichern und nicht über lange Wege transportieren.“

Platz genug wäre vorhanden. Nach Angaben der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) in Hannover bieten sich etwa tief gelegene, salzhaltige Grundwässer in Norddeutschland als CO2-Speicher an. Die BGR-Experten beziffern das maximale Potenzial im Norddeutschen Becken und unter der Nordsee, im Oberrheingraben und im Alpenvorland-Becken auf 6,3 bis 12,8 Gigatonnen CO2. Genug Kapazität, um die unvermeidbaren Emissionen der nächsten 100 Jahre einzulagern.

Wir sollten das CO2, das wir in Deutschland erzeugen, auch in Deutschland speichern.“ Susanne Buiter, Deutsches Geoforschungszentrum

In der CCS-Pilotanlage im brandenburgischen Ketzin wurde die Verpressung an Land zwischen 2008 und 2013 bereits erprobt. „Die geologische Speicherung von CO2 am Pilotstandort Ketzin ist sicher und verlässlich und wurde ohne Gefährdung von Mensch und Umwelt umgesetzt“, so Buiter. Wegen mangelnder Akzeptanz bei Bürgerinnen und Bürgern wurden Projekte dieser Art in Deutschland jedoch nicht weiterverfolgt und sind wohl auch in absehbarer Zukunft nicht geplant.

Anders die Lagerung auf See. Der deutsche Teil der Nordsee soll für die CO2-Speicherung erschlossen werden. Dafür will die Bundesregierung die Erkundung von Offshore-Speicherstätten unter dem Meeresgrund in der deutschen Ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ) gesetzlich ermöglichen. Dort vermuten Geologen Speicherstätten mit einer Gesamtkapazität von 1900 bis 4500 Millionen Tonnen CO2 – etwa 30 bis 70 Jahre lang genug Platz für die ungefähr 60 Millionen Tonnen Restemissionen, die nach Schätzung von Experten in Deutschland am Ende jährlich anfallen werden.

Biologische CO2-Reservoire

Ganz ohne Alternativen ist die CCS-Technologie indes nicht. Auch durch Aufforstung, eine nachhaltigere Landwirtschaft und die Wiederbewässerung von Mooren ließen sich rein rechnerisch Abermillionen Tonnen CO2 speichern. Zusätzlich könnten weite Seegraswiesen im Meer ebenfalls viel CO2 binden. Sogar negative Emissionen, also eine Entnahme von CO2 aus der Atmosphäre ist möglich, wenn Biomasse nicht verbrannt, sondern über die sogenannte Pyrolyse verkohlt und danach vergraben wird.

Allerdings basieren all diese biologischen Speichermethoden auf intakten Ökosystemen, die bereits heute sehr effizient große CO2-Mengen aufnehmen. „Die zusätzlichen Kapazitäten der natürlichen Speicher sind eher moderat“, sagt Helmuth Thomas vom Institut für Kohlenstoff-Kreisläufe am Forschungszentrum Hereon in Geesthacht. Zwar sind der Ausbau und der Schutz der biologischen CO2-Senken seiner Ansicht nach ausgesprochen wichtig und sollten intensiviert werden.

„Doch die biologischen Systeme sind im Unterschied zu technischen Lösungen nur begrenzt skalierbar“, gibt Thomas zu bedenken. So wichtig sie für die CO2-Bilanz der Atmosphäre sind, eignen sie sich daher wenig als dauerhafte, zusätzliche CO2-Speicher über Jahrhunderte hinweg. Überdies können Ereignisse wie Waldbände, Dürren oder die Erwärmung der Meere eine biologische CO2-Senke sehr schnell in eine zusätzliche Treibhausgas-Quelle verwandeln.

Auf beliebig große Mengen skalierbar sind dagegen chemische Verfahren, um Materialien wie Kunststoffe oder Kohlefasern herzustellen. Keines dieser Produkte kommt ohne das Element Kohlenstoff aus. Bisher dient dafür zumeist Erdöl als Quelle, stattdessen könnte jedoch auch Kohlenstoff aus CO2 genutzt werden. Allerdings ist der Energieaufwand für diese CCU-Prozesse – das Kürzel steht für Carbon Capture and Utilization – immens. „Und die dafür nötige zusätzliche Energie haben wir in Deutschland nicht“, merkt Christoph Sievering an.

Kreislaufwirtschaft wäre ideal

Folglich liegen auch die Speicherkosten für CO2 in neuen CCU-Produkten laut VDZ-Studie bei 200 bis 400 Euro pro Tonne – doppelt so hoch wie für CCS. Zudem ist die Nutzungsdauer von CCU-Produkten beschränkt – sie reicht von wenigen Tagen für Verpackungen bis zu gut 20 Jahren für hochwertige Materialien wie etwa Kohlefasern in den Rotorblättern von Windkraftanlagen. Das in Produkten gespeicherte CO2 ist also nicht dauerhaft beseitigt, sondern gelangt etwas verzögert wieder in die Atmosphäre.

Dennoch sind CCU-Produkte für eine nachhaltige und klimafreundliche Wirtschaft von hoher Bedeutung. „Ideal wäre der Aufbau einer Kreislaufwirtschaft, über die der Kohlenstoff immer wieder neu genutzt wird“, sagt Sievering. Gelingt diese Wiederverwertung, spielen auch kurze Produktlebensdauern von wenigen Tagen keine Rolle mehr. Stammt der einmal in das Kreislaufsystem eingespeiste Kohlenstoff nicht aus Erdöl, sondern aus Biomasse oder der Abscheidung von CO2, sind rechnerisch sogar negative Emissionen machbar. Da der Kohlenstoff-Bedarf im Kreislauf nach und nach nahezu gedeckt sein dürfte, kann CCU langfristig allerdings nicht als Auffangbecken für immer mehr abgetrenntes CO2 dienen.

Ohnehin mahnt Klimaforscher Glen Peters, sich nicht zu sehr auf solche Verfahren zu verlassen. Auch wenn Entnahme- und Speichertechniken durchaus vielversprechend seien, bleibe die CO2-Einsparung schlicht das beste Gegengift gegen eine riskante Erderwärmung. „Weiterhin sind nahezu alle Vermeidungsmaßnahmen für CO2 einfacher und günstiger“, betont der Wissenschaftler und warnt: CCS und CCU dürften auf keinen Fall als Argument für eine „Weiter so wie bisher“-Nutzung der fossilen Rohstoffe herangezogen werden.

Sein Kollege Christoph Sievering vom Wuppertal Institut sieht noch ein weiteres Risiko mit CCS und CCU verbunden: einen möglichen Zeitverlust durch die langwierigen Diskussionen um die komplexen Technologien. „Es gibt heute viele Optionen mit vielen Unsicherheiten, und keiner trifft eine Entscheidung“, kritisiert er. Doch genau das wäre nötig. Denn um das Zwei- Grad-Ziel noch zu erreichen, werden die nächsten fünf Jahre entscheidend sein.

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