CO2: Abtrennung, Speicherung, Nutzung

Die Begrenzung der Gefahren durch die Veränderung des Weltklimas gehört heute zu den größten gesellschaftlichen Herausforderungen für die Zukunft. Seit Beginn der Industrialisierung, so die empirische Erkenntnis aus systematischen langjährigen Messungen, hat sich die Weltmitteltemperatur um rund 0,8 °C erhöht. Für die nächsten Dekaden erwarten die Klimawissenschaftler eine weitere signifikante Erhöhung, sofern nicht kurzfristig Gegenmaßnahmen ergriffen werden.

Die beiden wichtigsten Klimaregulatoren in der Erdatmosphäre sind Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid (CO₂). Wasserdampf ist allerdings nicht unmittelbar verantwortlich für den anthropogen verursachten Klimawandel. Da der Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre von der Temperatur abhängt, liegt seine Rolle eher in einer Verstärkung der Klimaeffekte durch komplexe, in der Regel positive Rückkopplungsprozesse. Neben Wasserdampf ist der CO₂-Gehalt der Atmosphäre entscheidend für die Steuerung des Klimas. Er wird im Wesentlichen bestimmt durch geochemische und biochemische Prozesse. Klimaänderungen in der Vergangenheit wurden durch Änderungen in diesen Prozessen möglicherweise in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen wie Variationen in den Parametern der Erdbahn und der solaren Aktivität ausgelöst.

Der Stand der Wissenschaft ist klar: Die Welt steuert derzeit ungebremst auf einen in großem Maßstab gefährlichen Klimawandel zu. 4 °C Temperaturanstieg, der derzeit als das wahrscheinlichere Szenario eingestuft werden muss, würden eine radikal veränderte Welt bedeuten. Dies zeigt etwa der Ende 2012 von der Weltbank vorgestellte Bericht „Turn Down the heat“. Gleichzeitig sind Abgesänge auf die 2 °C-Obergrenze, das sich die internationale Gemeinschaft als Leitplanke gegeben hat, nicht angemessen. Nicht nur, weil es mit einer ambitionierten Politik noch möglich ist, die notwendige Transformation zu erreichen. Sondern auch, weil es sich hier um eine zutiefst moralische Leitplanke planetarischer Grenzen handelt. Die Gefahren für viele Millionen Menschen, für ganze Landstriche und Städte sind so fundamental, dass eine Aufgabe der 2 °C-Obergrenze, ohne sich mit den Konsequenzen auseinander-zusetzen, vollkommen inakzeptabel wäre. Gleichzeitig würde sie eine fundamentale Verletzung sowohl der Verpflichtungen aus der Klimarahmenkonvention als auch menschenrechtlicher Grund-prinzipien darstellen, ohne dass sie erkennbar zusätzlichen Druck für Klimaschutz auslösen würde. Selbst wenn die 2 °C-Obergrenze nicht mehr zu erreichen wäre, sollte sie bestehen bleiben: als Mahnmal des Versagens der heute aktiven Generation. Gleichzeitig ist den besonders vom Klimawandel betroffenen Ländern zu raten, sich auf das derzeit wahrscheinlichere Szenario eines deutlich höheren Temperaturanstiegs vorzubereiten, zumindest dort, wo Entscheidungen mit einer Tragweite von mehreren Jahrzehnten getroffen werden.

Kohlendioxid und seine chemische Zusammensetzung (CO₂) sind bereits seit dem 18. Jahrhundert bekannt und kommen in einer Vielzahl von natürlichen und technischen Prozessen vor. Aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht haben diese Anwendungen zwar stets einen praktischen Stoffdatenbedarf, aber nie ein außergewöhnlich großes Interesse an hochgenauen thermophysikalischen Stoffdatenmodellen für Kohlendioxid begründet. Bis in die 80er Jahre des 20. Jahrhunderts resultierte das Interesse an hochgenauen Stoffdaten von Kohlendioxid ganz wesentlich aus der Verfügbarkeit von hochreinem Kohlendioxid und aus der Lage des kritischen Gebietes von Kohlendioxid – Kohlendioxid eignete sich als hochgenau vermessenes Referenzfluid, insbesondere für das Verhalten reiner Stoffe im kritischen Gebiet.

