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Beschleunigte Verwitterung
Abbildung 1: Serpentin-Steinbruch Dorfertal (Bildquelle).
Die Karbonatisierung von basischen Gesteinen ist ein natürlicher Verwitterungsprozess, der selbstverständlich auch an der Erdoberfläche stattfindet. Dabei reagieren basische und ultrabasische Gesteine wie Basalt, Peridotit, Dunit oder Serpentinit mit dem CO2 und bilden daraus Karbonate. Diese sind ungiftig, unlöslich und können ohne speziellen Vorkehren deponiert, aber auch im Bauwesen wiederverwendet werden.
Die Karbonatisierung in ihrer natürlichen Form ist zu langsam um die benötigten Mengen an CO2 zu binden. Sie kann aber durch eine Vorbehandlung der Ausgangsgesteine stark beschleunigt werden. Dazu werden die Ausgangsgesteine pulverisiert. Aufgrund der grösseren Oberfläche läuft die Verwitterung viel schneller ab.
Beschleunigte Verwitterung in der Natur
Es gibt Ideen, das pulverisierte Gestein auf Feldern auszubringen. Dort würde es verwittern, dabei CO2 binden und gleichzeitig den Boden düngen. Die Gesteinsmenge, die ohne weiteres vom Boden aufgenommen werden kann, ist auf 15 kg/m2 beschränkt (Streffler, J.,et. al., 2019). Dies entspricht im Falle von Serpentinit einer CO2-Menge von 7 kg/m2. Auf der gesamten schweizerischen Ackerlandfläche von 4’000 km2 lassen sich durch Ausbringen von Gesteinspulver lediglich 28 Mt CO2 binden. Diese Menge ist als Gesamtspeichermenge und nicht als jährliche Menge zu verstehen und ist viel zu klein, um einen nennenswerten Beitrag an die benötigten negativ Emissionen zu liefern.
Beschleunigte Verwitterung in industriellen Anlagen
Die Karbonatisierung kann somit nicht mittels natürlicher Verwitterung in der Landwirtschaft erfolgen und muss deshalb in industriellen Anlagen durchgeführt werden. Man spricht in diesem Fall auch von ex-situ Karbonatisierung. Die zugehörigen Verfahren befinden sich noch in Entwicklung und sind meist nur im Labormassstab verfügbar. Die wenigen Firmen die im Gebiet der ex-situ Karbonatisierung tätig sind, verarbeiten meist industrielle Rückstände.
Weil die ex-situ Karbonatisierung aber das einzige Verfahren ist, mit welchem auch in der Schweiz dauerhaft CO2 gespeichert werden könnte, wird im Folgenden trotz ihres frühen Entwicklungsstandes näher auf diese Technologie eingegangen.
In der Schweiz gibt es grosse Serpentinit-Vorkommen, vor allem im Wallis (Zermatt, Allalingebiet, Binntal) und in Graubünden (Oberhalbstein, Engadin, Puschlav, Totalp bei Davos), welche als Ausgangsgesteine für die ex-situ Karbonatisierung geeignet sind. Der einfachste Ansatz zur Karbonatisierung wäre die trockene Reaktion von gasförmigem CO2 mit dem feingemahlenen Gestein. Leider sind solche direkten Gas-Feststoff-Reaktionen zu langsam, um praktikabel zu sein.
Für die Reaktion mit dem CO2 wird deshalb vom im DOE-Report «Final Report: Aqueous Mineral Carbonation» beschriebenen Nassverfahren ausgegangen. Dabei wird das pulverisierte Gestein in einer wässrigen Lösung von Kochsalz und Natriumhydrogencarbonat bei 155⁰C unter einem Druck von 11,5 MPa mit CO2 beaufschlagt. Das CO2 reagiert mit dem Magnesiumsilikat des Gesteines zu Magnesiumkarbonat. Serpentinit enthält rund 30% Magnesium. Dabei reagiert 1 mol Magnesium mit einem Gewicht von 28,3 g mit 1 mol CO2 mit einem Gewicht von 44,0 g zu 84,3 g Magnesiumkarbonat. Unter Berücksichtigung der Umwandlungseffizienz des Single-Step-Verfahrens von rund 90% kann 1 t Serpentin somit rund 0,42 t CO2 binden (vgl. Table I des DOE-Berichts). Dabei entstehen 0,80 t Magnesiumkarbonat, welche deponiert werden müssen.
