Meike Lohkamp

Wie CO2 aus der Luft entfernt werden kann

Um die Ziele des Pariser Abkommens zu erreichen und die globale Erwärmung auf 1,5 bis 2 Grad Celsius zu begrenzen, wird es nicht ausreichen, weniger Kohlenstoff (CO2) auszustoßen. Zusätzlich muss auch CO2 aus der Atmosphäre entfernt werden. Dies ist sowohl durch natürliche als auch technische Verfahren möglich. Basierend auf einer neuen Studie der Helmholtz-Klima-Initiative stellen wir euch hier die verschiedenen Methoden der CO2-Entfernung und ihre Potentiale für Deutschland vor.

Bioenergie mit CO2-Abscheidung und -Speicherung (BECCS)

Bei der Bioenergie mit CO2-Abscheidung und -Speicherung (engl. Bioenergy with Carbon Capture & Storage, kurz BECCS) geht es darum, CO2 bei Bioenergie-Anwendungen abzufangen, bevor es in die Atmosphäre gelangt. Das CO2 soll dann entweder durch CO2‑Abscheidung und -Lagerung (engl. Carbon Capture and Storage, kurz CCS) gespeichert werden oder mittels CO2‑Abscheidung, ‑Nutzung und ‑Speicherung (engl. Carbon Capture Use and Storage, kurz CCUS) wiederverwendet werden.

Die Holzvergasung ist eine hochentwickelte Technologie zur Umwandlung von fossilen Brennstoffen und Abfällen. Biomasse als Ausgangsmaterial wird umfassend untersucht, und es werden weltweit Großanlagen zu Pilot- und Demonstrationszwecken errichtet und betrieben. In ihrem Konzept gehen die Forscher:innen davon aus, dass eine Vergasungsanlage mit einer thermischen Leistung von 100 Megawatt, die mit einer Vorrichtung zur Abscheidung des bei der Vergasung entstehenden CO2 ausgestattet ist, 60 Kilotonnen CO2 pro Jahr abscheiden könnte. Bei einem Ausbau der Anlage könnten bis 2050 sogar 3,72 Megatonnen CO2 abgeschieden werden. Diese Option befindet sich derzeit noch in der Pilotphase. Der Einsatz wäre in ein paar Jahren möglich.

Pyrolyse, also die Zersetzung organischer Verbindungen bei hohen Temperaturen und unter weitgehendem Ausschluss von Sauerstoff, ist bei fossilen Brennstoffen, aber auch bei Rohstoffen aus Biomasse, weit verbreitet. Den Forscher:innen zufolge könnte eine thermische Anlage mit einer Leistung von 50 Megawatt jährlich 100 Kilotonnen CO2 abscheiden. Geht man von einer Nutzung von 10 Megatonnen Holz aus, könnten mit dieser Technologie jährlich 12,2 Megatonnen CO2 abgeschieden werden. Diese Option befindet sich derzeit noch in der Pilotphase. Der Einsatz wäre in ein paar Jahren möglich.

In Deutschland sind rund 9.000 Biogasanlagen in Betrieb. Würden bis 2050 etwa 4.000 Biogasanlagen mit einer Mindestleistung von 500 Kilowatt elektrisch (kWel) mit Kohlenstoffabscheidungsanlagen nachgerüstet, könnten etwa 12,6 Megatonnen CO2 abgeschieden werden. Diese Option befindet sich derzeit noch in der Pilotphase. Der Einsatz wäre in ein paar Jahren möglich.

Paludikultur ist die Nutzung von nassen oder wiedervernässten Moorböden für verschiedene Zwecke einschließlich der Erzeugung von Biomasse und Bioenergie. In Deutschland wird auf einer Fläche von circa 215.000 Hektar Paludikultur betrieben. Eine solche Fläche könnte den Rohstoff für etwa 156 Biogas-BHKWs mit einer Leistung von je 500 Kilowatt elektrisch (kWel) liefern, wodurch 0,49 Megatonnen CO2 pro Jahr gebunden würden. Aktuell befindet sich das Projekt im Demonstrationsstadium. Der Einsatz wäre in ein paar Jahren möglich.

