Innovationen zur Kohlenstoffabscheidung: Emissionen in Chancen verwandeln

Wichtigste Erkenntnisse

Die Technologie der Kohlenstoffabscheidung ist ein bewährtes und wirksames Mittel zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen und spielt eine entscheidende Rolle bei der Bekämpfung des Klimawandels und der Erreichung der Netto-Null-Emissionsziele.

Trotz anfänglicher Herausforderungen und hoher Kosten wird die Technologie der Kohlenstoffabscheidung weltweit populärer, was auf die verstärkte Finanzierung von Forschung und Entwicklung, politische Maßnahmen und staatliche Anreize zurückzuführen ist.

Es wird erwartet, dass die Kosten für die Kohlenstoffabscheidungstechnologie in den kommenden Jahren erheblich sinken werden, so dass sie gegenüber anderen kohlenstoffarmen Energielösungen wie Wind- und Solarenergie wettbewerbsfähiger wird.

Warum wir Kohlenstoffabscheidung brauchen

Als 2015 verabschiedete internationale Vereinbarung stellt das Pariser Abkommen eine bedeutende globale Verpflichtung zur Bekämpfung des Klimawandels dar. Es sieht vor, bis Mitte des Jahrhunderts globale Netto-Null-Emissionen zu erreichen, die globale Erwärmung auf deutlich unter zwei (idealerweise 1,5) Grad Celsius über dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen und damit potenziell katastrophale Klima- und Umweltfolgen abzuwenden.

Leider wurden trotz des Abkommens nur begrenzte Fortschritte erzielt, und die CO₂-Emissionen steigen weiter an: Die energiebedingten, gobalen CO₂-Emissionen stiegen im Jahr 2022 um 0,9 Prozent bzw. 321 Megatonnen und erreichten damit einen neuen Höchststand von über 36,8 Gigatonnen.¹

Tatsächlich glauben viele Wissenschaftler inzwischen, dass das Kohlenstoffbudget für einen Temperaturanstieg von 1,5 Grad nicht nur überschritten, sondern weit übertroffen wird.

Warum ist dies der Fall? Tatsache ist, dass viele der bedeutenden politischen Maßnahmen, die zur weltweiten Begrenzung der Kohlenstoffemissionen erforderlich sind, aus wirtschaftlichen Gründen abgelehnt wurden. Stattdessen scheint es für die politischen Entscheidungsträger einfacher, den Weg des geringsten Widerstandes zu gehen und auf zukünftige technologische Fortschritte zu verweisen, die das Problem des Klimawandels lösen sollen.

Aber gibt es diese technologischen Fortschritte? Vorbeugen ist besser als heilen, sagt ein Sprichwort, aber wenn sich unsere Bemühungen zur Emissionsvermeidung als unwirksam erweisen, gibt es vielleicht dennoch andere Möglichkeiten, um zu verhindern, dass Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangt. Die Kohlenstoffabscheidung ist eine solche Technologie.

Technologien zur Kohlenstoffabscheidung gibt es für viele Anwendungen

Obwohl der Begriff Kohlenstoffabscheidung weit gefasst ist und austauschbar verwendet wird, lassen sich zwei Hauptkategorien dieser Technologie unterscheiden.

Die Kohlenstoffabscheidung (Englisch: Carbon Capture) wird im Allgemeinen als punktuelle, ortsgebundene Beseitigung von CO₂ betrachtet – das heißt, der Kohlenstoff wird direkt an der Quelle abgeschieden, bevor er in die Atmosphäre gelangen kann. Bei der Kohlenstoffentfernung (Englisch Carbon Removal) hingegen werden die Emissionen direkt aus der Luft entfernt, was dem natürlichen Geschehen der Pflanzen, Ozeane und natürlichen Kohlenstoffsenken wie Wälder, Feuchtgebiete und Grasland entspricht. Es gibt eine Reihe von Technologien, die im Handel erhältlich sind.

Kohlenstoffabscheidung (Carbon Capture)

Kohlenstoffentfernung (Carbon Removal)

Post-Combustion-Verfahren: Mit dieser Technologie wird CO₂ aus Rauchgasen nach der Verbrennung von fossilen Brennstoffen in Kraftwerken oder Industrieanlagen abgeschieden. Dabei werden in der Regel Lösungsmittel oder Sorbentien verwendet, um CO₂ selektiv zu absorbieren und von anderen Gasen zu trennen.
Pre-Combustion-Verfahren: Diese Methode wird hauptsächlich in Kraftwerken eingesetzt, die mit fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Erdgas betrieben werden. Dabei wird der Brennstoff durch Prozesse wie Vergasung oder Reformierung in ein Gemisch aus Wasserstoff und CO2 umgewandelt. Das CO2 wird dann vor der Verbrennung vom Wasserstoff getrennt.

