Direct air capture

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Direct air capture (DAC) ist ein Verfahren zur Gewinnung von Kohlenstoffdioxid (CO2) direkt aus der Umgebungsluft. Grundprinzip ist, dass Umgebungsluft durch einen Abscheideapparat strömt, der einen Teil des CO2 entzieht. Ergebnis des Verfahrens ist – wie bei Carbon Capture and Utilization – reines CO2, das anschließend für verschiedene Zwecke verwendet werden kann. Wegen dieser Eigenschaft wurden solche Anlagen als „Artificial trees“[1] („künstliche Bäume“) bezeichnet.[2][3]

Nutzungsmöglichkeiten des CO2 sind die stoffliche Nutzung als Rohstoff, z. B. für die Chemieindustrie, die Herstellung CO2-neutraler Brennstoffe (EE-Gas und E-Fuels) sowie die geologische Speicherung des Kohlendioxids, wodurch sich negative Emissionen erzielen lassen. Letzteres wird als Direct Air Carbon Capture and Storage (DACCS) bezeichnet und soll dazu dienen, der Atmosphäre aktiv das Klimagas Kohlendioxid zu entziehen und dauerhaft per CO2-Abscheidung und -Speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) zu speichern, um damit der globalen Erwärmung entgegenzuwirken.

Geschichte

Das DAC-Konzept wurde im Jahr 1999 von dem in den USA tätigen deutschen Physiker Klaus Lackner erstmals vorgeschlagen und hat in den 2010er Jahren eine rapide Entwicklung erfahren.[4] Es befindet sich aber noch immer im Entwicklungsstadium.[5][6]

Verfahren

Flussdiagramm des direkten Lufteinfangprozesses unter Verwendung von Natriumhydroxid als Absorptionsmittel einschließlich Lösungsmittelregeneration.
Flussdiagramm des direkten Luftfilterprozesses unter Verwendung von Natriumhydroxid als Absorptionsmittel und mit Regeneration des Lösungsmittels.

Zur Gewinnung von CO2 sind große Gebläse erforderlich, um Umgebungsluft durch einen Abscheideapparat zu leiten. Im Apparat befindet sich bei der Aminwäsche ein flüssiges Lösungsmittel aus organischen Aminen, bei anderen Verfahren wird als CO2-Absorber[7] beispielsweise Natriumhydroxid verwendet, das mit CO2 zu Natriumcarbonat reagiert. Dieses wird erhitzt, um hochreines gasförmiges CO2 freizusetzen.[8][9] Natriumhydroxid wird dabei aus Natriumcarbonat recycelt. Alternativ bindet das CO2 an festes Sorptionsmittel beim Chemisorption-Verfahren. Im nächsten Schritt wird durch Hitze und Vakuum das CO2 vom Feststoff desorbiert.[10] Unter den spezifischen chemischen Prozessen, die untersucht werden, sind drei hervorzuheben: die Absorption mit Alkali- und Erdalkalihydroxiden, Karbonisierung,[11] und organisch-anorganische Hybridsorbentien, die aus Aminen wie Monoethanolamin (MEA) Diethanolamin (DEA) oder Methyldiethanolamin (DMEA) bestehen, die auf porösem Träger vorliegenden Adsorbentien.[5] Die Aminwäsche wird ebenso zum Herausfiltern von reinem CO2 aus Punktquellen (Abgasen) benutzt, in denen das CO2 in höheren Konzentrationen vorliegt.

Niedrigkonzentriertes CO2 kann auch mit einem Anionenaustauschpolymerharz, genannt Marathon MSA, abgetrennt werden. Dieser Stoff nimmt in trockenem Zustand Luft-CO2 auf und gibt es in feuchtem Zustand wieder ab. Die Technologie erfordert weitere Forschung, um ihre Wirtschaftlichkeit zu bestimmen.[12][13][14]

Andere Substanzen, die verwendet werden können, sind Metallorganische Gerüste (MOFs).[15]

Membranabscheidungen von CO2 beruhen auf semipermeablen Membranen, um CO2 von Luft zu trennen. Diese Methode unterscheidet sich von den beiden anderen dadurch, dass sie wenig Wasser benötigt und eine geringere Grundfläche aufweist.[7]