Ein BECC-Rohstoff, der das Problem der Flächenkonkurrenz umgehen könnte, sind Makroalgen, also Biomasse marinen Ursprungs. Die Technologien zum Züchten und Kultivieren von Makroalgen sind gut entwickelt und ausgereift und werden insbesondere in asiatischen Ländern erfolgreich eingesetzt. In Deutschland wurde an der Nordseeküste eine neue Anlage für die Marikultur von braunen Makroalgen entwickelt und getestet. An der deutschen Nordseeküste gibt es etwa 250 Biogasanlagen. Würden diese Kraftwerke mit CCS-Anlagen nachgerüstet, könnten damit etwa 0,79 Megatonnen pro Jahr abgeschieden werden. Diese Option befindet sich derzeit noch in der Pilotphase. Der Einsatz wäre in ein paar Jahren möglich.

Direkte CO2‑Abscheidung und Speicherung (DACC)

Bei der direkten CO2‑Abscheidung (engl. direct air carbon capture, kurz DACC) wird CO2 aus der Umgebungsluft entfernt.

Verfahren, die als direkte Kohlenstoffabscheidung (Direct Air Carbon Capture, DACC) bezeichnet werden, sind technologische Lösungen, die es ermöglichen, CO2 aus der Atmosphäre zu filtern. Die Systeme nutzen spezifische chemische Wechselwirkungen des CO2 mit speziellen Materialien, um das Treibhausgas zu binden und so aus der Luft zu entnehmen. Es gibt Hochtemperatursysteme, die in der Regel nur in großem Maßstab realisierbar sind, und Niedertemperatursysteme, die potenziell in einer dezentralen Anwendung, zum Beispiel in Lüftungsanlagen von Gebäuden, eingesetzt werden können, wodurch sich der Flächenbedarf verringert. Der Einsatz von DACC-Anlagen ist abhängig von externen Faktoren wie Energieversorgung oder verfügbarem Bauland. Es ist daher recht schwierig, das Potenzial einzuschätzen. Prinzipiell wäre in Deutschland eine Abscheidung von bis zu 100 Megatonnen CO2 pro Jahr denkbar. Würde man nur große Gebäude nachrüsten, würde die Zahl auf etwa 15 Megatonnen CO2 pro Jahr sinken. Im Hinblick auf die Implementierung befindet sich das dezentralisierte DACC noch im Demonstrationsstadium. Der Einsatz wäre frühestens in zehn Jahren möglich. Mit zentralisierten DACC-Parks, DACC-Anlagen mit mehreren Absorbern und einer hohen kombinierten Abscheidungskapazität im Megatonnen-Bereich, könnte circa eine Megatonne CO2 pro Jahr abgeschieden werden. Die zentralisierte DACC befindet sich derzeit noch in der Pilotphase. Der Einsatz wäre in circa zehn Jahren möglich.

Erweiterung natürlicher Senken (ENS)

Natürliche Senken – auch natürliche Kohlenstoffsenken genannt – sind natürliche ‚Behältnisse‘, die vorübergehend mehr CO2 aufnehmen und speichern als sie abgeben.

Moore sind Gebiete mit natürlich angehäuften dicken Schichten aus abgestorbenem organischem Material. Nicht entwässerte Moore, die als Unterklasse der Moorlandschaften zwischen Hochland und Wasser gelegen sind, akkumulieren aufgrund der unvollständigen Zersetzung von Pflanzenmaterial und tierischen Überresten unter wassergesättigten Bedingungen Torf in den Böden. In Deutschland verursachen degradierte Moore, die größtenteils durch Entwässerung für die Land- und Forstwirtschaft entstanden sind, mehr als fünf Prozent (47 Millionären Tonnen CO2-Äquivalente pro Jahr) der Treibhausgasemissionen. Mit einer entsprechenden Planung, die die Anforderungen der landwirtschaftlichen Nutzung und der Wassernutzung berücksichtigt, bietet die Wiedervernässung dieser entwässerten Moore eine kosteneffiziente Möglichkeit, bis zu 43 Megatonnen CO2-Emissionen in der Landwirtschaft einzusparen. Darüber hinaus würden von einer solchen Maßnahme Artenvielfalt und Ökosysteme profitieren. Was die praktische Umsetzung anbelangt, ist diese Option bereits verfügbar.

