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CO2-Sequestrierung

Unter CO₂-Sequestrierung versteht man die Endlagerung oder Deponierung von CO₂, das beispielsweise in Kraftwerken entstanden ist. Die Sequestrierung ist Teil des CCS (Carbon Dioxide Capture and Storage) Prozesses zur CO₂ armen Nutzung fossiler Energien bei der Stromerzeugung. CO₂ aus der Verbrennung fossiler Energieträger soll abgetrennt und danach eingelagert werden, um nicht in die Atmosphäre zu gelangen. Grund für diese Bemühungen sind der Treibhauseffekt und die daraus resultierende globale Erwärmung.

Als Sequestrierung im eigentlichen Sinne bezeichnet man die dauerhafte Einlagerung (Endlagerung) des CO₂. Die Abtrennung im Kraftwerksprozess kann mit unterschiedlichen Verfahren erfolgen, z. B. nach einer Kohlevergasung (CO₂-freies_IGCC-Kraftwerk), Verbrennung in Sauerstoffatmosphäre, oder CO₂-Wäsche aus dem Rauchgas. Als mögliche CO₂-Speicher gelten zum einen geologische Formationen wie Erdöllagerstätten, Erdgaslagerstätten, salzhaltige Grundwasserleiter (sogenannte Aquifere) oder Kohleflöze. Aber auch eine Lagerung in der Tiefsee wird untersucht.

Möglichkeiten zur Abscheidung des Kohlenstoffdioxids

Abscheidung in konventionellen Kohlekraftwerken

In den meisten Kohlekraftwerken verlässt das Rauchgas nach der Entschwefelung den Schornstein, wodurch das CO₂, das einen Anteil von etwa 15 Prozent ausmacht, in die Atmosphäre gelangt. Zur Abtrennung des CO₂ könnte man nach der Entschwefelung einen Amin-Wäscher installieren, dieses Verfahren wird auch Post-Combustion-Capture genannt. Dort könnte das CO₂ z.B. durch fein verteilte Amin-Tröpfchen absorbiert werden. In einem zweiten Schritt würden die Amine in einen Abscheider (Stripper) gelangen, wo sie erhitzt würden, sodass das CO₂ wieder in konzentrierter Form frei wird, das dann eingelagert werden kann. Die Amine können dann erneut zur Absorption verwendet werden. Diese Abscheidemethode ist technisch am ausgereiftesten. Hauptnachteil ist jedoch der hohe Energiebedarf, der für die Regenerierung der Amine notwendig ist. Dieser führt dazu, dass der Kraftwerkswirkungsgrad um 10-15%-Punkte sinkt.

Abscheidung in IGCC-Kombikraftwerken

In Kombikraftwerken mit integrierter Kohlevergasung (Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC) und CO₂-Abtrennung (Carbon Dioxide Capture and Storage, CCS) reagiert die Kohle in einem ersten Schritt (Vergasung, partielle Oxidation) durch unterstöchiometrische Sauerstoff-zugabe zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid.
Mit Hilfe geeigneter Katalysatoren kann Kohlenstoffmonoxid und Wasserdampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff reagieren (homogene Wassergasreaktion). Dadurch kann ein Gasgemisch gewonnen werden, das hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlendioxid besteht.
Bedingt durch die Vergasung mit Sauerstoff bei Drücken bis 60 bar, kann eine hohe CO₂-Konzentration und damit ein hoher CO₂-Partialdruck im Gasgemisch eingestellt werden. Unter diesen Bedingungen kann CO₂ mit erprobten Verfahren aus dem Gasgemisch absorbiert werden (physikalische Absorption). Dieses Verfahren wird als Pre-Combustion-Capture bezeichnet, da das CO₂ vor der Verbrennung entfernt wird. Die Entschwefelung erfolgt nach dem gleichen Prinzip (Abtrennung von Schwefelwasserstoff). Das so aufbereitete Brenngas besteht danach überwiegend aus Wasserstoff (bis 90 Vol.-% möglich) und kann in einem GuD-Prozess genutzt werden. Bei entsprechendem technischen Fortschritt wäre auch eine Nutzung in Brennstoffzellen denkbar. Da IGCC-Kraftwerke ohne CO₂-Abscheidung bereits mit technischen Problemen zu kämpfen haben, wird es bis zur Marktreife dieser Technologie jedoch noch einige Jahre dauern. Berechnungen zu Folge hat diese Variante der CO₂-Abscheidung den geringsten Wirkungsgradverlust (< 10%-Punkte). Der Energieversorger RWE hat 2006 angekündigt, bis 2014 ein Kraftwerk solchen Typs mit CO₂-Abscheidung in Deutschland errichten zu wollen.