Seit Beginn der 90er Jahre rückte die Verwendung von Kohlendioxid als Arbeitsmedium in Kälte-, Klima- und Wärmepumpenprozessen in den Mittelpunkt des technischen Interesses. Etwa gleichzeitig gewann vor allem in den USA die Verwendung von Kohlendioxid im Rahmen der tertiären Erdölförderung (Enhanced Oil Recovery, EOR) an Bedeutung, und in der Hochdruckverfahrenstechnik nahm das Interesse an Kohlendioxid und seinen Stoffeigenschaften mit Blick auf die Verwendung als überkritisches Lösungsmittel zu. Schließlich gewann Ende der 90er Jahre die Diskussion über atmosphärische Treibhausgasemissionen im Allgemeinen und Abscheidung, Transport und Speicherung des Kohlendioxids aus Kraftwerksabgasen (Carbon Capture and Storage, CCS) im Besonderen an Bedeutung. Damit ist Kohlendioxid endgültig in den Mittelpunkt des technischen und politischen Interesses gerückt. Die Erkenntnis, dass die Auslegung von CCS-Prozessen in vielen Fällen hohe Anforderungen an die Genauigkeit der verwendeten Stoffdaten stellt, setzte sich aber erst langsam durch. Erst seit knapp zehn Jahren wird genauen thermodynamischen Stoffdaten und dem Einfluss der im abgeschiedenen Kohlendioxid enthaltenen Verunreinigungen für die Auslegung aller Teilschritte der CCS-Prozesskette wachsende Bedeutung beigemessen.

Bei einer genaueren Betrachtung der drei für CCS typischen Prozessschritte Abscheidung, Transport und Speicherung ergeben sich allerdings sehr unterschiedliche Anforderungen an Stoffdatenmodelle und sehr unterschiedliche Ausgangspunkte für deren Formulierung. Der Aufbau dieses Kapitels orientiert sich an den Erfordernissen von Verdichtung und Trocknung des abgeschiedenen kohlendioxidreichen Gemischs und seinem Transport bis an den Grund des Bohrlochs. In dieser Phase werden die höchsten Anforderungen an Genauigkeit und Konsistenz der verwendeten Stoffdatenmodelle gestellt werden und die Chance zu international vereinbarten Standards zu kommen ist am größten. Einleitend werden darüber hinaus kurz Fragen des mit der Handhabung von Kohlendioxid einhergehenden Gefahrenpotentials diskutiert.

Die Freisetzung von Kohlendioxid und die Auswirkungen auf Atmosphäre und Klima werden in der Öffentlichkeit aufmerksam wahrgenommen und diskutiert. Die CCS-Technologie scheint ein Weg zu sein, die maßgeblich durch die Energiewirtschaft verursachten Emissionen des Treibhausgases einzudämmen. Dass mit CO₂ auch ein vielseitiger Wertstoff zur Verfügung steht, findet in den Debatten meist wenig Beachtung. Kohlendioxid wird in vielen Bereichen der chemischen Industrie, der Nahrungsmittel- oder der Pharmaindustrie eingesetzt und dient hier beispielsweise als Lösemittel in Extraktions- und Reinigungsprozessen, als Kältemittel, als Prozesshilfsmittel in Konfektionierungsprozessen oder als Rohstoff für chemische Synthesen.

Bei dem seit Beginn der Industrialisierung deutlichen globalen Änderungen im Stoffhaushalt der Atmosphäre nimmt das durch menschliche Aktivitäten freigesetzte Gas Kohlendioxid eine herausgehobene Stellung ein. Während zunächst vornehmlich die sogenannten Industriestaaten zu einem Anstieg des Kohlendioxidgehalts der Atmosphäre beitrugen, steigt in den letzten Jahrzehnten der Anteil der großen Schwellenländer kontinuierlich an. Nachfolgend wird die derzeitige Situation der CO2-Emissionen näher dargestellt.

Kraftwerke in Deutschland werden nahezu ausschließlich mit Stein-, Braunkohle und Erdgas betrieben. Erdgas und Steinkohle werden in Deutschland weitestgehend importiert. Hieraus ergibt sich eine gewisse Abhängigkeit, die bei der Versorgungssicherheit für die Stromerzeugung zu berücksichtigen ist. Der Erdgastransport erfolgt über Pipelines.