In den letzten Jahrhunderten wurden Wälder abgeholzt, um die Flächen für die Landwirtschaft zu erschließen. Dadurch wurden große Mengen an CO2 freigesetzt. Durch die Aufforstung von Ackerflächen zu Sekundärwäldern wird Kohlenstoff aus der Atmosphäre in Form von Biomasse und organischem Kohlenstoff, der aus den Rückständen abgestorbener Pflanzen besteht, im Boden gebunden. In Deutschland gibt es circa 3,3 Megahektar Land, die sich für eine Aufforstung eignen würden. Wenn zehn Prozent dieser Fläche aufgeforstet würden, könnten allein in Deutschland zwischen 2020 und 2050 72 Millionen Tonnen CO2 gebunden werden. Was die praktische Umsetzung anbelangt, ist diese Option bereits verfügbar.

Durch die zusätzliche Bewirtschaftung von Ackerflächen mit Zwischenfrüchten, das heißt Pflanzen, die zur Bodenbedeckung und nicht zum Zwecke der Ernte gepflanzt werden, kann mehr Kohlenstoff im Boden gespeichert werden. In Deutschland werden bereits rund 2,2 Megahektar Ackerfläche mit Zwischenfrüchten bewirtschaftet. Weitere zwei Megahektar Ackerfläche könnten für den Anbau von Zwischenfrüchten in Fruchtfolgen geeignet sein. Würden bis 2050 zusätzlich zwei Megahektar Ackerland mit Zwischenfrüchten eingesät und der Anbau von Zwischenfrüchten jährlich um zwei Prozent erhöht, könnten etwa 44 Megatonnen CO2 aus der Atmosphäre gebunden werden. Was die praktische Umsetzung anbelangt, ist diese Option bereits verfügbar.

Die verstärkte Verwitterung, sowohl an Land als auch auf dem Meeresboden, ist eine der wichtigsten natürlichen Anpassungen des Erdsystems an erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen oder Temperaturen. Die verstärkte Gesteinsverwitterung als CDR-Maßnahme beschleunigt diesen Prozess, um CO2 durch die Verwitterung von Karbonat- und Silikatmineralien, die in pulverisierter Form auf Erdoberflächen wie landwirtschaftlichen Böden ausgebracht werden, zu binden. Grundsätzlich kann eine Vielzahl natürlicher oder künstlicher Alkaliquellen verwendet werden, aber der Schwerpunkt liegt hier auf Kalkstein oder Silikatgestein wie Basalt. Basalt wird vor allem in Mitteldeutschland abgebaut, wobei die jährliche Fördermenge pro Steinbruch zwischen 0,1 und 4,9 Megatonnen Gestein bei einer maximalen Abbaukapazität von 32 Megatonnen liegt. Legt man einen der größeren Steinbrüche als Referenz zugrunde, könnten mit vier Megatonnen Basalt, die auf Ackerflächen in Deutschland ausgebracht würden, 0,727 Megatonnen CO2 aus der Atmosphäre entnommen werden. Würde man die maximale Abbaukapazität (das heißt 32 Megatonnen Silikatgestein) ausschöpfen, könnten bis zum Jahr 2050 auf 0,6 Megahektar Ackerland etwa 5,82 Megatonnen CO2 pro Jahr durch verstärkte Gesteinsverwitterung gebunden werden. Aktuell befindet sich das Projekt im Demonstrationsstadium. Eine praktische Umsetzung wäre frühestens in zehn Jahren möglich.

Seegraswiesen und Salzmarschen leisten bereits einen wichtigen Beitrag zur Eindämmung des vom Menschen verursachten Klimawandels. In Deutschland binden diese Ökosysteme jährlich schätzungsweise rund 132 Kilotonnen CO2. Durch die Verbesserung der Rahmenbedingungen, zum Beispiel der Wasserqualität durch Kläranlagen oder durch Anpassungen der Düngeverordnung für landwirtschaftliche Flächen und die Erweiterung dieser natürlichen CO2-Senken, könnten bis zum Jahr 2050 an den deutschen Küsten insgesamt 200 Kilotonnen CO2 jährlich aus der Atmosphäre entnommen werden. Was die praktische Umsetzung anbelangt, ist diese Option bereits verfügbar.

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