Zur Zeit werden im Rahmen des COORIVA-Verbundvorhabens (COORETEC-Programm) in Deutschland unterschiedliche Optionen für IGCC-Kraftwerke mit CO₂-Abtrennung untersucht.

Abscheidung im Oxyfuel-Verfahren

Im Oxyfuel-Verfahren wird die Kohle in einer Atmosphäre aus reinem Sauerstoff und CO₂ (rezirkulierendem Rauchgas) verbrannt. Das dabei entstehende Rauchgas ist nicht mit Luft-Stickstoff verdünnt und besteht im wesentlichen aus CO₂ und Wasserdampf. Der Wasserdampf kann mit wenig Aufwand auskondensiert werder, so dass ein hochkonzentrierter CO₂-Strom (Konzentration im Idealfall nahe 100%) übrigbleibt. Das CO₂ kann dann verdichtet und zum Lager transportiert werden.
Nach erfolgreichem Test in einer Versuchsanlage wird aktuell als Pilotanlage mit einer Leistung von 30 MW_thermisch das Kraftwerk Spremberg errichtet.
Auch bei dieser Variante sinkt der Wirkungsgrad des Kraftwerks im Vergleich zu einem Kraftwerk ohne CO₂-Abscheidung um 10-15%-Punkte. Hauptenergieverbraucher ist in diesem Fall die Luftzerlegungsanlage für die Sauerstoffproduktion.

Weitere Möglichkeiten

Am einfachsten lässt sich CO₂ in Anlagen, die Wasserstoff aus Erdgas herstellen, abscheiden, weil es dort in sehr reiner Form auftritt. Erste Versuche zur CO₂-Sequestrierung sind daher auf diesen Bereich und nicht auf Kohlekraftwerke angelegt, so z.B. in der algerischen Sahara.

Durch die steigende Nachfrage nach Erdöl wird die Kohleverflüssigung zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen für Treibstoffzwecke rentabler. Dabei fallen große Mengen an CO₂ an, weil die pro Kohlenstoffatom gebundene Energiemenge im Produkt (Kohlenwasserstoff) wesentlich größer ist als im Rohstoff (Kohle). Im Prozess muss also Primärenergie übertragen werden. Ein Teil des Kohlenstoffs wird energetisch aufgewertet (reduziert), ein anderer zur Energiefreisetzung oxidiert.

Weitere zukunftsgerichtete Programme erforschen Möglichkeiten, das Kohlenstoffdioxid mittels chemischer Absorber direkt aus der Luft zu filtern.

Die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) empfiehlt als effizienteste Abscheidungsmethode die Erzeugung und Deponierung von Biomasse, insbesondere Holz.

CCS-Ready?

Im Zusammenhang mit dem Neubau von Kohlekraftwerken wird zunehmend der Begriff "CCS-Ready" benutzt, der suggerieren soll, dass der Kraftwerksneubau für nachträgliche Installationen zur Abscheidung vorbereitet ist. Der Bergriff "CCS-Ready" ist allerdings nicht definiert. Da für den Aufbau der Abscheidung jedoch Flächen benötigt werden, die in etwa der ursprünglichen Kraftwerksfläche entsprechen, sollten bei einem Kraftwerksneubau oder einer Renovierung zumindest diese Flächen vorhanden sein. Ein Kraftwerksneubau ohne diese Flächen kann im Zuge der Genehmigung auf keinen Fall geltend machen, "CCS-Ready" zu sein.

