Hilft Technik gegen die Erderwärmung?

Beitrag von Dr. José L. Lozán, Chefredakteur und Mitherausgeber der Buchreihe „Warnsignal Klima“

Der von 196 Staaten und der EU am 12. Dezember 2015 in Paris beschlossene und seit 4. November 2016 völkerrechtlich bindende Vertrag hat das Ziel, den Klimawandel zu bremsen und die Auswirkungen abzumildern. Dafür muss die Erderwärmung deutlich auf unter 2°C im Vergleich zur vorindustriellen Zeit be-grenzt werden. Um dies zu erreichen, müssen die Emissionen der klimarelevanten Gase „gestoppt“ werden. Damit würde sich die globale Temperatur langfristig stabilisieren. Dies kann jedoch nur schrittweise erfolgen. Das deutsche Klimaziel für 2030 ist die Verringerung der Treibhausgasemissionen um mindestens 65% im Vergleich zu 1990. Auch wenn Experten daran zweifeln, ist Deutschland nach Angaben der Bundesregierung erstmals auf dem Weg, diese Ziele zu erreichen (BMWK 2024). Bis 2045 soll in Deutschland die Treibhausgasneutralität erreicht werden. Dieses Ziel ist im deutschen Klimaschutzgesetzt verankert (Bundesregierung 2022). Die EU hat sich mit dem Europäischen Klimagesetz verpflichtet, bis 2050 treibhausgasneutral zu werden (EU 2023).

Nach dem aktuellen Wissensstand können nicht alle anthropogenen Emissionen vermieden werden. Beispielsweise können in der Landwirtschaft beim Reisanbau und der Viehzucht die Emissionen durch technische Verbesserungen und Produktionsoptimierungen reduziert – aber nicht auf Null gesenkt werden. Ähnliches kann für die Zementproduktion gesagt werden. Nach optimistischen Szenarien zur Emissionsvermeidung gelten 5% bis 15% der heutigen Emissionen bis 2050 als sogenannte schwer vermeidbare Restemissionen. Sie müssen kompensiert werden, um die erwünschten „Netto-Null-Emissionen“ zu erreichen.

In diesem Sinn bedeutet Treibhausgasneutralität, dass nach den Reduktionen der Emissionen ein Gleichgewicht zwischen den unvermeidbaren Emissionen von Treibhausgasen und einer technischen CO₂-Entnahme aus der Atmosphäre hergestellt werden muss. Daher impliziert die Einhaltung des Klimaübereinkommens von Paris den Einsatz technischer Methoden, um die Treibhausgasneutralität zu erreichen. Man hat den Begriff „Netto-Null“ eingeführt. Das bedeutet, dass alle unvermeidbaren Treibhausgas-Emissionen durch Negative Emissionen zu kompensieren sind. Negative Emissionen werden durch den Einsatz von CO₂-Entnahmemethoden aus der Atmosphäre ermöglicht.

Die Verfahren zur Verringerung der CO₂-Konzentration der Atmosphäre (Carbon Dioxide Removal – CDR) sind ein zentraler Teil des sogenannten Climate-Engineering (CE) früher auch als Geo-Engineering bekannt. CDR-Methoden wollen der Atmosphäre CO₂ entziehen und dauerhaft in anderen Reservoiren speichern (Negative Emissions-Technologien, NETs). Das der Atmosphäre entzogene CO₂ kann mehr oder weniger dauerhaft in Böden, der Erdkruste oder unter dem Ozean gespeichert, in Biomasse gebunden oder chemisch als Rohstoff in der Industrie genutzt werden. CDR gelten daher als Ergänzung zur Reduktion der anthropogenen CO₂-Emissionen und werden als notwendig angesehen, um die Ziele des völkerrechtlich verbindlichen Paris-Abkommens zu erreichen. Der Weltklimarat IPCC betrachtet die konsequente und rasche Reduktion der Emissionen von Treibhausgasen als wichtigste und als absolut vorrangige Maßnahme zum Schutz des Klimas.

Es gibt eine weitere Gruppe von CE-Verfahren, die mehr Sonnenenergie in den Weltraum zurückstreuen oder die Durchlässigkeit für Wärmestrahlung aus der Erdoberfläche erhöhen sollen. Sie wirken als Klimaschutz, ohne dabei allerdings die Konzentration der klimarelevanten Gase zu mindern. Diese Verfahren werden Radiation Management (RM) genannt. Vor allem die RM-Verfahren befinden sich noch fast alle in der Forschungsphase. Neben den gewünschten Auswirkungen bergen diese aber auch erhebliche Risiken und Unsicherheiten. lhre jeweilige Effizienz, insbesondere aus globaler Sicht, ist noch völlig offen.

