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Bei CCS (Carbon Capture and Storage) handelt es sich um die Abscheidung und Speicherung von CO2. Das Entziehen von CO2 aus der Luft bezeichnet die Wissenschaft als «negative Emissionen». Negativemissionstechnologien (NET) können sowohl im Inland wie auch im Ausland zur Anwendung kommen.
Globale Sicht
Um das Thema Klima betrachten zu können, muss der grosse globale Kontext erfasst werden: Die CO2-Emissionen liegen weltweit bei 40 Gigatonnen pro Jahr. Wenn das Pariser Klimaabkommen erreicht werden soll, muss dieser Ausstoss bis Mitte des Jahrhunderts auf Null heruntergefahren werden. Der Grossteil dieser Reduktion muss durch konventionelle Mitigation (= aktive Verringerung) passieren. Noch viel wichtiger als in der Schweiz ist CCS anderswo. Länder wie China oder Indien werden in absehbarer Zukunft ihren rasch steigenden Stromverbrauch voraussichtlich durch neue Kohle- und Gaskraftwerke decken und auch der Bedarf an Stahl und Zement wird weltweit ebenfalls steigen. Die im Jahr 2050 verbleibenden, schwer vermeidbaren Emissionen können einerseits mit natürlichen und andererseits mit technischen Mitteln vermieden oder ausgeglichen werden. Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten:
- Die klassische und einfachste Lösung ist das Aufforsten. Bäume sind natürliche CO2-Senken. Sie absorbieren das Gas durch Photosynthese und speichern es in Stämmen, Ästen, Wurzeln und im Boden. Waldbrände oder Rodungen können jedoch das gespeicherte CO2 wieder freisetzen.
- Eine theoretische Möglichkeit nennt sich Bioenergie-CCS. Dabei wird CO2 in schnell wachsender Biomasse gespeichert, die Biomasse wird zur Energiegewinnung verbrannt, aus den Abgasen wird CO2 abgeschieden, das abgeschiedene CO2 wird unterirdisch gespeichert. Als grosse Probleme werden bei dieser Technologie die Nachteile von Monokulturen und die Konflikte bei der Flächennutzung angesehen.
- Eine weitere Möglichkeit, die zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist die Direct-Air-Capture-Technologie (DA-CCS), bei der CO2 direkt aus der Luft abgeschieden und im Untergrund eingelagert wird.
Punktquellen für die CO2-Abscheidung
Etwa die Hälfte der weltweiten CO2- Emissionen stammen aus Kohle-, Gas- und Ölkraftwerken sowie der Stahl- und Zementindustrie. Solche grossen Punktquellen eignen sich besonders gut dafür, das CO2 aus dem Abgasstrom herauszufiltern. Zur Abtrennung gibt es verschiedene Verfahren: vor der Verbrennung des Brennstoffs («pre-combustion») oder danach («oxyfuel-combustion» oder «post-combustion», dieses Verfahren wird heute am häufigsten eingesetzt). CCS erfordert jedoch bedeutende Investitionen und die CO2-Abscheidung beeinträchtigt die Energieeffizienz der Kraftwerke, wodurch die Stromerzeugungskosten um 50 bis 90 Prozent steigen.
Auch Kehrichtverwertungsanlagen sind für die CO2-Abscheidung geeignet, da sie eine grosse Quelle von CO2 darstellen. Der Bund hat mit dem Dachverband der Betreiber Schweizer Abfallverwertungsanlagen (VBSA) eine Zielvereinbarung geschlossen, wonach bis im Jahr 2030 mindestens eine CO2-Abscheidungsanlage in Betrieb sein muss. Bei der KVA Linth in Niederurnen GL werden die Grundlagen für diese erste Abscheidungsanlage erarbeitet. Für die Entwicklung dieses Pionierprojekts und den Aufbau von landesweit nutzbarem Know-how wurde an diesem Standort Ende März 2022 ein CO2-Kompetenzzentrum geschaffen.
Gezielte Skalierung
Gemäss Modellannahmen (Langfristige Klimastrategie, Bundesrat, 2021) wäre in der Schweiz vor allem Bioenergie-CCS möglich. Wegen angenommener begrenzter NET-Kapazitäten im Inland müssen bis 2050 zusätzlich voraussichtlich rund 5 Millionen Tonnen negative Emissionen im Ausland realisiert werden, um Rest-Emissionen, etwa aus der Landwirtschaft, auszugleichen und das Netto-Null-Ziel zu erreichen. Gemäss den Energieperspektiven 2050+ würde dies primär über DA-CCS an geeigneten Standorten erfolgen, dort wo viel erneuerbare Energie und geologische Speicherstätten verfügbar sind (vgl. Bild 1).
Direct-Air-Capture-Technologie
Auf dem Gebiet der Direct-Air-Capture-Technologie sind mehrere Unternehmen aktiv, darunter die Schweizer Firma Climeworks. Sie entwickelt und baut grosse Anlagen, die das Kohlendioxid aus der Umgebungsluft filtern. Firmengründer sind Christoph Gebald und Jan Wurzbacher, zwei Ingenieure der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETHZ).
Die Anlagen von Climeworks bestehen aus modularen CO2-Kollektoren, die beliebig erweitert werden können und so Anlagen jeglicher Grösse ermöglichen (vgl. Bild 3). Diese Anlagen werden ausschliesslich von erneuerbarer Energie oder Energie aus Abfall betrieben. Eine unabhängige Lebenszyklusanalyse hat ergeben, dass die Emissionen dieser Anlagen unter 10 Prozent liegen. So werden von 100 Tonnen aus der Luft abgezogenem CO2 mindesten 90 Tonnen permanent entfernt.
