CO2-Abscheidungstechnologien

Carbon Capture and Storage (CCS) ist eine Kombination von Technologien, die darauf abzielt, die Freisetzung von CO2, das bei konventionellen Energieerzeugungs- und Industrieproduktionsprozessen entsteht, zu verhindern, indem das CO2 in geeignete unterirdische Lagerstätten injiziert wird. Grundsätzlich werden bei der Abscheidungstechnologie die CO2-Emissionen vom Prozess getrennt. Anschließend wird das komprimierte CO2 zu einem geeigneten geologischen Speicherort transportiert und dort verpresst. Für den Transport von CO2 kommen sowohl Pipelines als auch Schiffe in Frage. Geeignete geologische Lagerstätten für CO2 sind stillgelegte Öl- und Gasfelder, tiefe Salzformationen und nicht abbaubare Kohleflöze. Der wichtigste Grund für die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) ist die Verringerung der CO2-Emissionen in der Industrie und bei der Stromerzeugung; ohne Anreize für eine solche Emissionsverringerung ist kaum mit CCS zu rechnen. Die Einführung von CCS in der Industrie und bei der Stromerzeugung würde es ermöglichen, die Nutzung fossiler Brennstoffe fortzusetzen und gleichzeitig die CO2-Emissionen erheblich zu senken. Eine vollständige CCS-Kette muss jedoch erst noch eingeführt werden, und es bestehen noch viele technische, ökologische und wirtschaftliche Unwägbarkeiten.

Einführung in die CO2-Abscheidungstechnologien

Es gibt mehrere Technologien, die für die Abscheidung, den Transport und die geologische Speicherung von CO2 eingesetzt werden. Der Großteil der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist auf die Verbesserung der Effizienz der Technologien ausgerichtet, mit denen CO2 von anderen Verbindungen getrennt wird, die normalerweise bei industriellen Prozessen freigesetzt werden. Diese Technologien werden im Allgemeinen als Abscheidungstechnologien“ bezeichnet. Abscheidungsverfahren können in drei Kategorien eingeteilt werden, wobei die Eignung jedes Ansatzes von dem jeweiligen industriellen Prozess oder Kraftwerkstyp abhängt.

1. Nachverbrennung: CO2 wird aus dem Rauchgas entfernt, das bei der Verbrennung eines fossilen Brennstoffs entsteht. Bei der Post-Combustion-Abscheidung wird das CO2 mit Hilfe eines Lösungsmittels abgeschieden. Typische Anwendungen für diese Technologie sind Kohlenstaubanlagen (PC) und Erdgas-Kombikraftwerke (NGCC). Diese Technologie eignet sich besonders für Nachrüstungsanwendungen (Parliamentary Office of Science & Technology, 2009).
2. Pre-Combustion: Der Primärbrennstoff wird mit Wasserdampf und Luft oder Sauerstoff zur Reaktion gebracht und in ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgewandelt, das oft als „Synthesegas“ bezeichnet wird. Das Kohlenmonoxid wird anschließend in einem „Shift-Reaktor“ in CO2 umgewandelt. Das CO2 kann dann abgetrennt werden, und der Wasserstoff wird zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung genutzt. Diese Technologie eignet sich besonders für Kraftwerke mit integrierter Vergasung und kombiniertem Zyklus (IGCC) (IPCC, 2005).
3. Oxy-Fuel-Verbrennung: Der Primärbrennstoff wird mit Sauerstoff anstelle von Luft verbrannt, wobei ein Rauchgas entsteht, das hauptsächlich Wasserdampf und eine hohe Konzentration an CO2 (80 %) enthält. Das Rauchgas wird dann gekühlt, um den Wasserdampf zu kondensieren, so dass ein fast reiner CO2-Strom übrig bleibt. Für die In-situ-Erzeugung von Sauerstoff aus Luft ist zusätzliche Ausrüstung erforderlich (Mckinsey & Company, 2008).

Industrielle Prozesse: Die Abscheidetechnologien können auch in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt werden, z. B. in der Erdgasverarbeitung, in der Stahl-, Zement- und Ammoniakproduktion (IPCC, 2005).

Carbon Capture and Storage (CCS) könnte zwischen 85-95 % des gesamten produzierten CO2 abscheiden (IPCC, 2005), aber die Netto-Emissionsreduktionen liegen in der Größenordnung von 72 bis 90 % aufgrund der Energiekosten für die Abscheidung des CO2 und der vorgelagerten Emissionen (Viebahn et al., 2007).