Die CO₂-Abtrennung, der Transport des CO₂ und seine Speicherung sind die notwendigen Schritte, um das CO₂ aus den Abgasen (Rauchgasen) des Prozesses (Kraftwerk, industrieller Prozess u. ä.) zu entfernen und zu speichern, um es dauerhaft aus der Atmosphäre fern zu halten. In der Literatur hat sich dafür der angelsächsische Begriff CCS eingebürgert, der für Carbon Capture and Storage steht. In Abb. 8.1 sind die drei wesentlichen Hauptschritte dieser Prozesskette dargestellt. Die verfügbare Literatur ist vielfältig. Einführung und Übersichten sind unter zu finden.

Potenziell bietet sich durch die Kombination von Bioenergie und CCS (kurz: BECCS) die Möglichkeit, die Freisetzung von CO₂ in noch deutlich größerem Maße zu verhindern. In der Literatur wird verschiedentlich sogar von einer „Netto-Senke“ gesprochen. Mit der konkreten Umsetzung sind aber vielfältige technische, ökonomische sowie ökologische Fragen verbunden.

Die Rolle und Bedeutung von CO₂ in der Industrie und in der globalen Ökonomie hat sich in den letzten Jahren stark gewandelt. CO₂ war bisher ein Neben- oder Abfallprodukt von industriellen und weiteren anthropogenen Aktivitäten, insbesondere der Verbrennung von fossilen Rohstoffen. Laut der International Energy Agency werden 85 % der globalen Energieversorgung durch fossile Rohstoffe bereitgestellt und diese werden der Prognose nach auch bis 2050 die Hauptenergiequelle bleiben. Demgegenüber stehen nationale und internationale Bestrebungen, durch die Verringerung von CO₂-Emissionen die globale Erderwärmung einzuschränken. Dies soll realisiert werden, indem global striktere Umweltauflagen eingeführt werden, die wiederum in Kombination mit steigenden Kosten für fossile Rohstoffe die Attraktivität erhöht, CO₂ nicht mehr als Abfallstoff anzusehen, sondern als Wert-stoff zu nutzen. Vergleicht man allerdings die Potenziale der Nutzung von CO₂ von maximal 2 Gt pro Jahr, wird schnell deutlich, dass die Nutzung von CO₂ nicht ausreicht, um die weltweiten Emissionen zu kompensieren.

Dieser Beitrag untersucht verschiedene ökonomische Aspekte der CCS-Technologie. Dabei wird hauptsächlich auf die Verwendung von CCS im Elektrizitätssektor abgestellt, aber es werden auch einige Ausführungen zur Verwendung von CCS in industriellen Produktionsprozessen gemacht.

Mit Hilfe von Ökobilanzen können die ökologischen Auswirkungen von CCS über die gesamte Prozesskette abgeschätzt werden. Durch einen Review existierender Ökobilanz-Studien wird gezeigt, dass mit CCS die CO₂-Emissionen eines fossilen Kraftwerkes in 2020/2025 um 72 bis 95 % (in Ausnahmefällen 97 %) reduziert werden können. Betrachtet man die gesamten Treibhausgas-Emissionen, sind Reduktionsraten von 67 bis 87 % (95 %) möglich. Im Vergleich zu CCS-Kraftwerken verursachen erneuerbare Energien wiederum nur 5 bis 24 % an Treibhausgasen. In den meisten anderen Umweltwirkungskategorien schneiden CCS-Kraftwerke jedoch schlechter als solche ohne CCS ab, verursacht durch den Mehrverbrauch an Energie, den Transport des CO₂ und die Herstellung des Waschmittels. Die Möglichkeit von Leckagen der Lagerstätten wurde dabei in allen untersuchten Ökobilanzen vernachlässigt. Alle weiteren Annahmen für Abscheidung, Transport und Lagerung des CO₂ wurden sehr uneinheitlich vorgenommen; teilweise konnten die notwendigen Parameter mangels konkreter Daten nur abgeschätzt werden. Dies zeigt einen hohen Harmonisierungs- und Datenbedarf bei der Ökobilanzierung der CCS-Technologie auf.