Neben den Climate Engineering-Methoden gibt es Verfahren zur Nutzung des Kohlenstoffdioxids (Carbon Capture and Utilisation – CCU) (Lozán et al. 2023 – Kap.3). Eine konkrete Möglichkeit dafür ist, das CO₂ durch Karbonatisierung (oder Mineralisierung) dauerhaft in ein klimaneutrales Produkt wie Kalk (Kalziumkarbonat CaCO₃) umzuwandeln. Diese CO₂-Mineralisierung stellt wegen der dauerhaften CO₂-Speicherung einen konkreten Beitrag zur Lösung des Klima-Problems dar. Das Kalziumkarbonat hat potenziell eine vielseitige Verwendung z.B. in Baustoffen, Füllstoffen und Zementzusätzen.

Im vorliegenden Artikel wird eine Übersicht der wichtigsten CDR-Verfahren zusammengestellt. Bei diesen unterscheidet man oft marine und terrestrische Methoden. Wir differenzieren hier aber zwischen biologisch- und geochemisch-basierten CDR-Verfahren, weil die Akzeptanz der Verfahren davon stark abhängt.

Direkte CO₂-Abscheidung aus der Luft und Speicherung (Direkt Air Carbon Capture & Storage, DACCS): Mit diesen Verfahren wird CO₂ der Umgebungsluft entzogen und an Feststoffe gebunden. Solche Anlagen werden „künstliche Bäume“ genannt. Neben der Firma Climeworks arbeiten Carbon Engineering in Kanada, Global Thermostat in den USA und Skytree in den Niederlanden an solchen Verfahren. Ihre Geräte beruhen auf dem Verfahren, mit dem CO₂ z.B. auch aus der Atemluft der Internationalen Raumstation gefiltert wird. Diese Anlagen können überall z.B. entlang von Straßen aufgestellt werden. Anschließend kann das CO₂ unterirdisch gelagert oder als Rohstoff in der Industrie, z.B. in Form von Karbonaten, genutzt werden. Da die CO₂-Konzentration in der Luft (0,04%) etwa 300mal geringer als im Rauchgas eines Kraftwerks ist, sind die Kosten viel höher als bei den Abscheide-Methoden in Kraftwerken. Weiterer Vorteil gegenüber den Carbon Capture and Storage (CCS)-Methoden (s.u.) ist, dass die Umgebungsluft relativ unbelastet von Schadstoffen ist, die bei der Filterung zusätzliche Probleme verursachen würden. Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid (Carbon Capture and Storage, CCS): Für den Klimaschutz wäre es effizienter, das produzierte CO₂ in energieintensiven Industrien und Betrieben wie Stahl- und Zementproduktion sowie Kohlekraftwerken gleich aus dem Rauchgas abzuscheiden und zu nutzen oder dauerhaft unterirdisch zu speichern, als wenn es freigesetzt und dann z.B. durch Aufforstung wieder aus der Atmosphäre entfernt wird. Der Einsatz von CCS ist stark von der Verfügbarkeit geeigneter Speicher abhängig. In Norwegen wird CCS seit Jahren angewandt und viel Geld in die Ausweitung investiert. Dementsprechend werden geologische Erkundungen durchgeführt um weitere geeignete Speicher zu finden. Ende Mai 2024 beschloss das Bundeskabinett Eckpunkte für eine Carbon-Management-Strategie. Das war ein wichtiger politischer Schritt. Weitere Informationen unter: www.klima-warnsignale.uni-hamburg.de/klimaschutz-und-ccs-co2-entnahme-und-speicherung/. Nutzung von Biomasse als Energie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (BECCS, Bio-Energy with Carbon Capture and Storage): Alternativ zu der o.g. beschriebenen Methode zur Tiefsee-Versenkung von Biomasse zur Verzögerung der Zersetzung gibt es den Vorschlag, Biomasse energetisch zu nutzen und anschließend das freiwerdende CO₂ abzuscheiden und unterirdisch zu speichern. Bei dieser als BECCS bezeichneten Methode geht es um eine Kombination der Nutzung von Bioenergie (BE) mit der CCS-Methode (s.oben). Biomasse wird schon weltweit zur Energiegewinnung genutzt. Es ist daher sinnvoll beide Methoden zu verbinden und in großen Anlagen anzuwenden, da die CCS-Technologie hohe CO₂-Konzentrationen voraussetzt. In Frage kommen große Betriebe wie Bioethanolraffinerien und Papiermühlen. In solchen Betrieben steht die Biomasse zur Verfügung, so dass Energie für den Transport gespart wird. Die energetischen Kosten entstehen nur bei der Abscheidung, dem Transport und der Speicherung des CO₂. Die Möglichkeit einer guten CO₂-Bilanz ist gegeben. Der limitierende Faktor wäre die Speicherkapazität für CO₂ und die Konkurrenz von Bioenergie u.a. zur Nahrungsmittelproduktion. Produktion und Einsatz von Pflanzenkohlen aus Biomasse (Biokohlen oder BioChar): Pflanzen entziehen der Atmosphäre große CO₂-Mengen und wandeln sie während der Photosynthese in organisches Material um. Wenn die Pflanzen