Direct Air Capture: Das Milliarden-Geschäft mit der Klimakatastrophe

Ohne eine entschiedene Reduktion von CO₂ in unserer gesamten Produktion und Lebensweise kann der Klimawandel nicht gestoppt werden. Die Defossilisierung der Industrie hat allerdings gerade erst begonnen. Neben technischen Herausforderungen, die es zu lösen gilt, bremst diesen Prozess eine weitere gravierende Hürde: Grüner Strom ist knapp und in der Übergangsphase wird die Industrie voraussichtlich noch einige Jahre lang mehr CO₂ emittieren, als dem Klima zuträglich ist.

Eine Lösung stellt die Kohlenstoffabscheidung dar. Dabei geht es darum, das in Kraftwerken und großen industriellen Prozessen erzeugte CO₂ aufzufangen, zu konzentrieren und zu einem Speicherort - meist unter der Erde - zu transportieren, wo es über einen langen Zeitraum gelagert werden kann (Carbon Capture and Storage „CCS“).

Ein weiterer Ansatz zur Kohlenstoffabscheidung ist die direkte Abscheidung aus der Luft (Direct Air Capture = DAC). Beim Direct Air Capture-Verfahren strömt die Umgebungsluft durch ein Absorbens, das ihr einen Teil des Kohlendioxids entzieht. Hier haben sich zwei Verfahren durchgesetzt: Das High Temperature-DAC-Verfahren und das Low Temperature-DAC-Verfahren. Diese Verfahren erscheinen vielversprechend, sind aber mit hohen Kosten verbunden.

Nach Desorption und Aufkonzentration erhält man dabei CO₂ mit einem hohen Reinheitsgrad, welches anschließend neben der Speicherung im Untergrund auch direkt als Rohstoff beispielsweise für die Chemieindustrie oder für die Synthese von Basischemikalien wie Methanol und klimaneutralen Kraftstoffen für den Flugverkehr und der internationalen Seeschifffahrt eingesetzt werden kann („Utilization“).

Wird CO₂ aus der Luft filtriert und dann direkt gespeichert, spricht man von Direct Air Carbon Dioxide Capture and Storage, DACCS. Übergreifend spricht man auch von CCUS-Projekten (Carbon Capture, Utilization and Storage). Carbon Capture and Utilization (CCU) und Carbon Capture and Storage (CCS) versprechen schnelle Lösungen, um CO₂ aus fossilen Prozessen abzutrennen und nicht in die Atmosphäre entweichen zu lassen.

Die Technologie zur Kohlendioxidabscheidung ist jedoch umstritten, da sie die Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen ermöglicht und einen konsequenten Ausbau erneuerbarer Energien behindert. Werden mit CCU z. B. Kraftstoffe hergestellt und gleich wieder verbrannt, dann ist im Grunde nichts gewonnen. Letztendlich schiebt dann CCU die Emissionen aus fossilen Energien in die Atmosphäre nur auf.

Doch die Nachfrage nach fossilen Brennstoffen könnte noch ein Jahrzehnt oder länger wachsen (wenn auch mit geringeren Raten), und fossile Brennstoffe werden noch lange ein Teil des Energie-Ökosystems bleiben. Die drohende Klimakatastrophe einer Welt mit mehr als 2 Grad Erwärmung bedeutet daher auch immense wirtschaftliche Marktchancen, diese CO₂-Emissionen wieder aus der Luft zu filtern.

Laut der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) sind etwa 20 % der zur Erreichung des 1,5°C-Szenarios erforderlichen Emissionsminderungen in irgendeiner Form mit Kohlenstoffabscheidung verbunden. Dies entspricht der Beseitigung von 7,38 Gigatonnen CO₂ pro Jahr (7.380.000.000 Tonnen), was je nach Kohlenstoffpreis zu erheblichen Einnahmen für die künftige Kohlenstoffabscheidungsindustrie führt.

Allein die Notwendigkeit, fossiles Kerosin in der Luftfahrt bis 2050 weltweit durch klimaneutrale Kraftstoffe wie Biokerosin und E-Kerosin zu ersetzen, quantifiziert laut einer dena-Studie, die gemeinsam mit der finnischen Technischen Universität Lappeenranta (LUT) und der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) erstellt wurde, einen gigantischen DAC-Bedarf:

Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von Biokerosin und anderen technologischen Alternativen müssen im Jahr 2050 fast 60 Prozent des Kraftstoffbedarfs durch E-Kerosin gedeckt werden. Über 90 Prozent des CO₂-Bedarfs für die E-Kerosin-Produktion im Jahr 2050 muss durch DAC gedeckt werden. In Summe wären das 161 bis 281 Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr in Europa und 102 bis 176 Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr in den USA.