Mögliche CO₂-Lagerstätten

Von den meisten Forschern auf dem Gebiet der CO₂-Sequestrierung wird eine Lagerung in tiefen Sedimentschichten, deren Poren mit Salzwasser gefüllt sind, favorisiert. Damit ein erneutes zutagetreten des Kohlenstoffdioxids praktisch ausgeschlossen ist, müssen diese Schichten unterhalb der Trinkwasserschichten, also in mindestens 800 Metern Tiefe liegen und durch eine impermeable Deckschicht abgedeckt sein. Durch den dort herrschenden Druck besitzt das CO₂ eine etwa so große Dichte wie das Salzwasser, wodurch es dieses aus den Poren verdrängen kann. Bei der Nutzung tiefer Aquifere steht die Sequestrierung allerding im Wettbewerb mit anderen, wahrscheinlich sinnvolleren Nutzungen, beispielsweise der Nutzung tiefer heißer Aquifere zur nachhaltigen Stromerzeugung aus Geothermie. Fragen der Umweltschädlichkeit der Endlagerung großer Mengen von CO₂ in Aquiferen sind noch nicht untersucht. Da in Deutschland die Deponierung von Abfällen grundsätzlich nicht gestattet ist, sind auch rechtliche Fragen noch zu klären.

Kohlenstoffdioxid könnte theoretisch auch in Mineralen gespeichert werden, mit denen es Karbonate bildet. Diese könnten sogar an der Erdoberfläche gelagert werden. Jedoch liegen praktisch alle carbonatisierbaren Mineralien bereits in dieser Form vor: Um z.B. Branntkalk (CaO) als Reaktionsparntner zu gewinnen, müsste dieser erst aus Calciumcarbonat gebrannt, d.h. (unter zusätzlichen Energieaufwand) von CO₂ befreit werden, so dass in der Ökobilanz nichts gewonnen ist.

Man kann Kohlenstoffdioxid auch in unter dem Meer gelegenen Kohleflöze einlagern. Diese Methode stößt jedoch größtenteils auf Ablehnung, weil dadurch unvorhersehbare Schäden an Ökosystemen eintreten können. Außerdem ist durch internationales Recht die Einlagerung von Abfällen in den Ozeanen verboten. Zuletzt ließe sich in den Ozeanen eingelagertes CO₂ nur schwer verfolgen, sodass ein unkontrolliertes Freisetzen leichter möglich wäre.

Forschungsprogramme

In vielen Industrieländern der Erde wird die CO₂-Sequestrierung erforscht. Die Europäische Union hat ihren bisherigen Forschungsetat für diesen Bereich von 30 auf 200 Millionen Euro aufgestockt. Auch in den USA existiert bereits seit 1997 ein derartiges Forschungsprogramm.

In der Bundesrepublik Deutschland wird in Forschungsprojekten im Rahmen der Programme [http://www.geotechnologien.de Geotechnologien] und [http://www.cooretec.de Cooretec] untersucht, wie der notwendige Kraftwerksneubau in Deutschland von 40 GW (etwa 1/3 der Engpassleistung aller deutschen Kraftwerke) so gestaltet werden sollte, dass die notwendige Reduzierung der CO₂-Emissionen erreicht werden kann. So müssen insbesondere die Wirkungsgrade der Kraftwerke maximiert werden, weil so der CO₂-Anfall an der Quelle minimiert wird. Weiterhin erprobt man die Realisierung von Kraftwerkstechnologien mit CO₂-Abtrennung (Prognose: Ersteinsatz bis 2030) sowie Möglichkeiten, das Gas aus den Rauchgasen konventioneller Kraftwerke abzuscheiden. Zuletzt wird nach Möglichkeiten gesucht, das abgetrennte CO₂ dauerhaft und sicher zu speichern.