Am 8. September 2021 wurde die Anlage Orca in Island in Betrieb genommen (vgl. Bild 2). Es ist die weltweit erste und grösste DA-CCS-Anlage. Die modulare Anlage besteht aus acht Sammelbehältern mit einer jährlichen Aufnahmekapazität von jeweils 500 Tonnen. Die Container sind um eine zentrale Prozesshalle angeordnet, in der die gesamte Elektrik, wie zum Beispiel die Aufbereitungseinheit, untergebracht ist. Die Anlage kann aus der Ferne bedient und gesteuert werden. Die für den Betrieb des Direct-Air-Capture-Prozesses erforderliche Wärme und Elektrizität wird vom Geothermiekraftwerk Hellisheidi geliefert.
Die CO2-Kollektoren ziehen das CO2 in einem zweistufigen Prozess ab. Zuerst wird Luft mittels eines Ventilators in den Kollektor eingesaugt. Dabei wird das CO2 auf der porösen Oberfläche des im Kollektor eingebauten Filtermaterials (Sorbent) abgefangen. Die Oberfläche reagiert mit dem CO2 und bindet es.
Nach ca. ein bis zwei Stunden ist dieser Filter vollständig mit CO2 besetzt. Der Behälter wird geschlossen und die Temperatur auf 80 bis 100°C erwärmt, wodurch das konzentrierte CO2 zur anschliessenden Nutzung oder Speicherung abgegeben wird.
CCU – Carbon Capture Use ist die Nutzung des abgeschiedenen Treibhausgases – etwa durch die Produktion von Treibstoffen. Die heutigen Möglichkeiten zur Nutzung von CO2 sind gemäss aktuellen Studien noch nicht wirtschaftlich. An einer Optimierung der Technologien zur CO2-Nutzung wird weltweit intensiv geforscht.
CCS – Carbon Capture Storage ist die dauerhafte Speicherung von CO2. Als Lagerungsorte kommen unterirdische leere Gasfelder oder geeignete Gesteinsformationen in Frage.
Speicherung des CO2
Das abgeschiedene CO2 wird komprimiert und in flüssiger Form per Pipeline zu einem Standort transportiert, an dem es unterirdisch in geologischen Formationen wie Öl- oder Gasreservoirs, salzwasserführenden Gesteinsschichten oder unter den Meeresboden gepumpt wird. Bei der Entwicklung einer umfassenden CO2-Transport- und Speicherinfrastruktur bestehen grundsätzlich grosse Herausforderungen: Um die grossen Mengen an CO2 zu den Speicherstätten zu bringen, wäre ein Pipelinenetzwerk nötig. Dieses müsste an ausländische Transportnetzwerke angeschlossen werden, um den Zugang zu ausländischen Speicherstätten zu gewährleisten. Die Diskussionen dazu sind aber international (in der EU) noch ganz am Anfang.
Indem CO2 in alternde Reservoirs gepresst wird, kann die Öl- oder Gasausbeute verbessert werden. Diese Art der Ölgewinnung wird auch «Enhanced Oil Recovery (EOR)» genannt. Diese Form der CO2-Speicherung wird verständlicherweise scharf kritisiert. Experten befürchten in diesem Zusammenhang, dass eine starke Konzentration auf CCS gegenteilige Effekte begünstigen und die kollektive Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verschärfen könnte.
Die Climeworks-Anlage Orca wird in Zusammenarbeit mit der isländischen Firma Carbfix betrieben. Carbfix mischt das aus der Luft entfernte Kohlendioxid mit Wasser und pumpt das Gemisch mehr als 400 Meter tief unter die Erde. Durch natürliche Mineralisierung reagiert das CO2 mit Basalt und wandelt sich innerhalb von nur wenigen Jahren zu Gestein um (vgl. Bild 4).
Weiterverwendung des CO2
Ergänzend zu einer Speicherung in geologischen Formationen kommen auch stoffliche Nutzungen von CO2 in Frage. Das aus dem Abscheideprozess gewonnene hochreine CO2 kann als Rohstoff verwendet werden, um erneuerbare und kohlenstoffneutrale Treibstoffe (Synfuels) und Materialien herzustellen.
Aufruf zum Handeln
Der Bundesrat ist bestrebt, neuste wissenschaftliche Erkenntnisse zu berücksichtigen und bestehende Chancen für die Schweiz zu nutzen. Gleichzeitig lädt der Bundesrat alle ein, ihre möglichen Rollen und Beiträge zur klimapolitischen Zukunft einzubringen. CCS ist eine umstrittene Technologie und nicht alle Klimaforscher sehen darin eine akzeptable Lösung. Keinesfalls darf die Technologie als bequemer Ausweg missbraucht werden oder die Anstrengungen der Emissionsvermeidung unterwandern.
Weiterführende Links
Global CCS Institute: https://www.globalccsinstitute.com
Bericht des Bundesrats zu CCS/NET vom 18. Mai 2022: https://www.newsd.admin.ch/newsd/message/attachments/71551.pdf
Climeworks AG: http://www.climeworks.ch
Stiftung Zentrum für nachhaltige Abfall- und Ressourcennutzung (ZAR), Hinwil ZH, CO2-Kompetenzzentrum in Niederurnen GL:
zar-ch.ch/zar/kompetenzenprojekte/co2-kompetenzzentrum/