Ein weiteres Beispiel: Schweden hat mit 137 $/Tonne ab April 2021 die höchste nationale Kohlenstoffsteuer der Welt, doch sind die Emissionen dort seit 2012 nur um 8 % gesunken, was weit unter dem Wert der Ziele des Pariser Abkommens liegt. Dies deute laut Dimitry Dayen, Senior Research Analyst für Erneuerbare Energien und Umweltdienstleistungen bei Clearbridge Investments darauf hin, dass die Kohlenwasserstoffpreise möglicherweise deutlich steigen könnten.

Unter der Annahme, dass $137/ Tonne ein 1,5°-Szenario abbildet, würde die Kohlenstoffabscheidungsindustrie einen möglichen Gesamtmarkt von 1 Billion Dollar erreichen. Für Unternehmen, die Projekte zur Kohlenstoffabscheidung entwickeln, besteht also ein erhebliches Ertragspotenzial.

2022 gab es laut Dimitry Dayen weltweit aber nur 27 operative Projekte zur Kohlenstoffabscheidung, davon 13 in den USA, die nur einen sehr kleinen Teil der CO₂-Emissionen einfangen. Diese Zahl müsste auf Hunderte oder sogar Tausende von Anlagen weltweit anwachsen. Daher werden DAC-Technologien auch staatlich gefördert:

• Um die Bundesstaaten bei der Einführung der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung zu unterstützen, bewilligte beispielsweise das US-Energieministerium im Oktober 2021 20 Millionen Dollar.
• Die australische Regierung investiert über einen Zeitraum von 10 Jahren mehr als 300 Millionen AUD$ in die Technologie.
• Die norwegische Regierung hat 1,7 Milliarden Euro für das sogenannte Nordlichtprojekt bereitgestellt, ein zukunftsweisendes gemeinsames Projekt von Equinor, Shell und Total, dessen Ziel es ist, CO₂ in Industrieanlagen in der Region Oslofjord (Zement und Energie aus Abfall) abzufangen, zu komprimieren und als Transport per Schiff und Pipeline zur dauerhaften Lagerung in Stauseen in 2.500 bis 3.000 Metern Tiefe zu bringen.

Auch in Deutschland wird die industrielle Anwendung der DAC-Technologie gefördert. Im Rahmen des vom Verkehrsministerium Baden-Württemberg geförderten Projekts „DAC-BW“ sollen sowohl Startups, kleine und mittlere Unternehmen als auch international tätige Großunternehmen aus dem Bereich Maschinen- und Anlagenbau zusammengeführt werden.

Als Prototyp für die Industrie soll eine Direct Air Capture-Forschungsanlage unter praxisnahen Bedingungen am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) betrieben werden. Die Beschaffung der Anlage mit einer Erzeugungskapazität von bis zu 100 Tonnen CO₂ pro Jahr wird vom Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg finanziell gefördert.

Auf privater Seite investieren viele große Ölkonzerne wie Exxon, Chevron und Total in Kohlenstoffabscheidung. Exxon besitzt u.a. Anlagen zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung in Wyoming, die in der Lage sind, Abscheidung von sieben Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr vorzunehmen, und ein plant ein Zentrum für die Kohlenstoffabscheidung in Houston, wo nach Schätzungen des Unternehmens bei vollständiger Umsetzung bis 2040 jährlich 100 Millionen Tonnen CO₂ gespeichert werden könnten (so viel, als wenn eines von 12 US-Autos von der Straße entfernt werden würde - oder grob geschätzt 22 Millionen Autos).

Neben etablierten Energie- und Rohstoffunternehmen gibt es eine Handvoll innovativer Privatunternehmen. Dazu gehören Carbon Engineering und Climeworks, die beiden führenden DAC-Unternehmen aus Kanada bzw. der Schweiz.

Für mediales Aufsehen sorgte 2021 die damals weltweit größte Anlage Orca, um Kohlendioxid aus der Luft zu saugen. Geplant und gebaut wurde die Anlage vom Schweizer Unternehmen Climeworks – ein Spin-off der ETH Zürich – und der isländischen Firma Carbfix, die die dauerhafte Speicherung des abgeschiedenen CO₂ in unterirdischen Gesteinsschichten sicherstellt.

Um das CO₂ zu filtern, nutzt Climeworks einen zweistufigen Prozess: Zunächst wird Luft mit großen Ventilatoren durch die Anlage hindurch geblasen. Dabei bleibt das CO₂ an einem speziellen Filtermaterial in der Mitte des Containers hängen.