Wirtschaftlichkeit

Eine der größten Hürden bei der Implementierung von DAC sind die Kosten für die Abtrennung von CO2 aus der Luft. Einer Studie aus dem Jahr 2011 zufolge würde eine Anlage zur Abscheidung von einer Megatonne CO2 pro Jahr 2,2 Milliarden US-Dollar kosten.[8] Andere Studien aus dem gleichen Zeitraum beziffern die Kosten für DAC weniger als halb so hoch, nämlich auf 200–1000 USD pro Tonne CO2[16] sowie 600 Dollar pro Tonne.

In einer von 2015 bis 2018 durchgeführten Wirtschaftsstudie einer Pilotanlage in British Columbia, Kanada, wurden die Kosten auf 94 bis 232 USD pro Tonne entferntem atmosphärischen CO2 geschätzt.[10][17] Diese Studie wurde vom Unternehmen Carbon Engineering durchgeführt, welches finanziell an der Kommerzialisierung der DAC-Technologie interessiert ist.[9]

Ab 2011 lagen die CO2-Abscheidungskosten für Verfahren auf Hydroxidbasis im Allgemeinen bei 150 USD pro Tonne CO2. Die derzeitige Trennung auf Basis flüssiger Amine beträgt 10 bis 35 USD pro Tonne CO2. Die Kosten für die adsorptionsbasierte CO2-Abscheidung liegen zwischen 30 und 200 USD pro Tonne CO2. Es ist schwierig, die spezifischen Kosten für DAC zu ermitteln, da jede der Methoden große Unterschiede in Bezug auf die Regeneration des verwendeten Sorptionsmittels und dessen Kosten aufweist.[8]

Entwicklung

Carbon Engineering

Carbon Engineering ist ein kommerzielles DAC-Unternehmen, das 2009 gegründet wurde, unter anderem von Bill Gates und Murray Edwards.[18][19] Seit 2015 betreibt es eine Pilotanlage in Britisch-Kolumbia, Kanada,[10] die etwa eine Tonne CO2 pro Tag extrahieren kann.[6] Eine von 2015 bis 2018 durchgeführte wirtschaftliche Studie zu ihrer Pilotanlage bezifferte die Kosten auf 94 bis 232 USD pro Tonne entferntem atmosphärischem CO2.[17]

In Zusammenarbeit mit dem kalifornischen Energieunternehmen Greyrock wandeln sie einen Teil seines konzentrierten CO2 um in synthetischen Kraftstoff, einschließlich Benzin, Diesel und Jet-A-Düsentreibstoff.[10][19]

Das Unternehmen nutzt eine Kaliumhydroxid-Lösung zur Absorption des CO2, das analog zum oben erwähnten Natriumhydroxid Kaliumcarbonat bildet.[18]

Climeworks

Die erste großtechnische DAC-Anlage von Climeworks ging im Mai 2017 in Betrieb. In Hinwil, Kanton Zürich können 900 Tonnen CO2 pro Jahr gebunden werden. Um den Energiebedarf zu senken, nutzt die Anlage die Wärme einer örtlichen Müllverbrennungsanlage. Das CO2 wird verwendet, um die Gemüseerträge in einem nahe gelegenen Gewächshaus zu steigern.[20]

Das Unternehmen gab an, dass die Abscheidung einer Tonne CO2 aus der Luft rund 600 US-Dollar kostet.[21][7]

Climeworks ist in einer Partnerschaft mit Reykjavik Energy. Im Jahr 2007 wurde das CarbFix-Projekt gestartet. Im Jahr 2017 wurde das CarbFix2-Projekt gestartet[22] und erhielt Mittel aus dem Forschungsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union. Das CarbFix2-Pilotprojekt läuft neben einem geothermischen Kraftwerk in Hellisheidi, Island. Bei diesem Ansatz wird CO2 in 700 Metern unter der Erde verpresst und dort mineralisiert es basaltisches Grundgestein zu Karbonatmineralien. In der DAC-Anlage wird minderwertige Abwärme aus dem Geothermiekraftwerk genutzt, wodurch mehr CO2 eingespart wird, als beide produzieren.[6][23]