Wenn das CO2 aus einem Prozess effektiv „abgeschieden“ wurde, muss es zu einem geeigneten Speicherort transportiert werden. CO2 lässt sich am effizientesten transportieren, wenn es auf einen Druck von über 7,4 MPa und eine Temperatur von über ca. 31˚C komprimiert wird. Unter diesen Bedingungen weist das CO2 überkritische Eigenschaften auf; es ist eine Flüssigkeit mit Gaseigenschaften. Daher wird CO2 normalerweise bei hohem Druck in Pipelines aus Kohlenstoffstahl transportiert, die normalen Erdgaspipelines nicht unähnlich sind, oder in Schiffen, wenn es eine große Wasserfläche durchqueren muss. CO2-Pipelines gibt es bereits in großem Maßstab, wenn auch hauptsächlich in dünn besiedelten Gebieten, vor allem in den USA für die verstärkte Ölgewinnung (EOR). CO2-Schiffe wurden noch nicht eingesetzt, dürften aber keine technischen Probleme verursachen.

Zu den geeigneten CO2-Speicherorten gehören verlassene Öl- und Gasfelder oder tiefe Salzformationen mit einer voraussichtlichen Mindesttiefe von 800 m, wo die Umgebungstemperatur und der Druck ausreichend hoch sind, um das CO2 in einem flüssigen oder überkritischen Zustand zu halten. Das CO2 wird durch eine Kombination von physikalischen und geophysikalischen Einschlussmechanismen daran gehindert, aus der Lagerstätte zu wandern (IPCC, 2005). Die für die Injektion des CO2 verwendeten Technologien ähneln denen der Öl- und Gasindustrie. Zusätzlich zu den Bohr- und Injektionsgeräten sind Mess- und Überwachungstechnologien unerlässlich, um die verbleibende Kapazität der Speicherstätte und das Verhalten des CO2 zu beobachten. Bestimmte Injektionstechnologien sind zwar bekannt, aber Verbesserungen speziell für die CO2-Speicherung sind noch in der Entwicklung. Nach Abschluss der Injektionsphase muss das Bohrloch mit einem geeigneten „Pfropfen“ (in der Regel Zement) verschlossen werden, der in ausreichender Tiefe angebracht wird, um zu verhindern, dass das CO2 in das Bohrloch aufsteigt und möglicherweise entweicht oder das Grundwasser verunreinigt.

Machbarkeit der CO2-Abscheidungstechnologie und betriebliche Erfordernisse

Technische Machbarkeit der Technologie zur CO2-Abscheidung und -Speicherung

Die Anwendung von Technologien in anderen Bereichen deutet darauf hin, dass CCS bei den meisten großen, stationären CO2-Punktquellen technisch machbar ist. CO2-Abtrennungstechnologien werden bereits in der Erdgasverarbeitung (NGP) eingesetzt, wo die CO2-Entfernung aus dem Erdgas erforderlich ist, um den Heizwert zu verbessern und/oder die Pipelinespezifikationen zu erfüllen. Die CO2-Speicherung in Verbindung mit der NGP wurde erfolgreich auf dem Sleipner-Gasfeld in Norwegen und auf den In-Salah-Gasfeldern in Algerien demonstriert. Weltweit gibt es eine Reihe geplanter CCS-Anlagen. Im Industriesektor sieht das Quest CCS-Projekt in Alberta, Kanada, die Abscheidung von 1,2 Mio. t CO2 pro Jahr aus einer Ölsandveredelungsanlage und den Transport zu einer tiefen Salzformation zur Lagerung vor. Das Projekt soll 2016 in Betrieb genommen werden. Im Energiesektor ist das Kemper County IGCC-Projekt in Mississippi ein neu zu errichtendes 600-MW-Kombikraftwerk mit integrierter Vergasung, das 3,5 MtCO2 pro Jahr abscheiden und das CO2 für die verbesserte Ölgewinnung nutzen soll. Dieses Projekt befindet sich derzeit im Bau und soll Ende 2014 fertiggestellt werden. Das Global CCS Institute nennt 12 CCS-Projekte, die derzeit in Betrieb sind, und 8 Projekte, die sich im Bau befinden (Global CCS Institute, 2013).