Ist dieses Filtermaterial gesättigt, beginnt der zweite Teil des Prozesses: Der Kasten wird geschlossen und erhitzt. Bei 100 Grad Celsius löst sich das Gas wieder vom Filtermaterial und kann in hochkonzentrierter Form abgesaugt werden. Für die Anlage kommt zur Durchführung des Prozesses klimafreundliche Geothermie zum Einsatz – Orca wurde daher in der unmittelbaren Nähe zum weltbekannten Geothermie-Kraftwerk Hellisheidi errichtet.

Orca basiert auf einem kleinerem Test-Prototypen in Hinwil in der Schweiz, der aber bereits seit 2017 kommerziell CO₂ filtert. Doch nun ist Schluss mit der Anlage in Hinwil. Climeworks gab jetzt bekannt, den kommerziellen Betrieb einzustellen und beendet den Verkauf von CO₂ an Kunden wie z. B. Coca-Cola HBC Switzerland Ltd., die das Kohlendioxid für die Karbonisierung ihres Mineralwassers Valser nutzten. Der Grund liegt aber nicht darin, dass sich „Direct Air Capture“ (DAC) nicht lohnen würde. Laut Climeworks hat sich die Technologie der ersten Generation in Hanwil einfach überholt.

Künftig will sich Climeworks auf die Entwicklung seiner Technologie zur Abscheidung und Lagerung, „Storage“, (DAC+S) auf Island konzentrieren. Hier ist nämlich auch derzeit die jetzt weltweit größte DAC+S-Anlage Mammoth im Bau. Darüber hinaus entwickelt Climeworks DAC+S-Projekte in Oman, Norwegen und den USA. Bis 2030 will das Unternehmen eine Kapazität von mehreren Megatonnen und bis 2050 eine Kapazität von 1 Gigatonne erreichen.

Viele weitere Unternehmen sehen in der weiteren Verschärfung der Klimakrise einen Markt und entwickeln eigene Carbon Removal-Lösungen, um die Atmosphäre von CO₂ zu befreien.

So will die AUDI AG, die bereits das Projekt in Hinwil als Partner begleitet haben, nun mit dem Linzer GreenTech-Unternehmen Krajete GmbH gemeinsam die Direct Air Capturing-Technologie weiterentwickeln. Im österreichischen Linz entstand dazu eine erste Anlage, in der ein anorganisches Filtermaterial zum Einsatz kommt, das sehr hoch mit Molekülen beladen werden kann und das sich darüber hinaus sehr unempfindlich gegenüber Feuchteeinwirkungen zeigt. Somit ist es nicht oder nur noch in Einzelfällen notwendig, die zu filternde Umgebungsluft vor zu trocknen.

Die Temperatur- und Druckbedingungen für die Aufnahme der CO₂-Moleküle sowie die spätere Entfernung von der Adsorberoberfläche liegen sehr nah beieinander. Dadurch werden die Beladungs- und Entladungszyklen des Adsorbers wesentlich verkürzt. Das heißt: In kürzerer Zeit lässt sich mehr CO₂ aus der Umgebungsluft entfernen. Die gefilterte Luft wird nach dem Adsorptionsschritt wieder an die Umgebung abgegeben. Das alles steigert die Effizienz und reduziert Kosten.

Das gewonnene CO₂ steht anschließend in hochkonzentrierter Form als Rohstoff für die dauerhafte Speicherung oder für unterschiedlichste industrielle Anwendungen zur Verfügung.

Die aktuell von Audi und Krajete in Betrieb genommene Großanlage kann pro Jahr 500 Tonnen CO₂ filtern. Bis Ende des Jahres wird die Kapazität der Anlage durch ein weiteres Modul auf 1.000 Tonnen erhöht. Der Strom, der für den Betrieb der Anlage benötigt wird, stammt aus einer Photovoltaik-Anlage auf dem Betriebsgelände.

Alexander Krajete, Geschäftsführer des gleichnamigen Technologieentwicklers, sagt: „Zunächst haben wir uns aus Effizienz-Gründen die Prämisse gesetzt, den Prozess bei Umgebungsdruck ablaufen zu lassen. Anschließend haben wir die eingesetzten Adsorbermaterialien und die physikalischen Bedingungen in der Anlage so lange variiert, bis wir den optimalen Durchlauf gefunden haben, das heißt die maximale Menge CO₂ pro Zeiteinheit gefiltert haben.“

Die Kosten für die Abscheidung konnten dadurch deutlich gesenkt werden und liegen bereits jetzt im unteren dreistelligen Eurobereich für eine Tonne CO₂. Langfristiges Ziel ist es, Kohlenstoffdioxid auch industriell nutzbar zu machen. Damit wollen die Krajete GmbH und die AUDI AG einen Beitrag leisten, um entsprechenden Anwendungen zum Durchbruch zu verhelfen.