Global Thermostat

Global Thermostat ist eine private Firma, die im Jahr 2010 in Manhattan, New York gegründet wurde mit einem Werk in Huntsville (Alabama).[18] Global Thermostat verwendet Amine-Sorbentien auf Kohlenstoffbasis, die an Kohlenstoffschwämme gebunden sind, um CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen. Das Unternehmen verfügt über Projekte, die von der Gewinnung in großem Maßstab mit 50.000 Tonnen pro Jahr bis zu kleinen Projekten mit 40 Tonnen pro Jahr reichen.[24]

Das Unternehmen behauptet in seiner Anlage in Huntsville, CO2 für 120 USD pro Tonne zu entfernen.[18]

Global Thermostat hat Verträge mit einem Getränkehersteller (mit dem DAC CO2 für seine kohlensäurehaltigen Getränke gewinnen soll) und einem Ölkonzern abgeschlossen, das mit der Technologie von Global Thermostat Pionierarbeit in Sachen DAC-to-Fuel leisten will. Dabei geht es um die Herstellung von Kraftstoffen mit dem aus DAC gewonnenem Kohlenstoff.[18]

Andere Unternehmen

  • Infinitree – früher bekannt als Kilimanjaro Energy and Global Research Technologym Teil der US-amerikanischen Carbon Sink. Demonstration eines Vor-Prototyps einer wirtschaftlich rentablen DAC-Technologie im Jahr 2007.[9][25]
  • SkyTree – ein Unternehmen in den Niederlanden,[23]
  • UK Carbon Capture and Storage Research Centre,[19]
  • Antecy – ein niederländisches Unternehmen, das 2010 gegründet wurde,[26]

DACCS

DAC gilt zugleich als vielversprechende Klimaschutz-Technologie.[16][10][14] Wenn DAC mit einem CCS-System kombiniert wird, kann diese Technologie negative Emissionen produzieren und somit helfen, die Ziele des Pariser Klimaabkommen zu erreichen. Gleichzeitig weisen Wissenschaftler darauf hin, dass DACCS kein Ersatz für schnelle Klimaschutzmaßnahmen in der Gegenwart sein könne, da nicht sichergestellt ist, dass DACCS langfristig in ausreichendem Maße zum Einsatz kommen kann. Die Entwicklung und Umsetzung von DACCS-Anlagen solle nicht dazu führen, dass die Klimaschutzbemühungen in der Gegenwart in der Hoffnung auf zukünftige Erfolge der DACCS-Technologie abgeschwächt werden. Die Entwicklung von DACCS solle gefördert werden, aber das dürfe nicht dazu führen, dass DACCS anstelle anderer Klimaschutzoptionen eingesetzt werde, sondern zusammen mit diesen.[27]

Voraussetzung für die Schaffung negativer Emissionen ist jedoch, dass eine kohlenstofffreie Energiequelle für den Betrieb der DACCS-Anlagen vorhanden ist. Die Verwendung von mit fossilen Brennstoffen erzeugter elektrischer Energie würde dagegen letztendlich mehr CO2 an die Atmosphäre abgeben, als gleichzeitig eingefangen würde.[28] Ein Nachteil von DACCS ist dabei der hohe Energieverbrauch der Technologie.[29] DAC erfordert aufgrund der niedrigen Konzentration von CO2 in der Luft einen viel größeren Energieeinsatz im Vergleich zur herkömmlichen Gewinnung aus Punktquellen wie Rauchgas.[8][28] Die theoretische Mindestenergie, die zur CO2-Gewinnung aus der Umgebungsluft benötigt wird, beträgt ca. 250 kWh pro Tonne CO2, während die Abscheidung aus Erdgas- und Kohlekraftwerken ca. 100 bzw. 65 kWh pro Tonne CO2 erfordert.[16] Aufgrund dieses impliziten Energiebedarfs haben einige Geo-Engineering-Befürworter vorgeschlagen, „kleine Kernkraftwerke“ für die Energieversorgung von DAC-Anlagen zu verwenden, was möglicherweise eine ganze Reihe neuer Umweltauswirkungen mit sich brächte.[29]

