CO2-Abscheidung: Die Technik, die funktioniert und selten läuft
Die CO2-Abscheidung zieht zwei entgegengesetzte Irrtümer an: dass sie Zukunftstechnik sei, und dass sie ein Freibrief zum Weiterverbrennen sei. Keiner übersteht den Kontakt mit den Zahlen. Die Chemie ist hundert Jahre alt und zuverlässig. Was sie an Energie und Geld kostet, hat den Ausbau weit unter den Plänen gehalten.
Wie die Abscheidung tatsächlich arbeitet
Die Rauchgasabscheidung nach der Verbrennung ist der häufigste Weg und am leichtesten nachzurüsten. Rauchgas steigt in einer Kolonne gegen eine herabrieselnde Aminlösung, meist Monoethanolamin, die Kohlendioxid chemisch bindet. Das beladene Lösungsmittel wird dann in eine zweite Kolonne gepumpt und auf rund 120 Grad erhitzt, was die Reaktion umkehrt und einen konzentrierten Kohlendioxidstrom zur Verdichtung und zum Transport freisetzt. Das regenerierte Lösungsmittel kehrt in die erste Kolonne zurück.
Nichts an dieser Beschreibung ist neu. Die Aminwäsche wurde 1930 patentiert und wird seither eingesetzt, um Kohlendioxid aus Erdgas und aus der Luft in U-Booten und Raumschiffen zu entfernen. Das Neue an ihrer Anwendung auf ein Kraftwerk ist der Maßstab, nicht das Prinzip.
Zwei Alternativen verändern das Problem, statt es nachgelagert zu lösen. Die Abscheidung vor der Verbrennung wandelt den Brennstoff vorher in Wasserstoff und Kohlendioxid, sodass die Trennung bei hohem Druck und hoher Konzentration geschieht, wo sie leichter fällt - um den Preis einer komplexeren Anlage. Die Oxyfuel-Verbrennung verbrennt den Brennstoff in nahezu reinem Sauerstoff statt in Luft und erzeugt ein Rauchgas, das überwiegend aus Kohlendioxid und Wasser besteht; die Trennung wird trivial, aber die Sauerstofferzeugung verbraucht sehr viel Energie.
Einmal abgeschieden, wird das Gas zu einem überkritischen Fluid verdichtet und per Pipeline zum Speicher gebracht, meist ein tiefer salinarer Aquifer oder ein erschöpftes Öl- oder Gasfeld in über 800 Metern Tiefe, wo der Druck es dicht hält und überlagerndes Gestein es an Ort und Stelle. Das norwegische Sleipner-Projekt verpresst seit 1996 etwa eine Million Tonnen jährlich und ist damit der am längsten laufende Nachweis, dass die Speicherung funktioniert.
Der Energieaufwand
Der Grund, warum die Abscheidung schwerfällt, ist nicht, dass sie versagt, sondern dass sie Energie kostet. Die Regeneration der Aminlösung braucht Wärme, und diese Wärme ist Dampf, der sonst Strom erzeugt hätte. Ein Kohlekraftwerk mit Abscheidung verliert 20 bis 30 Prozent seiner Nettoleistung, ein Gaskraftwerk 15 bis 20.
Daraus folgt etwas, das oft übersehen wird. Eine Anlage, die 90 Prozent ihres Kohlendioxids abscheidet, aber 25 Prozent weniger Strom liefert, muss rund ein Drittel mehr Brennstoff verbrennen, um dieselbe Menge ins Netz zu geben - also ein Drittel mehr Bergbau, Transport und vorgelagerte Emissionen, und ein Drittel mehr von allem anderen, was aus dem Schornstein kommt.
Dieser Aufwand ist der Grund, warum die Abscheidung bei Prozessen attraktiver ist, die ohnehin keinen Strom erzeugen. Bei der Zementherstellung stammen rund 60 Prozent des Kohlendioxids aus der Zersetzung von Kalkstein und nicht aus verbranntem Brennstoff, und kein Brennstoffwechsel berührt das. Für Teile der Stahl- und Chemieproduktion gilt dasselbe. Dort ist die Abscheidung keine Alternative zur Elektrifizierung, sondern der einzige derzeit sichtbare Weg.
Die Forschung am Energieaufwand ist aktiv und hat Ergebnisse gebracht. Neuere Lösungsmittel, feste Sorbentien und Membranverfahren senken die Regenerationswärme, und Anlagen der zweiten Generation melden Aufwände näher am unteren Ende der genannten Bereiche. Das ist eine technische Verbesserung und kein Sprung, denn die thermodynamische Arbeit, ein verdünntes Gas zu trennen, hat einen Boden.
Abscheidung aus der Luft
Kohlendioxid aus einem Kraftwerksrauchgas zu ziehen heißt, mit einem Strom zu arbeiten, der zu 4 bis 15 Prozent aus Kohlendioxid besteht. Es aus der freien Atmosphäre zu ziehen heißt, mit 420 Teilen je Million zu arbeiten, also 0,042 Prozent. Dieser Unterschied von zwei Größenordnungen ist die gesamte Schwierigkeit.
Die thermodynamische Mindestarbeit steigt, je geringer die Konzentration ist, sodass die Abscheidung aus der Luft weit mehr Energie je Tonne braucht - derzeit 1.000 bis 2.000 Kilowattstunden gegenüber 200 bis 500 an einem Schornstein. Zudem müssen große Luftmengen über den Kontaktor bewegt werden, was zusätzlich Energie für Gebläse kostet.