Kosten und Energiebedarf
Um die chemische Reaktion von Serpentinit mit CO2 zu beschleunigen, muss das Gestein vorher gemahlen und bei 650⁰C geröstet werden. Dafür werden 376 kWh/t Gestein benötigt (vgl. Table IV des DOE-Reports). Dies entspricht 865 kWh/t CO2 für die Vorbereitung des Gesteins.
Bei Dunit einem anderen Ausgangsgestein, das aber in der Schweiz wenig verreitet ist, entfällt die energieaufwändige Wärmebehandlung, womit sich der Energieaufwand für die Gesteinsvorbereitung auf 150 kWh/t CO2 reduziert.
Für die Erzeugung der für die Reaktion erforderliche Temperatur von 155⁰C und die Komprimierung des CO2 auf 11,5 MPa werden weitere 80 kWh/t CO2 benötigt.
Der Abbau von 1 t Gestein kostet rund 25 CHF/t (Streffler, J.,et. al., 2019). Diese Zahl wird durch die Kosten der schweizerischen Kiesgewinnung gestützt. Die Ausgaben für die in der Schweiz jährlich geförderten 38 Mt Kies belaufen sich auf rund 1 GCHF/a (fkb-innerschweiz). Dies entspricht 26 CHF/t. Die schweizerischen Serpentinitvorkommen befinden sich alle in den Alpen, wo die Abbaukosten tendenziell höher sind. Hinzu kommen die Kapital- und Betriebskosten für die benötigten Infrastrukturen. Wenn von Gesamtabbaukosten von 35 CHF/t Serpentinit ausgegangen wird, belaufen sich die Speicherkosten von CO2 auf 80 CHF/t. Hinzu kommen die variablen Stromkosten für 950 kWh/t. Bei Dunit als Ausgangsgestein reduziert sich der Stromverbrauch auf 230 kWh/t.
Für die Transportkosten von einer schweizerischen CO2-Abscheideanlage zu einem schweizerischen Serpentinit-Steinbruch sind gemäss Abbildung 17 des Zusatzberichtes zu den Energieperspektiven 2050+ 34 CHF/t CO2 anzusetzen.
Potenzial
Um das Abbaupotenzial der in der Schweiz für die ex-situ Karbonatisierung geeigneten Gesteine genauer abzuschätzen, wäre eine Erhebung der Ressourcenverfügbarkeit und eine bergtechnische Charakterisierung notwendig. Ein solche ist mir nicht bekannt. Aufgrund der Verbreitung ultrabasischer Gesteinsvorkommen in den Alpen wäre es aber überraschend, wenn die Verfügbarkeit geeigneter ultrabasischer Gesteine für die ex-situ Karbonatisierung limitierend wäre.
Ein weiteres Karbonatisierungspotenzial bieten industrielle Rückstände. In der Schweiz kommt dafür insbesondere Recyclingbeton in Frage von dem jährlich rund 16 Mio. m3/a anfallen (vgl., EMPA, 2007, Figur 2). Die schweizerische Firma Neustark hofft in Zukunft damit 2,4 Mt CO2/a speichern zu können. Über Kosten und Energiebedarf macht die Firma keine Angaben. Da für den Recyclingbeton im Unterschied zu Serpentinit aber keine Kosten für Abbau und thermische Behandlung anfallen, kann davon ausgegangen werden, dass die CO2-Speicherung mit Recyclingbeton deutlich günstiger wird. Weil sich die Methode noch im Laborstadium befindet, wird sie im Folgenden nicht kreditiert.
Akzeptanz
Wenn die schweizerischen Negativemissionen mit einheimischem Serpentinit generiert werden sollen, müssen mit dem Kiesabbau vergleichbare Gesteinsmengen abgebaut werden. Diese Verdoppelung des Abbaus wird auf Widerstand stossen, insbesondere weil Serpentinite auch Asbest enthalten können. Zudem ist die ex-situ Karbonatisierung im Inland deutlich teurer als die CO2-Speicherung im Ausland, was für die Akzeptanz sicher nicht förderlich ist.