Die möglichen Lagerungskapazitäten für CO₂ werden für die Bundesrepublik Deutschland mit etwa 22 Gt (Gigatonnen) angenommen, diese Annahmen sind aber noch nicht abschließend geklärt. Umfangreiche Untersuchungen dazu finden sich bei der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR).
[http://www.bgr.bund.de/nn_454936/DE/Themen/Energie/CO2__Speicher/co2__speicher__node.html__nnn=true]

Auf EU-Ebene wurde die [http://europa.eu.int/comm/research/energy/nn/nn_rt/nn_rt_co/article_2268_en.htm Technologieplattform für CO₂-freie Kraftwerke] (TP ZEFFPP) eingerichtet, die in internationaler Kooperation von Experten aus Nichtregierungsorganisationen, Wissenschaft und Industrie den Stand der Forschung untersucht und den Handlungsbedarf ermittelt, um die Vision CO₂-freier Kraftwerke umzusetzen. Dieses Gremium erarbeitet auch Vorschläge für die Ausrichtung des 7. Forschungsrahmenprogramms der EU. Hierzu ist allerdings anzumerken, dass der Begriff CO₂-freie Kraftwerke irreführend ist, es geht allenfalls um eine Reduzierung der
CO₂ - Abgabe in die Atmosphäre. Dies gilt insbesondere, wenn nicht nur das Kraftwerk, sondern die Stromerzeugung aus Kohle insgesamt betrachtet wird.

Am 10. und 11. März 2005 fand auf der internationalen Energiemesse ENERTEC ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit veranstalteter Workshop zu CO₂-minderungs Technologien statt. Die Folien zu den Vorträgen können von [http://www.fz-juelich.de/ptj/projekte/index.php?index=2102] heruntergeladen werden. Dort wird vor allem der Stand zur CO₂-Sequestrierung dargestellt [http://www.fz-juelich.de/ptj/projekte/datapool/page/2102/13_Borm.pdf].

Vorteile und Chancen

Da auch stark zunehmende Nutzung regenerativer Energien und Energieeffizienzsteigerung auf der Erzeugungs- und Verbrauchsseite selbst unter optimistischen Annahmen fossile Energieerzeugung nur langfristig ablösen wird, wird die weltweite Stromversorgung noch auf Jahrzehnte - insbesondere auch in den Wachstumsländern China und Indien - auf fossilen Primärenergieträgern angewiesen sein. Es besteht mit der dauerhaften Einlagerung (Endlagerung) des Kohlenstoffdioxids daher gegebenenfalls eine Möglichkeit, die ansonsten zu erwartende steigende Belastung der Atmosphäre mit Treibhausgasen zu reduzieren.

In Sedimentschichten eingelagertes Kohlenstoffdioxid hätte auch (lokal begrenzt und in der Menge ohne Bedeutung) seine Vorteile: In fast erschöpften Erdöllagerstätten könnte man dadurch den Förderdruck erhöhen. Entsprechende Programme laufen bereits in Großbritannien (Nordsee) und den USA.

Nachteile und Risiken

Bei manchen Arten der Lagerung, insbesondere bei der Einleitung ins Meer, könnte das gespeicherte CO₂ im Laufe von einigen 100 bis 1000 Jahren wieder in die Atmosphäre gelangen, so dass nur eine Verzögerung der Emission erreicht würde. Auch bei einigen unterirdischen Lagern, die prinzipiell wesentlich zuverlässiger sind, ist dies schwer einzuschätzen. Das Beobachten von CO₂-Lagern ist daher wichtiger Gegenstand der Entwicklung. Die Gefahr des allmählichen Ausgasens, das den klimapolitischen Effekt der CO₂-Sequestrierung womöglich unbemerkt zunichte machen würde, erschwert auch die Suche nach geeigneten Lagerstätten, denn der endgültige Verbleib des Gases muss natürlich gesichert sein (je nach Ansicht für mindestens 200 oder 10.000 Jahre).