DAC, das sich auf die Absorption auf Aminbasis stützt, hat zudem einen erheblichen Wasserbedarf. Es wurde geschätzt, dass für die Abscheidung von 3,3 Gigatonnen CO2 pro Jahr 300 km³ Wasser erforderlich sind oder 4 % des Wassers für Bewässerung. Andererseits benötigt die Verwendung von Natriumhydroxid viel weniger Wasser, aber die Substanz ist selbst hoch ätzend und gefährlich.[6] Insgesamt liegt der Wasserbedarf von DACCS dennoch etwa um Faktor 10 oder mehr unter dem Wasserverbrauch von BECCS. Zudem ist der Flächenverbrauch von DACCS, gerade im Vergleich zur flächenintensiven Nutzung von BECCS, minimal und liegt bei 0,001 ha/Tonne CO2eq und Jahr.[30] Wie BECCS erfordert DACCS zudem das Vorhandensein von sicheren geologischen CO2-Speichern, auch in Hinblick auf das Risiko von Leckagen und induzierten Erdbeben.[29]

Die Entfernung von atmosphärischem Kohlendioxid durch DACCS-Anlagen ist aufgrund des hohen materiellen Aufwandes wahrscheinlich deutlich teurer als traditionelle Klimaschutzoptionen zur Dekarbonisierung der Wirtschaft. Selbst mit erheblichen Kostensenkungen würden DACCS-Anlagen demnach aller Wahrscheinlichkeit erst dann errichtet werden, wenn praktisch alle nennenswerten Punktquellen fossiler Kohlendioxidemissionen die Freisetzung von CO2 eingestellt haben.[8]

Eine potentielle Verwendung von DAC für eine verbesserte Ölausbeute würde zudem die Klimaschutzvorteile aufheben.[9][6]