Regulatorische Unsicherheit und öffentliche Wahrnehmung der Technologie zur CO2-Abscheidung und -Speicherung

Jede neue Technologie mit potenziellen Risiken ist in ihrer Anfangsphase mit regulatorischer Unsicherheit konfrontiert. Bei CCS werden diese Hindernisse derzeit beseitigt. In den letzten Jahren wurden internationale Rechtsvorschriften wie das Londoner Protokoll (Übereinkommen über die Verhütung der Meeresverschmutzung durch das Einbringen von Abfällen und anderen Stoffen von 1972 und Protokoll von 1996) und das OSPAR-Übereinkommen (Übereinkommen zum Schutz der Meeresumwelt des Nordostatlantiks) geändert, um die Offshore-Speicherung von CO2 zu ermöglichen. Es gibt jedoch noch eine Reihe rechtlicher Fragen in Bezug auf die Haftung für die Speicherung, die Verantwortung für die Überwachung und den grenzüberschreitenden Transport von CO2. Das Fehlen eines Rechtsrahmens kann den Fortschritt von CCS-Projekten angesichts des damit verbundenen Risikos für die Projektentwickler behindern. In der EU, Kanada und Australien wurden rechtliche Rahmenbedingungen für CCS verabschiedet; in den Vereinigten Staaten wird darüber noch diskutiert.

Die Position der Umwelt-NGOs zu CCS ist uneinheitlich; während einige die Technologien unterstützen, lehnen andere sie ab. Sozialwissenschaftler haben einen allgemeinen Mangel an Bewusstsein und Verständnis in der Laienöffentlichkeit festgestellt. In mehreren Gemeinden, in denen Projekte zur CO2-Speicherung geplant waren, zeigten sich die lokalen Akteure besorgt über die Risiken von CCS und protestierten in einigen Fällen. Die öffentliche Wahrnehmung von CCS wird derzeit als erhebliches Hindernis angesehen, wenn CCS-Demonstrationsprojekte nicht von einer unvoreingenommenen Bereitstellung von Informationen und Prozessen zur Einbindung der Bevölkerung begleitet werden.

Umweltauswirkungen und Risiken der Technologie zur Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid

Die Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid (CCS) hat das Potenzial, die CO2-Emissionen aus der Stromerzeugung und aus Industrieanlagen erheblich zu verringern. Das größte Risiko, das mit CCS verbunden ist, sind mögliche Leckagen aus Pipelinesystemen und Lagerstätten, entweder vorübergehend oder dauerhaft. CO2 ist kein giftiges Gas, kann aber zum Ersticken führen, wenn die Konzentration in der Luft hoch genug ist, z. B. wenn das Leck in einem geschlossenen Gebäude auftritt. Die Risiken eines CO2-Austritts aus einer Pipeline unterscheiden sich nicht von denen des Transports von Erdgas, allerdings ist CO2 nicht brennbar. Viele Länder haben rechtliche Rahmenbedingungen und Normen für den Transport und die dauerhafte Lagerung von CO2 festgelegt, die sicherstellen sollen, dass diese Praktiken keine Gefahr für die Sicherheit von Mensch und Umwelt darstellen.

Negative Umweltauswirkungen im Zusammenhang mit CCS sind mit dem zusätzlichen Bedarf an fossilen Brennstoffen verbunden, der durch den Energieaufwand für den Betrieb der Abscheidungsanlage entsteht, sowie mit den toxikologischen Auswirkungen im Zusammenhang mit der Verwendung von Lösungsmitteln zur chemischen Abscheidung des CO2 (Zapp et al., 2012). Der Einsatz von CCS ist ein Kompromiss zwischen dem hohen CO2-Vermeidungspotenzial und den mäßigen Umweltauswirkungen der verringerten Energieeffizienz und den mit der CO2-Abscheidung verbundenen Umweltauswirkungen.