Weit gefährlicher als das allmählichen Ausgasen des gespeicherten Kohlenstoffdioxids wäre ein plötzliches zutage treten. Dadurch würden hohe CO₂-Konzentrationen erreicht werden, die erstickend wirken (siehe hierzu Nyos-Unglück). Aufgrund von Beobachtungen bei der Erdgasförderung kann das Auftreten von Erdbeben im Bereich der Lagerstätte, und damit evtl. ein solches Zutagetreten durch Risse nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden.

Die Einleitung großer Mengen CO₂ ins Meer kann massive ökologische Folgen haben, etwa durch Senkung des pH-Wertes oder die Bildung von ?CO₂-Seen? auf dem Meeresgrund, die das dortige Leben abtöten (siehe dazu auch Kohlenstoffzyklus, hier vor allem Kohlenstoffzyklus_(Probleme_technischer_Lösungen)).

Die Verfahren zur CO₂-Sequestrierung verursachen zusätzliche Kosten in der Stromerzeugung. Die wirtschaftliche Machbarkeit hängt daher wesentlich von den im CO₂-Handel festgelegten Preisen der Emissionsrechte ab. Ziel des europäischen Emissionsrechtehandels ist die Förderung CO₂-mindernder Technologien, zu denen die CO₂-Sequestrierung gehört.

Durch den Aufwand, der zur CO₂-Abtrennung nötig ist, sinkt der Wirkungsgrad der Kraftwerke, wodurch mit Strompreiserhöhungen zu rechnen sein wird. Man könnte diesen Nachteil jedoch umgehen, wenn man die ebenfalls bei der Verbrennung fossiler Energieträger anfallenden Schwefeloxide mit dem CO₂ zusammen speichern könnte.

Wollte man das gesamte Kohlenstoffdioxid, das während der Lebensdauer von 60 Jahren eines konventionellen Kraftwerks auftritt, in Sedimentschichten lagern, bräuchte man dafür so große Reservoirs, dass das Kraftwerk nur an wenigen Stellen der Erde errichtet werden könnte (vornehmlich an Erdöllagerstätten). Forscher sind jedoch zuversichtlich, mittels noch zu entwickelnder besserer Erkundungsmethoden genügend Speicherstätten finden zu können.

Alternativen

Kritiker der CO₂-Sequestrierung wenden ein, dass andere Alternativen mit weniger Problemen behaftet, weiter entwickelt und zumindest langfristig billiger seien. Insbesondere werden hier genannt:

* Maßnahmen zur Energieeinsparung und Verbesserung der Energieeffizienz
* Ein Ausbau der Erneuerbaren_Energien
* eine ?natürliche? Sequestrierung durch Aufforstung, die laut der Gesellschaft Deutscher Chemiker (Mai 2004) sinnvoller und wesentlich preiswerter zu realisieren sei. Allerdings ist deren Wirksamkeit umstritten. Sie hat nur Sinn, wenn das erzeugte Holz nicht verbrannt wird oder verrottet, sondern zu Häusern oder Möbeln verbaut wird. Immerhin liegt im Holz eine lagerfähig gebundene Form des Kohlenstoffs vor, aus der auch eine verdichtete und vor Verrottung geschütze Speicherungsform hergestellt werden könnte.

Die bisherigen Forschungen oder Vorhaben beschäftigen sich in der Regel nur mit der Speicherung von flüssigem oder gasförmigen CO₂ oder in Form von Trockeneis. Daneben gibt es aber auch die Möglichkeit das CO₂ als Kohlenstoff (Aromate) zu speichern, also z.B. als Pyrogener Kohlenstoff in Form von Biokoks oder Schwarzerde (s.a.Terra preta: Schwarzerde in Amazonien). Auf diese Aggregatform sind die meisten der oben genannten Kritikpunkte dann nicht mehr zutreffend.