Als nächster Schritt zur bereits bestehenden Großanlage in Linz prüft die AUDI AG aktuell, Quellen mit höheren CO₂-Konzentrationen zu erschließen und weitere Emissionen wie beispielsweise Stickstoffoxide zu filtern. Außerdem könnte die DAC-Technologie am ungarischen Audi Standort Győr in deutlich größerem Ausmaß umgesetzt werden. Vorstellbar wäre eine Anlage in einer Größenordnung von 25.000 Tonnen Abscheidekapazität pro Jahr.

Auch BASF und GS Engineering and Construction (GS E&C), ein in Korea ansässiges Unternehmen, das hauptsächlich in der Baubranche tätig ist, wollen gemeinsam modulare Lösungen zur CO₂-Abscheidung entwickeln. Wie in einer Pressemitteilung anlässlich der Unterzeichnung einer Absichtserklärung über eine strategische Partnerschaft Ende September 2022 bekanntgegeben wurde, sollen für Kunden aus allen Branchen individuelle Paketlösungen aus standardisierten Elementen entwickelt werden, um CO₂ aus Abgasen (Rauchgasen) zu entfernen und so aufzubereiten, dass es weiterverwendet oder gespeichert werden kann.

Dazu soll die CO₂-Gasabscheidungstechnologie, die BASF unter OASE® blue vermarktet, mit dem Ingenieurwissen von GS E&C kombiniert werden. Im Rahmen der beabsichtigten Zusammenarbeit will GS E&C ein Lösungspaket aus spezialisierten Ingenieurdienstleistungen, CO₂-Abscheidung, Projektfinanzierung bis hin zur Speicherung und Nutzung bieten. So sollen Investitions- und Betriebskosten optimiert und die Implementierungsschritte von CCUS-Projekten von der Konzeption bis zum Betrieb effizient verkürzt werden.

Evelyn Shen, Vice President, Business Management Amines, Acetylenics & Carbonyl Derivatives Asia Pacific, Intermediates Asia Pacific, BASF, sagte: "CCUS ist eine der wichtigsten Optionen mit hoher technologischer Bereitschaft, um die Reduzierung der globalen CO₂-Emissionen zu beschleunigen. Die gemeinsamen Anstrengungen von BASF und GS E&C sind ein Beleg für unser Engagement in diesem Bereich."

BASF ist aber auch in anderen Projekten führend involviert. So planen Air Liquide und BASF die weltweit größte „grenzüberschreitende Wertschöpfungskette“ zur Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid (CCS) im Hafen von Antwerpen. Das gemeinsame Projekt „Kairos@C“ wurde im September 2021 von der Europäischen Kommission als eines von sieben Großprojekten aus mehr als 300 Anträgen für eine Förderung durch den Innovationsfonds ausgewählt.

Durch die Vermeidung von 14,2 Millionen Tonnen CO₂ in den ersten zehn Betriebsjahren soll das Projekt einen wesentlichen Beitrag zum Ziel der EU leisten, bis 2050 klimaneutral zu werden.

Eine hitzige Debatte über CCS-Technologien gab es vor 20 Jahren. Während einige Wissenschaftler*innen diese Technologien als wesentlichen Bestandteil einer Übergangsphase (z.B. IPCC 2005) betrachteten, sahen andere hier nur eine Ausrede für eine längere Nutzung der Kohlekraftwerke (Stichwort „Clean Coal“). Nachdem diese Anwendung bis heute ausgeschlossen wurde, ebbte die Diskussion ab.

Die Notwendigkeit der Nutzung sogenannter Negativ-Emissions-Technologien (NET) ist laut der Kurzstudie „Wie ökologisch und sozial verträglich sind CCS, BECCS und CCU Technologien?“ des Öko-Institut e.V. vom Dezember 2021 immer noch umstritten: Während der IPCC (2018) davon ausgeht, dass insbesondere in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts biogene und technologische NET mehr oder weniger umfangreich eingesetzt werden müssen, hat das UBA (2019) in seiner Rescue Studie dargestellt, dass Klimaneutralität in Deutschland ausschließlich mit natürlichen Senken (Wälder, Moore, etc.) erreicht werden kann. Dies setzt jedoch voraus, dass drastische Minderungsmaßnahmen umgesetzt werden, wonach es aktuell nicht aussieht.