absterben, sich zersetzen oder verbrannt werden, wird das organische Material wieder als CO₂ freigesetzt. Das Ziel dieser Methode ist, das produzierte organische Material in den Pflanzen selbst zu speichern. Dazu wird die pflanzliche Biomasse in „Biokohle“ umgewandelt. Abschließend wird die „Biokohle“ mit natürlichen Böden – ähnlich wie die Bildung von Terra Preta in Amazonien – vermischt. Die Zersetzung der „Biokohle“ soll im Boden mehrere Jahrzehnte bis Jahrhunderte dauern. Dabei wird nicht nur CO₂ langfristig fixiert sondern auch die Bodenqualität verbessert. Kohlendioxidaufnahme durch Wüsten-Böden: Weltweit gibt es bis zu 1 Milliarde Hektar küstennahe Wüsten, die für eine „Begrünung“ zur Verfügung stehen. Diese Gebiete nehmen aufgrund einer Verstärkung der Wüstenbildung, des Klimawandels und falscher Landnutzung sogar zu. Es besteht ein großes Potenzial bei der Nutzung dieser Landschaften zur Kohlenstoffbindung durch die Einführung von Plantagen mit sehr wenig Wasser benötigenden Sträuchern. Mit der heutigen Technik zur Entsalzung, Bewässerung, und Bioenergienutzung kann das Potenzial dieser Fläche als CO₂-Senke genutzt werden. Man schätzt, dass so bis zu 25 Mio. t CO₂ je 10.000 km² gespeichert werden könnten. Beschleunigte Verwitterung an Land: Unter üblichen Bedingungen werden Silikate an der Erdoberfläche unter Einwirkung von Kohlensäure (H₂CO₃) zum Teil gelöst. Dabei wird das aus der Luft stammende CO2 in Kalziumkarbonat (Ca₂CO₃) gebunden. Dieser Prozess wird als Verwitterung (Weathering) bezeichnet. Er läuft in der Natur jedoch sehr langsam ab; man schätzt, dass nur 0,1 Gt C/Jahr so gebunden wird. Um diesen Prozess zu beschleunigen, muss eine große Menge stark basischer Gesteine wie Olivin, Dunit oder Basalt zu Gesteinsmehl gemahlen werden. Basalt wird bevorzugt, da er ca. 300 kg CO₂ aus der Atmosphäre pro t Basalt entnimmt. Der Kostentreiber ist die Energie zur Herstellung von Gesteinsmehl. Er liegt weit über derjenigen für die Aufforstung. Weil auch eine Verbesserung der Bodenqualität, verringerte Erosion, Verminderung der Bodenversauerung und Erhöhung der Wasserrückhaltung damit verbunden wäre, würde eine Ausbringen auf Agrarflächen auf eine größere Akzeptanz in der Bevölkerung stoßen. Alkalinisierung des Ozeans: Alkalines Gesteinsmehl kann auch ins Meer auf großer Fläche eingebracht werden. Eine Möglichkeit wäre, es an Strände zu deponieren und von dort durch die Wellen einspülen zu lassen. Eine weitere kostengünstige Methode wäre, das Gesteinsmehl mit Hilfe von Transportschiffen ins Meer einzubringen. Die Verwitterung des Gesteinsmehls würde zu einer Erhöhung des Karbonatgehalts führen und gleichzeitig den pH-Wert etwas erhöhen. Man bezeichnet diese Methode auch als künstliche Alkalinisierung der Meere. Durch diesen Prozess erhofft man eine verbesserte CO₂-Aufnahme der Meere und eine verlangsamte Ozeanversauerung zu erreichen. Verstärkung der Auftriebsgebiete: In den meisten Meeresgebieten liegen Schichten wärmeren Wassers über Schichten mit kaltem und nährstoffreichem Tiefenwasser auf. Sie sind also stabil geschichtet und werden kaum durchmischt. Das Ziel dieser Methode ist das Tiefenwasser nach oben zu befördern, um die Biomasseproduktion an der Oberfläche zu steigern. Das kann durch den Einsatz von vertikalen Pumpen und mit Hilfe von Wellenenergie erfolgen. Versenkung von Biomasse in die Tiefsee: Bei dieser Methode ist gedacht, Ernteabfälle ins Meer zu versenken. Die luftdicht verschlossenen Abfälle sollen mithilfe von Schiffen nach Beschweren mit Steinen in die Tiefsee versenkt werden. Die Autoren nehmen an, dass in dieser Tiefe bei niedrigen Temperaturen und Sauerstoffarmut eine Zersetzung des organischen Materials nur sehr langsam stattfinden kann. Kohlenstoff kann dort bis zu tausenden von Jahren gespeichert bleiben. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung der Braunalge Sargassum, die sich massiv im tropischen Atlantik von Westafrika bis zur Karibik mit einer Biomasse von ca. 20 Mio. t jährlich entwickelt. Man nennt diesen Bereich der Große Atlantische Sargassum-Gürtel (GASB). Getrieben durch Strömungen und Wind bilden sich große Sargassum-Matten mit einer Fläche von mehreren Quadratkilometern und einer Dicke zwischen 10 cm und 2 m. Diese Braunalgen werden kaum genutzt und verursachen im Küstenbereich viele Probleme für das Küstenökosystem.