Direkte Luftabscheidung (DAC „Direct Air Carbon“): Bei der DAC-Technologie wird das CO₂ direkt aus der Umgebungsluft gewonnen. Große Ventilatoren oder chemische Verfahren werden eingesetzt, um CO₂ aus der Luft zu absorbieren, gefolgt von Abtrennung und Speicherung. DAC kann besonders nützlich für die Abscheidung von CO₂ aus verstreuten Quellen sein, erfordert aber derzeit einen erheblichen Energieaufwand.
Biologische Abscheidung: Bei diesem Ansatz werden natürliche oder künstliche biologische Systeme wie Algen oder Pflanzen eingesetzt, um CO₂ aus der Atmosphäre oder aus Industrieemissionen zu absorbieren. Der abgeschiedene Kohlenstoff kann gespeichert oder in verschiedenen Anwendungen wie Biokraftstoffen oder Biomasse verwendet werden.

Abgeschiedener Kohlenstoff kann gespeichert und sogar in industriellen Prozessen verwendet werden

Abgeschiedenes CO2 kann unterirdisch in geologischen Formationen gelagert werden. Die gängigste kommerzielle Methode besteht darin, den abgeschiedenen Kohlenstoff in eine hochkritische Flüssigkeit zu verwandeln und diese im Boden zu lagern. Sie kann sogar in tiefe Formationen unter der Erde injiziert werden. Alternativ kann sie für eine Reihe von industriellen Prozessen verwendet werden, beispielsweise für die Algenzucht. Dabei wird das abgeschiedene CO2 eingesetzt, um das Wachstum von Algen zu fördern, die dann zu Biokraftstoffen, Tierfutter oder anderen hochwertigen Produkten weiterverarbeitet werden können.

Die punktuelle Kohlenstoffabscheidung ist eine bewährte Technologie, die funktioniert

Die punktuelle Kohlenstoffabscheidung in Kohlekraftwerken ist eine äußerst praktikable Technologie. Bei fast allen Anwendungen werden etwa 85-90 Prozent des Kohlenstoffs erfolgreich abgeschieden, bei einigen sogar noch mehr. Je näher die Abscheidungsrate an 100 Prozent heranreicht, desto höher sind die Grenzkosten, so dass die Gesamteffektivität ein wirtschaftlicher Kompromiss ist.²

Diese hohen Abscheideraten sind auf die Kohlenstoffkonzentration in den Fabrikemissionen zurückzuführen, weshalb die Punktquellen-Technologie so wirksam ist. Leider ist das Gegenteil der Fall, wenn es um die direkte Entfernung von Kohlenstoff aus der Luft geht. Die weltweite durchschnittliche CO2-Konzentration in der Atmosphäre liegt bei 415 Teilen pro Million (ppm). Das bedeutet, dass auf eine Million Luftmoleküle etwa 415 CO2-Moleküle entfallen. Im Vergleich dazu können die Rauchgase aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe CO2-Konzentrationen von einigen Prozent bis zu über 15 Volumenprozent aufweisen, was Zehntausenden von ppm entspricht.³ Der Kohlenstoff ist daher in der Luft weitaus stärker verdünnt als in einer Erdgasanlage, was bedeutet, dass seine Abscheidung wesentlich schwieriger (und teurer) ist.

Die Kohlenstoffabscheidung zeigt bereits Auswirkungen

Laut einem Bericht des Global Carbon Capture and Storage Institute werden derzeit jedes Jahr etwa 40 Millionen Tonnen Kohlenstoff abgeschieden und in den Boden eingebracht. Im Jahr 2022 wurden 61 neue Anlagen in die Projektpipeline aufgenommen, wodurch sich die Gesamtzahl der in Betrieb befindlichen CCS (Carbon Capture and Storage)-Projekte auf etwa 30 erhöht. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des Berichts befanden sich weitere 11 Anlagen im Bau und über 153 in der Entwicklung.⁴

Dennoch konnte sich die Technologie zur Kohlenstoffabscheidung aufgrund hoher Kosten und fehlender wirtschaftlicher Anreize bis jetzt nur langsam durchsetzen. Gegenwärtig ist es nach wie vor weitaus billiger, CO2 in die Umwelt zu blasen, als es abzuscheiden und zu speichern. Die Bemühungen politischer Entscheidungsträger um eine Verringerung der Treibhausgasemissionen, etwa in Form von Emissionsgutschriften, sind zwar gut gemeint, aber wenig effektiv, da sie auf einen Ausgleich der Emissionen abzielen, anstatt sie gleich an der Quelle zu reduzieren. Hinzu kommen die Herausforderungen bei der Überprüfung und Überwachung von Kompensationsmaßnahmen, die komplex und anfällig für Schlupflöcher sind.