Status der Technologie zur CO2-Abscheidung und -Speicherung & und ihr künftiges Marktpotenzial

Weltweit gibt es derzeit vier Beispiele für CCS-Projekte in vollem Umfang, die alle im industriellen Sektor und nicht in der Stromerzeugung angesiedelt sind. Neben Weyburn, bei dem CO2 aus einer Kohlevergasungsanlage in den Vereinigten Staaten verwendet wird, verpresst die norwegische Ölgesellschaft Statoil seit 1996 jährlich rund eine Million Tonnen CO2, das von Erdgas abgetrennt wurde, in tiefe Salzformationen unter der Nordsee, und seit 2008 wird eine ähnliche Technologie im Snohvit-Projekt, ebenfalls in Norwegen, eingesetzt. Ein Konsortium aus BP, Statoil und Sonatrach hat in In Salah in Algerien CO2 eingeleitet, das ebenfalls aus der Gasproduktion stammt. Eine ähnliche Technologie wie Pre-Combustion Capture wird in der Düngemittel- und Wasserstoffproduktion eingesetzt, wo das abgeschiedene CO2 in anderen industriellen Prozessen verwendet oder abgeleitet wird. Die Oxyfuel-Verbrennungstechnologie für den Einsatz in der Stromerzeugung befindet sich noch im Demonstrationsstadium, wird aber derzeit in Deutschland von Vattenfall, einem europäischen Stromversorger, getestet.

Die weltweite Kapazität zur geologischen Speicherung von CO2 ist groß, wobei die jüngsten Schätzungen des Potenzials in den Einzugsgebieten zwischen 8.000 Gt und 15.000 Gt liegen (IEA, 2008b). Der Kenntnisstand über die Speicherpotenziale variiert jedoch auf globaler, regionaler und lokaler Ebene (IPCC, 2005). Die Schätzungen der Speicherkapazitäten sind in Europa, Nordamerika, Japan und Australien am weitesten fortgeschritten. Ausgelaugte Öl- und Gaslagerstätten haben schätzungsweise eine weltweite Speicherkapazität von 675-900 GtCO2, und diese Speicheroption scheint aufgrund der vorhandenen Kenntnisse über solche Standorte sowie des Potenzials zur Wiederverwendung der bestehenden Infrastruktur aus der Öl- und Gasförderung geeignet (IPCC, 2005). Man geht davon aus, dass tiefe saline Formationen eine Speicherkapazität von mindestens 1000 GtCO2 haben und in vielen Sedimentbecken der Welt verteilt sind. Es wurde betont, dass mehr Informationen über die Speicherkapazitäten in Gebieten mit beschleunigtem Wachstum des Energieverbrauchs erforderlich sind, darunter China, Indien, Südostasien, Osteuropa und das südliche Afrika (IPCC, 2005).

Wie die Technologie zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung zur sozioökonomischen Entwicklung und zum Umweltschutz beitragen könnte

Das Ausmaß, in dem CCS die nachhaltige Entwicklung unterstützt, ist ein weithin diskutiertes Thema. Die Diskussionen über die Zulassung von CCS im Rahmen des Mechanismus für umweltverträgliche Entwicklung des Kyoto-Protokolls sind ein Beispiel für die unterschiedlichen Meinungen der Beteiligten. Einige argumentieren, dass keine Technologie, die die Verbrennung fossiler Brennstoffe beinhaltet, mit nachhaltiger Entwicklung in Verbindung gebracht werden kann, da diese Ressourcen endlich sind. Andere verweisen auf die Auswirkungen der Nutzung fossiler Brennstoffe, die über die reinen CO2-Emissionen hinausgehen, einschließlich der Umweltauswirkungen des Kohlebergbaus (Coninck, 2008).

Klima

Wie bereits erwähnt, könnte CCS zwischen 85-95 % des in einer Anlage erzeugten CO2 abscheiden (IPCC, 2005), aber die Nettoemissionsreduzierung liegt in der Größenordnung von 72 bis 90 % aufgrund der Energiekosten für die Abscheidung des CO2 und der vorgelagerten Emissionen (Viebahn et al., 2007)

Finanzielle Anforderungen und Kosten der Technologie zur Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid

Zurzeit sind die meisten Anwendungen von CCS bei weitem nicht wirtschaftlich durchführbar. Die zusätzliche Ausrüstung für die Abscheidung und Komprimierung von CO2 erfordert erhebliche Energiemengen, was den Brennstoffbedarf eines Kohlekraftwerks um 25-40 % erhöht und die Kosten in die Höhe treibt (IPCC, 2005). CCS-Demonstrationsprojekte im Energiesektor werden voraussichtlich 90-130 $/tCO2 vermeiden, wobei die Kosten für kommerzielle Aktivitäten in vollem Umfang nach 2020 auf 50-75 $/tCO2 sinken könnten (Mckinsey & Company, 2008). Diese Kosten berücksichtigen die Energiekosten der CO2-Abscheidung, nicht aber die vorgelagerten Emissionen, so dass sie von einer Emissionsreduzierung von 80 bis 90 % im Vergleich zu einer konventionellen Anlage ausgehen.