Neuere Studien zur Erreichung der Klimaneutralität in Deutschland bis 2045 kommen zu dem Schluss, dass auch NET im Umfang von 40 bis 100 Megatonnen CO₂e notwendig sein werden, um dieses Ziel zu erreichen (Prognos; Öko-Institut; Wuppertal-Institut 2021; ISI 2021; PIK 2021; dena 2021). Im Koalitionsvertrag von SPD, Grünen und FDP werden Negativemissionen als Langfriststrategie für ca. 5 % unvermeidbare Restemissionen betrachtet (SPD; Bündnis 90/Die Grünen; FDP 2021).

Auch IPCC (2018) und UBA (2019) konstatieren gleichermaßen: Je später und je schwächer Minderungsmaßnahmen eingeleitet werden, umso mehr steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sowie der Umfang in dem NET eingesetzt werden müssen, um Klimaneutralität zu erreichen.

Mittlerweile sehen auch Verbände es als notwendig an, CO₂ aus der Atmosphäre zu filtern und zu speichern, um die Klimaziele zu erreichen. So definiert der NABU in seinem Standpunkt zum Einsatz von CCU und CCS in der Industrie klare Rahmenbedingungen.

Da die Abscheidung von Kohlenstoff in der gesamten Prozesskette viel (grüne) Energie erfordert und auch für den Transport auf der Straße, durch die Bahn oder über Schiffe muss Energie aufgewendet werden muss, ist die Energiebilanz von CCUS-Technologien sehr kritisch zu bewerten, so der NABU. Nur mit verbindlichen Reduktionspfaden für fossiles CO₂ aus der Industrie ließen sich wesentliche positive Effekte für das Klima erzielen.

Am energieintensivsten ist das DACCS-Verfahren: Hier wird viel Wärme und Strom für die Regeneration der chemischen Substanzen (Sorptionsmittel) benötigt, die das CO₂ aus der Luft abscheiden. Aktuelle Ökobilanzen haben gezeigt, dass pro Tonne abgeschiedenem CO₂ derzeit 0,3 Tonnen CO₂ ausgestoßen werden. 4 Der Ausstoß von CO₂ kann variieren, je nachdem, welcher Anteil von Erneuerbaren Energien bei der Generierung von Strom verwendet wird.

Damit der Einsatz von CCS zu keinem Lock-In-Effekt zugunsten fossiler Infrastrukturen führt, muss der Staat klare Transformationsziele vorgeben und über Regulierungen sicherstellen. Um sowohl Mengengerüste des förderfähigen CCS festzulegen als auch das Monitoring und Risikomanagement sachgerecht zu begleiten, sollte ein transdisziplinärer Beirat eingerichtet werden.

Auch der gesellschaftliche Diskurs müsse wieder aufgenommen werden. NABU-Präsident Jörg-Andreas Krüger fordert: „Ein sozial robuster Einsatz von CCS muss durch einen Klima-Tisch in einem transdisziplinären Prozess unter Beteiligung von Wissenschaft, Politik, Wirtschaft und organisierter Zivilgesellschaft gestaltet und von einer partizipativen Technikfolgenabschätzung begleitet werden.“ Ein transdisziplinäres Gremium muss dann den Bau der neuen CCS-Infrastruktur kritisch begleiten, geeignete Förderinstrumente vorschlagen sowie die Menge des förderfähigen CCS schrittweise begrenzen.

Besonders wichtig ist die strenge Reglementierung von BECCS (BioEnergy Carbon Capture and Storage). Biomasse ist per se nicht CO₂ neutral. Der Einsatz von BECCS muss mit den Anforderungen an einen naturverträglichen Biomasseanbau übereinstimmen und darf nicht mit einem erhöhten Druck auf Holzeinschlag oder industrieller Landnutzung einhergehen.

Der NABU hebt hervor, dass CO₂-Abscheidung und Speicherung den Energieverbrauch um bis zu 40 Prozent erhöht. Die Nutzung erneuerbarer Energien ist immer günstiger, weswegen der naturverträgliche Ausbau der Erneuerbaren Energien vorangetrieben werden muss.

CCS erfordert zudem eine langfristige, generationsübergreifende Überwachung der Lagerstätten. Nur wenn das eingelagerte CO₂ dauerhaft und vollständig in den Speichern verbleibt, können diese Technologien einen realen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Ein umfangreiches Monitoring des Transports, der Anlagen und der Speicherstätten muss gewährleistet werden.