In der Diskussion um effektive Klimaschutzoptionen hat die CCS-Technologie spätestens mit Beginn des neuen Jahrtausends einen festen Platz eingenommen. Zunächst standen allerdings weit überwiegend ingenieurtechnische, wirtschaftliche, geologische und geotechnische Aspekte im Vordergrund der nationalen und internationalen Diskussion um die CCS-Technologie.Erst mit Erscheinen des IPCC Special Report on Carbon Capture and Storage im Jahr 2005 wurden zunehmend auch politische, sozioökonomische und rechtliche Aspekte diskutiert Dabei setzte sich relativ zügig die Erkenntnis durch, dass der bestehende Rechtsrahmen nicht ausreicht, um zentrale Anliegen, die mit der Etablierung einer neuen Technologieroute einhergehen müssen, sicherzustellen, nämlich die für Investitionen in Forschung und Entwicklung unabdingbare Rechts- und Investitionssicherheit für Vor-habenträger zu schaffen und das spezifische und angesichts der für die Klimawirksamkeit notwendigen Lagerdauer auch langfristige Gefahren- und Risikopotenzial zu erfassen.

Der Einsatz der Klimaschutztechnologie Carbon Capture and Storage (CCS) könnte einen wichtigen Beitrag zur Vereinbarkeit von Energieversorgungssicherheit und Klimaschutz leisten. Voraussetzung für die groß-industrielle Erprobung und den kommerziellen Einsatz der CCS-Techniken sind jedoch nicht nur ihre technische und wirtschaftliche Machbarkeit, die Schaffung eines rechtlichen Rahmens sowie die Überprüfung der Risiken für Natur und Mensch, sondern vor allem auch ihre gesellschaftliche Akzeptanz. Wie aktuelle Entwicklungen in Deutschland jedoch zeigen, stößt die Technik bereits während ihrer eigentlichen Erprobung auf starke gesellschaftliche Ablehnung. In diesem Zusammenhang werden die Hintergründe fehlender Akzeptanz sowie partizipative Verfahren zur Einbindung der breiten Öffentlichkeit in politische Entscheidungsfindungen diskutiert.

Die systematische Beschäftigung mit der Zukunft, der Versuch aus der Vergangenheit zu lernen und die gewonnen Erkenntnisse systematisch auch für die Gestaltung der Zukunft einzusetzen, hat eine sehr lange Geschichte. Schon Aristoteles Schriften (um 367 vor Christus) beschäftigen sich mit diesem Thema. Als wichtige Methode der Zukunftsvorausschau und nützliches Hilfsmittel der Politikgestaltung gilt die Erstellung bzw. Auswertung von Szenarien.

Weltweit wird das Thema CCS kontrovers diskutiert. Abhängig von der Energieversorgungsstruktur des jeweiligen Landes, dem wirtschaftlichen Entwicklungsstand, den vorhandenen Speichermöglichkeiten, der Akzeptanz der Bevölkerung u. v. a. m. variiert die Haltung der politischen Entscheidungsträger. In den folgenden Kapitelabschnitten werden die internationale Perspektive, die Position der deutschen Bundesregierung und der Stand der politischen Diskussion in verschieden „betroffenen“ Bundesländern erläutert. Dabei wird deutlich, dass die unterschiedlichen politischen Positionen nicht immer eindeutig einem konkreten Parteiprogramm zuzuordnen sind, sondern sich quer durch die verschiedenen politischen Parteien und Fraktionen ziehen – immer abhängig von den jeweiligen Rahmenbedingungen.

Selten ist ein Thema in Deutschland und anderen Ländern in Europa so kontrovers diskutiert worden. Zum einen sehen Fachleute die Abscheidung von CO₂ als ein geeignetes Mittel, um vor allem fossile Kraftwerke weiter für die Energieversorgung einsetzen zu können, bei gleichzeitiger Einhaltung der vereinbarten Klimaschutzziele. Andere wiederum sehen dadurch den weiteren Einsatz fossiler Kraftwerke für die nächsten 40 Jahre manifestiert, was ihrer Meinung nach den Umstieg auf Erneuerbare Energien in diesem Zeitraum behindert.