In jüngster Zeit hat man sich auf die Bewertung des Potenzials und der Kosten von CCS im Industriesektor konzentriert (UNIDO/IEA, 2011; ZEP, 2013). Viele industrielle Prozesse, z. B. die Primärstahlerzeugung, die Zementherstellung und die Ölraffination, arbeiten an der Grenze der Energieeffizienz, und die CO2-Abscheidung ist die einzige Technologie, mit der die Emissionen weiter gesenkt werden können. Die Kosten für die Anwendung von CCS in der Industrie sind von Anwendung zu Anwendung sehr unterschiedlich, liegen aber zum Teil deutlich unter denen des Stromsektors (siehe Abbildung 4).

Obwohl CCS-Anwendungen die Kosten der Energieerzeugung und der industriellen Produktion erhöhen werden, hat die IEA (2008a) berechnet, dass ein Ausschluss von CCS aus dem globalen Klimaschutzportfolio die Kosten für die Stabilisierung des Klimas um 70 % erhöhen würde. Auf der Grundlage dieser Informationen kann die Aufnahme von CCS in das Klimaschutzportfolio unter dem Gesichtspunkt der langfristigen wirtschaftlichen Effizienz gerechtfertigt werden.

Marktstatus des Mechanismus für umweltverträgliche Entwicklung

Auf der Klimakonferenz 2010 in Cancun, Mexiko, beschloss die Konferenz der Vertragsparteien des Kyoto-Protokolls (CMP), CCS-Projekte in den Mechanismus für umweltverträgliche Entwicklung (CDM) aufzunehmen.

• Bellona, 2009. Technology.
• Coninck, H.C.De, 2008. Trojanisches Pferd oder Füllhorn? Überlegungen zur Zulassung von CCS im Rahmen des CDM. Energy Policy 36, S. 929-936.
• Europäische Kommission, 2009. Mitteilung der Kommission an das Europäische Parlament und den Rat. Demonstration der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) in aufstrebenden Entwicklungsländern: Finanzierung des EU-China-Projekts „Near Zero Emissions Coal Plant“. Brüssel, Belgien.
• IEA, 2008a. Energy technology perspectives 2008: Scenarios and Strategies to 2050. IEA/OECD, Paris, Frankreich.
• IEA, 2008b. CO2 capture and storage: A Key Abatement Option, IEA/OECD, Paris, Frankreich.
• IEA, 2009. Technology roadmap – carbon capture and storage. Internationale Energieagentur, Paris, Frankreich.
• IEA/UNIDO, 2011. . Internationale Energieagentur, Paris, Frankreich.
• IPCC, 2005. Sonderbericht über die Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid. Metz, B. und Davidson, O. und Coninck, H.C.De und Loos, M. und Meyer, L.A. (eds.). Cambridge University Press, Cambridge, Vereinigtes Königreich und New York, USA, S. 442.
• Mckinsey & Company, 2008. Carbon Capture and Storage: Assessing the economics.
• Parliamentary Office of Science and Technology, 2009. Postnote 335 – Kohlenstoffabscheidung und -speicherung. The Parliamentary Office of Science and Technology, London, Vereinigtes Königreich.
• Vereinigte Nationen, 1987. Bericht der Weltkommission für Umwelt und Entwicklung. General Assembly Resolution 42/187.
• Viebahn, P. und Nitsch, J. und Fischedick, M. und Esken, A. und Schuwer, D. und Supersberger, N. und Zuberbuhler, U. und Edenhofer, O., 2007. Vergleich der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung mit Technologien für erneuerbare Energien hinsichtlich struktureller, wirtschaftlicher und ökologischer Aspekte in Deutschland. International Journal of Greenhouse Gas Control 1 (1), S. 121-133.
• Zapp, P., Schreiber, A., Marx, J., Haines, M., Hake, J., Gale, J., 2012. Overall environmental impacts of CCS technologies-A life cycle approach. International Journal of Greenhouse Gas Control 8 (2012) 12-21
• ZEP, 2013. „CO2 Capture and Storage (CCS) in energy-intensive industries – An indispensable route to an EU low-carbon economy“, European Technology Platform for Zero Emission Fossil Fuel Power Plants, Brüssel.