Der ausgleichende Vorteil ist, dass sie überall gebaut werden kann, also neben günstiger sauberer Energie und unmittelbar über einem Speicher, ohne Pipeline. Sie ist außerdem der einzige Ansatz, der Emissionen adressiert, die bereits stattgefunden haben oder aus Quellen stammen, die zu verteilt sind, um sie einzeln abzuscheiden, etwa Luftfahrt und Landwirtschaft.
Die weltweite Kapazität der Luftabscheidung liegt derzeit im Bereich von Zehntausenden Tonnen jährlich. Die jährlichen Emissionen liegen über 37 Milliarden. Die Lücke beträgt sechs Größenordnungen, und das ist der ehrliche Rahmen für jede Diskussion dieser Technik: Sie ist real, sie funktioniert, und sie ist sehr klein.
Warum so wenig läuft
Die weltweit laufende Abscheidekapazität liegt bei rund 50 Millionen Tonnen im Jahr. Angekündigte Projekte summieren sich auf ein Mehrfaches, und die Lücke zwischen angekündigt und in Betrieb ist seit zwei Jahrzehnten ein durchgehendes Merkmal des Felds. Mehrere Vorzeigeprojekte im Stromsektor wurden nach dem Bau eingestellt oder stillgelegt.
Der Grund ist strukturell und nicht technisch. Die Abscheidung kostet Geld und erzeugt ein Produkt, das fast niemand kaufen will. Ohne einen Kohlenstoffpreis oberhalb der Abscheidekosten oder eine direkte Förderung zahlt der Betreiber dafür, weniger zu erzeugen. Das ist kein Geschäft, und es erklärt, warum die tatsächlich laufenden Projekte meist solche sind, bei denen das Kohlendioxid einen Abnehmer hat.
Dieser Abnehmer war historisch die Ölindustrie. Die tertiäre Ölförderung presst Kohlendioxid in alternde Felder, um mehr Öl herauszudrücken, und macht einen großen Teil der in Betrieb befindlichen Kapazität aus. Die Kohlenstoffbilanz dieser Anordnung ist aus naheliegenden Gründen umstritten, und deshalb muss man Abscheidestatistiken genau lesen.
Die realistische Einordnung ist enger, als Befürworter und Kritiker meist zulassen. Die Abscheidung ist teuer, energiehungrig und langsam im Aufbau, was sie zu einem schlechten Ersatz dafür macht, gar nicht erst zu emittieren - Effizienz, Erneuerbare und Elektrifizierung sind je vermiedener Tonne günstiger. Sie ist zugleich die einzige verfügbare Antwort für die Zementchemie und eine Handvoll industrieller Prozesse, auf die jene Alternativen überhaupt nicht zutreffen. Beides stimmt, und die meisten Auseinandersetzungen über die Abscheidung entstehen dadurch, dass das eine gesagt und das andere gemeint wird.
Häufige Fragen
Funktioniert die CO2-Abscheidung tatsächlich?
Ja. Die Aminwäsche trennt Kohlendioxid seit den 1930er Jahren industriell aus Gasströmen, und Abscheidegrade von 90 Prozent und mehr werden routinemäßig erreicht. Das norwegische Sleipner-Projekt speichert seit 1996 etwa eine Million Tonnen jährlich. Die Hindernisse sind Kosten und Energieverbrauch, nicht die Frage, ob die Chemie arbeitet.
Was ist der Energieaufwand?
Der Anteil der Kraftwerksleistung, den die Abscheidung verbraucht, größtenteils als Wärme zur Regeneration des Lösungsmittels. Er liegt bei Kohle bei 20 bis 30 Prozent und bei Gas bei 15 bis 20. Eine Anlage mit Abscheidung muss deshalb rund ein Drittel mehr Brennstoff verbrennen, um dieselbe Strommenge zu liefern, was alles Vorgelagerte anteilig erhöht.
Warum ist die Abscheidung aus der Luft so viel schwerer?
Wegen der Konzentration. Ein Rauchgas enthält 4 bis 15 Prozent Kohlendioxid, die Atmosphäre 0,042 Prozent. Die thermodynamische Trennarbeit steigt stark, je geringer die Konzentration ist, sodass die Luftabscheidung 1.000 bis 2.000 Kilowattstunden je Tonne braucht gegenüber 200 bis 500 am Schornstein, plus die Energie, gewaltige Luftmengen zu bewegen.
Wohin geht das abgeschiedene Kohlendioxid?
Es wird zu einem überkritischen Fluid verdichtet und unterhalb von etwa 800 Metern in tiefe salinare Aquifere oder erschöpfte Öl- und Gasfelder verpresst, wo der Druck es dicht hält und undurchlässiges Deckgestein es einschließt. Ein erheblicher Teil des heute abgeschiedenen Kohlendioxids wird stattdessen zur tertiären Ölförderung genutzt, was die Bilanz verkompliziert.
Ist die Abscheidung ein Grund, weiter fossil zu verbrennen?
Je vermiedener Tonne ist es günstiger, gar nicht erst zu emittieren - über Effizienz, Erneuerbare und Elektrifizierung -, und der Energieaufwand der Abscheidung bedeutet mehr verbrannten Brennstoff für dieselbe Strommenge. Ihr stärkster Fall sind industrielle Prozessemissionen aus Zement, Stahl und Chemie, wo das Kohlendioxid aus der Chemie selbst stammt und ein Brennstoffwechsel nicht hilft.