Die Kohlenstoffabscheidung wird zunehmend wettbewerbsfähig

Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) werden die Kosten für Kohlenstoffabscheidung bis 2030 voraussichtlich um 30 bis 50 Prozent sinken.⁵

Dadurch würde die Technologie im Vergleich zu anderen CO2-armen Produktionsmethoden wie Wind- und Solarenergie konkurrenzfähig werden. Die Innovationen und die daraus resultierende Kostensenkung, die wir bisher gesehen haben, waren größtenteils das Ergebnis erheblicher Investitionen in Forschung und Entwicklung sowie staatlicher Unterstützung in Form der Bepreisung von Kohlenstoff, Subventionen und Steuererleichterungen.

- Im Jahr 2022 haben die USA wichtige Initiativen zur Beschleunigung der Entwicklung von CCS-Projekten ergriffen. Dazu gehören neue Mittel aus dem Infrastructure Investment and Jobs Act 2021 und günstige Anpassungen der CCS-Steuergutschriften im Rahmen des Inflation Reduction Act (“IRA”) 2022. Mit dem IRA wird das System der leistungsbezogenen Steuergutschriften in den Vereinigten Staaten (45Q) verbessert, was den Technologien zur Kohlenstoffabscheidung direkt zugute kommt. Das Gesetz erhöht das Ausmaß und die Verfügbarkeit von Steuergutschriften für CCS-Projekte, indem die Beträge der Gutschriften an die Inflation angepasst werden. Dies trägt dazu bei, Anreize für Investitionen in Technologien und Infrastrukturen zur Kohlenstoffabscheidung zu schaffen und zu unterstützen, indem es finanzielle Anreize bietet und die Gesamtkosten für die Durchführung von Projekten zur Kohlenstoffabscheidung senkt. Durch die Verbesserung der 45Q-Steuergutschriftenregelung hat die IRA eines der Haupthindernisse für eine breite Umsetzung von CCS beseitigt: die Kosten
- • Die EU hat im März 2023 den Net Zero Industry Act auf den Weg gebracht, mit dem bis 2030 eine jährliche CO2-Emission von 50 Millionen Tonnen angestrebt wird. Sie hat auch die Genehmigungsverfahren für CCS gestrafft – mit positiven Folgen: Im März 2023 wurde beispielsweise die Pilotphase des Projekts Greensand in Dänemark in Betrieb genommen. Bei diesem Projekt wird CO2 aus Belgien transportiert, um in einem erschöpften Ölfeld in der dänischen Nordsee gespeichert zu werden.⁶
- Als Zeichen seines Engagements hat das Vereinigte Königreich in seinem Frühjahrshaushalt 2023 20 Milliarden Pfund bereitgestellt, um CCS-Projekte in der Frühphase voranzutreiben.⁷
- Indonesien hat mit der Fertigstellung seines Rechts- und Regulierungsrahmens für CCS im März 2023 einen wichtigen Meilenstein erreicht und damit ein Beispiel für die Region gesetzt und eine solide Grundlage für CCS-Aktivitäten geschaffen.⁸
- In China wurden 2023 drei neue CCS-Projekte in Betrieb genommen, was das Engagement des Landes für die CCS-Technologie weiter vorantreibt. In der Zwischenzeit hat Japan Schritte in Richtung Kommerzialisierung der Technologie unternommen und sieben Projekte zur Unterstützung ausgewählt.⁹

Die Finanzierung von Forschung und Entwicklung sowie eine unterstützende Politik sind wichtige Triebkräfte für Innovation, Größenvorteile und Kostensenkungen. All diese Maßnahmen zeigen auch, dass CCS weltweit zunehmend als wichtiges Instrument zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen und zur Entwicklung nachhaltigerer Energiepraktiken anerkannt wird.

Fallstudie: Aker Carbon Capture ASA

Aker Carbon Capture ASA (“Aker”) ist ein norwegisches Unternehmen, das sich auf die Entwicklung und Bereitstellung von CCS-Lösungen konzentriert. Es ist eine Tochtergesellschaft der Aker-Gruppe, einer bedeutenden industriellen Investmentgesellschaft in Norwegen.

Norwegen hat die CCS-Technologie in erheblichem Maße unterstützt und damit ideale Bedingungen für das Wachstum von Unternehmen wie Aker geschaffen. Die Bereitstellung von Mitteln für die CCS-Forschung und -Entwicklung durch die norwegische Regierung sowie die Initiierung von Projekten wie dem Longship-Projekt unterstreichen dieses Engagement. Bei „Longship“ geht es darum, industrielle CO2-Emissionen abzufangen und zur Lagerung unter der Nordsee zu transportieren.