Kosten

Die Kosten der CO₂-Sequestrierung sind gegenwärtig noch nicht bekannt. Die IEA schätzt, dass diese gegenwärtig bei 50 bis 100 Dollar pro Tonne liegen, durch Forschungs- und Entwicklungsarbeit bis 2030 aber auf 25 bis 50 Dollar gesenkt werden können [http://www.iea.org/textbase/papers/2005/css_fact.pdf]. Hierdurch würden die Verbraucherpreise für Strom mindestens auf das Doppelte der heutigen Preise steigen.

In die Kostenbetrachtung muss aber die zukünftige Entwicklung mit einbezogen werden. Da zu erwarten ist, dass die zulässigen Grenzwerte für Schadstoffemissionen weiterhin fallen werden, kann sich für ein neues Kraftwerk mit einer Lebensdauer von 60 Jahren die CO₂-Sequestrierung durchaus lohnen.

Literatur

* A. Huttermann, J.O. Metzger: Begrünt die Wüste durch CO2-Sequestrierung. Nachrichten aus der Chemie 52(11), S. 1133 - 1138 (2004),
* Robert H. Socolow: Können wir das Klimaproblem begraben?. Spektrum der Wissenschaft 03/06, S.72ff (2006),
* Michael Kühn, Christoph Clauser: Mineralische Bindung von CO2 bei der Speicherung im Untergrund in geothermischen Reservoiren. Chemie Ingenieur Technik 78(4), S. 425 - 434 (2006),
* Oliver Mayer-Spohn, Markus Blesl, Ulrich Fahl, Alfred Voß: Logistik der CO2-Sequestrierung ? Optionen für den CO2-Transport. Chemie Ingenieur Technik 78(4), S. 435 - 444 (2006),
* Umweltbundesamt: Technische Abscheidung und Speicherung von CO2 - nur eine Übergangslösung - Positionspapier zu möglichen Auswirkungen, Potenzialen und Anforderungen. Climate Change, S. 1-120 (04/2006) www.umweltbundesamt.de/Energie

Siehe auch

Kohlendioixid-arme Kraftwerke - Überblicksdarstellung der Wissenschaftlichen Dienste des Deutschen Bundestags
• CCS - Carbon Capture and Storage - Materialien zur CO₂-Sequestrierung vom Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie
• Carbon Dioxide Capture and Storage - Special Report des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (engl.)
• CO₂ Capture & Storage von der International Energy Agency (IEA) (engl.)
• CO2NET - Europäisches Forschungsnetzwerk zur CO₂-Sequestrierung (engl.)
• Das Sleipner-Projekt der norwegischen Firma Statoil (Einlagerung von CO₂ im norwegischen Nordseee-Meeresgrund) (engl.)
• Deutsche und Englische Zeitungsartikel zur CO₂-Lagerung (teilweise engl.)
• Einsatz von CO2 in der Erdgasgewinnung ? Carbon Sequestration with Enhanced Gas Recovery (CSEGR), Portal ?planeterde?
• http://www.co2sink.org (engl.) vom [http://www.gfz-potsdam.de/index.html GeoForschungsZentrum Potsdam]

zu neuen Kraftwerkstypen

• Das erste CO₂-freie Großkraftwerk wird bis 2014 gebaut: Projekt von RWE Power.
• Pilotprojekt CO₂-freies Kraftwerk der Firma Vattenfall im brandenburgischen Spremberg
• Physikalisch fundierte Darstellung zu den Möglichkeiten der Reduktion von CO₂ in Deutschland

zur Kritik an der CO₂-Sequestrierung

• Argumente gegen CO₂-freie Kraftwerke von Greenpeace Deutschland
• Workshop CO₂-Speicherung von Greenpeace Deutschland, 25. September 2005
• energie-fakten.de - Kann man das Klimaproblem auch durch Filtern und Speichern von Kohlendioxid lösen?

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