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ↑ David Biello:400 PPM: Can Artificial Trees Help Pull CO2 from the Air?, 16. Mai 2013; Abrufdatum 2. Oktober 2019
  2. ↑ Bernd Schlupeck: Künstliche Bäume gehen in Serie
  3. ↑ Können Wälder mit künstlichen Bäumen das Klima retten?
  4. ↑ Jie Bao et al.: Greenhouses for CO2 sequestration from atmosphere. In: Carbon Resources Conversion. Band 1, 2018, S. 183–190, doi:10.1016/j.crcon.2018.08.002.
  5. ↑ a b E. S. Sanz-Pérez, C. R. Murdock, S. A. Didas, C. W. Jones: Direct Capture of CO2 from Ambient Air. In: Chem. Rev.. 116, Nr. 19, 25. August 2016, S. 11840–11876. doi:10.1021/acs.chemrev.6b00173. PMID 27560307.
  6. ↑ a b c d e Direct Air Capture (Technology Factsheet) (Amerikanisches Englisch) In: Geoengineering Monitor. 24. Mai 2018. Abgerufen am 27. August 2019.
  7. ↑ a b c Berend Smit, Jeffrey A. Reimer, Curtis M. Oldenburg, Ian C. Bourg: Introduction to carbon capture and sequestration. London 2014, ISBN 978-1-78326-329-5.
  8. ↑ a b c d e Direct Air Capture of CO2 with Chemicals: A Technology Assessment for the APS Panel on Public Affairs. In: APS physics. 1. Juni 2011. Abgerufen am 26. August 2019.
  9. ↑ a b c d Anja Chalmin: Direct Air Capture: Recent developments and future plans (Amerikanisches Englisch) In: Geoengineering Monitor. 16. Juli 2019. Abgerufen am 27. August 2019.
  10. ↑ a b c d e Robert F. Service: Cost plunges for capturing carbon dioxide from the air. In: sciencemag.org. Science – AAAS, 7. Juni 2018, abgerufen am 26. August 2019 (englisch).
  11. ↑ V. Nikulshina, N. Ayesa, M. E. Gálvez, A. Stainfeld: Feasibility of Na–Based Thermochemical Cycles for the Capture of CO2 from air. Thermodynamic and Thermogravimetric Analyses.. In: Chem. Eng. J.. 140, Nr. 1–3, 2016, S. 62–70. doi:10.1016/j.cej.2007.09.007.
  12. ↑ Carbon Capture. In: Lenfest Center for Sustainable Energy. Archiviert vom Original am 20. Dezember 2012. Abgerufen am 6. September 2019.
  13. ↑ David Biello: 400 PPM: Can Artificial Trees Help Pull CO2 from the Air? (Englisch) In: Scientific American. 16. Mai 2013. Abgerufen am 4. September 2019.
  14. ↑ a b Richard Schiffman: Why CO2 ‘Air Capture’ Could Be Key to Slowing Global Warming (Amerikanisches Englisch) In: Yale E360. 23. Mai 2016. Abgerufen am 6. September 2019.
  15. ↑ Lynn Yarris: A Better Way of Scrubbing CO2 (Amerikanisches Englisch) In: News Center. 17. März 2015. Abgerufen am 7. September 2019.
  16. ↑ a b c Novel carbon capture and utilisation technologies: research and climate aspects. (PDF) In: Science Advice for Policy by European Academies (SAPEA). 23. Mai 2018, ISSN 2568-4434, S. 50. doi:10.26356/carboncapture.
  17. ↑ a b Kenton Heidel, David St Angelo, Geoffrey Holmes, David W. Keith: A Process for Capturing CO2 from the Atmosphere. In: Joule. Band 2, Nr. 8, 2018, ISSN 2542-4785, S. 1573–1594, doi:10.1016/j.joule.2018.05.006.
  18. ↑ a b c d e Peter H. Diamandis: The Promise of Direct Air Capture: Making Stuff Out of Thin Air (Amerikanisches Englisch) In: Singularity Hub. 23. August 2019. Abgerufen am 29. August 2019.
  19. ↑ a b c John Vidal: How Bill Gates aims to clean up the planet. In: The Observer. 4. Februar 2018, ISSN 0029-7712 (theguardian.com).
  20. ↑ Alister Doyle: From thin air to stone: greenhouse gas test starts in Iceland (en). In: Reuters, 11. Oktober 2017. Abgerufen am 4. September 2019. 
  21. ↑ Jeff Tollefson: Sucking carbon dioxide from air is cheaper than scientists thought. In: Nature. 7. Juni 2018. Abgerufen am 26. August 2019.
  22. ↑ Public Update on CarbFix (Britisches Englisch) In: Climeworks . 3. November 2017. Abgerufen am 2. September 2019.
  23. ↑ a b Darrell Proctor: Test of Carbon Capture Technology Underway at Iceland Geothermal Plant (en-US). In: Power Magazine, 1. Dezember 2017. Abgerufen am 4. September 2019. 
  24. ↑ Global Thermostat (Amerikanisches Englisch) In: Global Thermostat. Abgerufen am 7. Dezember 2018.
  25. ↑ First Successful Demonstration of Carbon Dioxide Air Capture Technology Achieved by Columbia University Scientist and Private Company. In: Columbia University. 24. April 2007. Archiviert vom Original am 22. Juni 2010. Abgerufen am 30. August 2019.
  26. ↑ Home (Englisch) In: ANTECY. Abgerufen am 27. August 2019.
  27. ↑ Giulia Realmonte et al.: An inter-model assessment of the role of direct air capture in deep mitigation pathways. In: Nature Communications. Band 10, Nr. 3277, 2019, doi:10.1038/s41467-019-10842-5.
  28. ↑ a b Manya Ranjan, Howard J. Herzog: Feasibility of air capture. In: Energy Procedia. Band 4, 2011, ISSN 1876-6102, S. 2869–2876, doi:10.1016/j.egypro.2011.02.193.
  29. ↑ a b c IPCC 2018: Mitigation Pathways Compatible with 1.5°C in the Context of Sustainable Development, S. 125. Sonderbericht 1,5 °C globale Erwärmung. Abgerufen am 5. Oktober 2019.
  30. ↑ Pete Smith et al.: Biophysical and economic limits to negative CO2 emissions. In: Nature Climate Change. Band 6, 2016, S. 42–50, doi:10.1038/nclimate2870.
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