Aker möchte den Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft unterstützen, indem es der Industrie hilft, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Die punktuellen Kohlenstoffabscheidungssysteme von Aker können in verschiedene Industrieanlagen integriert werden, z.B. in Zement- und Müllverbrennungsanlagen, Raffinerien und Wasserstoffproduktionsanlagen.

Ein Schlüsselprojekt ist eine Partnerschaft zwischen Aker und dem norwegischen Zementhersteller Heidelberg Norge. Aker entwickelt in Zuge der Partnerschaft eine großtechnische Anlage zur Kohlenstoffabscheidung, Konditionierung, Kompression, Wärmeintegration, Zwischenspeicherung und Verladung für ein Zementwerk in Brevik (Norwegen). Die Kapazität der Anlage zur Kohlenstoffabscheidung entspricht etwa der Hälfte der jährlichen CO₂-Emissionen des Werks in Brevik. Das CO₂ soll aus den Rauchgasen des Zementofens abgeschieden werden, wobei die Abwärme aus dem Zementwerk und der CO₂-Kompressionsanlage durch eine firmeneigene Wärmeintegrationstechnologie zurückgewonnen wird.¹⁰

Aker konzentriert sich auch auf die Nutzung und Speicherung von abgeschiedenem CO₂. Das Unternehmen erforscht Möglichkeiten für die Wiederverwendung von CO₂ in verschiedenen Anwendungen wie der Produktion von nachhaltigen Kraftstoffen, Chemikalien und Baumaterialien. Darüber hinaus arbeitet das Unternehmen an der Entwicklung von Lösungen für die sichere und dauerhafte Speicherung von CO₂, um zu gewährleisten, damit sie nicht in die Atmosphäre gelangen.

Durch die Bereitstellung umfassender CCS-Lösungen strebt Aker danach, die Industrie dabei zu unterstützen, ihre Emissionsreduktionsziele zu erreichen und einen Beitrag zu den weltweiten Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels zu leisten. Die Technologien und das Fachwissen von Aker im Bereich der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung unterstützen die Dekarbonisierung industrieller Prozesse und ermöglichen den nachhaltigen Übergang zu einer kohlenstoffarmen Zukunft.

Fazit

Die Treibhausgasemissionen steigen weiterhin in rasantem Tempo an. Während sich die Wissenschaft weitgehend einig ist, dass die Verringerung der Emissionen das Wichtigste ist, um die globale Erwärmung zu verlangsamen, ist die Kohlenstoffabscheidung eine bewährte Innovation, mit der die Menge an CO₂, die in die Atmosphäre gelangt, drastisch reduziert werden kann. Sie ist eine Schlüsseltechnologie des grünen Übergangs und wird dazu beitragen, den seismischen Wandel der Weltwirtschaft hin zu einer Netto-Null-Emission zu erleichtern.

Damit sich die Technologie jedoch wirklich durchsetzen kann, müssen die politischen Entscheidungsträger weltweit wirtschaftliche Anreize schaffen und den freien Ausstoß von CO₂ in die Atmosphäre einschränken. Wir werden keine bloßen Worte, sondern die Umsetzung der kollektiven Maßnahmen brauchen, die das Pariser Abkommen versprochen, aber nicht gebracht hat. Sicherer ist jedoch, dass die gesetzliche Unterstützung, die wir bisher für die Technologie der Kohlenstoffabscheidung gesehen haben, wie z.B. die Steuergutschriften des Inflation Reduction Act, stattfindet und weiter an Schwung gewinnen wird.

Insgesamt ist die Kohlenstoffabscheidungstechnologie auf einem guten Weg, mit anderen kohlenstoffarmen Energietechnologien wie Wind- und Solarenergie kostenmäßig wettbewerbsfähig zu werden. Die günstigen Rahmenbedingungen werden enorme Möglichkeiten für Unternehmen schaffen, die in der Lage sind, ihr Geschäftsmodell mit innovativen Anwendungen über verschiedenste Branchen hinweg zu auszudehnen.

References

International Energy Agency, “CO₂ Emissins in 2022″, March 2023. Available at: https://www.iea.org/reports/co2-emissions-in-2022

The Guardian, “Q&A What is carbon capture and storage and how does it work?” Available at: https://www.theguardian.com/society/thecarbonquestion/story/0,,2287192,00.html

ScienceDirect, “A Review of Post-combustion CO2 Capture Technologies from Coal-fired Power Plants”. Available at: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/post-combustion-capture

Global CCS Institute, “2022 Status Report”. Available at: https://status22.globalccsinstitute.com/2022-status-report/introduction/

IEA, Net Zero By 2050. Available at: https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050

IEA, August 2023. Available at: https://www.iea.org/energy-system/carbon-capture-utilisation-and-storage

Ibid.

Aker Carbon Capture, Key Projects. Available at: https://akercarboncapture.com/about-us/key-projects/