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Direct Air Capture

Verfahren zur Gewinnung von CO2 aus der Umgebungsluft
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Direct Air Capture (DAC) ist die Bezeichnung für chemisch-technische Verfahren zur Gewinnung von Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Umgebungsluft.[1][2][3][4] Grundprinzip ist, dass Umgebungsluft durch einen Abscheideapparat strömt, der einen Teil des CO2 entzieht. Wie bei Carbon Capture and Utilization ist das Ergebnis des Verfahrens reines CO2. Dieses kann anschließend für verschiedene Zwecke verwendet werden. Wegen dieser Eigenschaft werden solche Anlagen als „Artificial trees“[5] („künstliche Bäume“) bezeichnet.[6][7] Im Gegensatz zu echten Bäumen findet aber keine Carbonfixierung bzw. kein Calvin-Zyklus statt.

Video: Wie bekommt man CO2 aus der Atmosphäre? Am Beispiel von Direct Air Capture (DAC) und Bioenergie mit CO2-Abscheidung und -Speicherung (BECCS)

Anders als bei Carbon-Capture-Technologien, die CO2 aus Abgasen, reformierten Gasen oder stationären Quellen entnehmen, wird bei direkter Abscheidung (Direct Air Capture, DAC) das CO2 direkt aus der Atmosphäre (und nicht an einer Quelle) abgeschieden, um es zu speichern oder zu nutzen. Mobile Carbon-Capture-Technologien fangen CO2 aus mobilen Quellen ab und speichern das Gas an Bord, um es abzuscheiden oder zu nutzen.

Nutzungsmöglichkeiten des CO2 sind folgende:

  • die stoffliche Nutzung als Rohstoff, z. B. für die Chemieindustrie
  • die Herstellung CO2-neutraler Brennstoffe (EE-Gas und E-Fuels).

Möglich ist auch die Speicherung des Kohlenstoffdioxids im Untergrund, wodurch sich negative Emissionen erzielen lassen. Dies wird als Direct Air Carbon Capture and Storage (DACCS) bezeichnet; es soll dazu dienen, der Atmosphäre das Klimagas Kohlenstoffdioxid zu entziehen und dauerhaft per CO2-Abscheidung und -Speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) zu speichern, um damit der globalen Erwärmung entgegenzuwirken.

Geschichte

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Das DAC-Konzept wurde im Jahr 1999 von dem in den USA tätigen deutschen Physiker Klaus Lackner erstmals vorgeschlagen.[8] Das Prinzip der technischen CO2-Entnahme aus der Luft erfuhr in den 2010er-Jahren eine rasche Entwicklung.[9] Es befindet sich aber noch immer im Entwicklungsstadium.[10][11]

Die DAC-Technologie steht im Interesse von vielen verschiedenen Industrien, die Power-to-X-Anwendungen forcieren, wo CO2 als Kohlenstoffquelle benötigt wird. Beispielsweise wird sie in der Chemieindustrie für grüne Grundchemikalien wie E-Methanol benötigt, andererseits ist sie auch von Interesse für die Herstellung von E-Fuels, die sich in Verkehrsbereichen wie Schiffs-, Flug- oder auch Automobilverkehr einsetzen lassen.[12] Das DAC ist unabdingbar, um eine CO2-Neutralität der Produkte zu gewährleisten. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, auch Wirtschaftssektoren zu defossilieren, die nicht oder nur bedingt auf eine Elektrifizierung ausweichen können.

Verfahren

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

Zur Gewinnung von CO2 sind große Gebläse erforderlich, die Umgebungsluft durch einen Abscheideapparat leiten. Im Apparat befindet sich bei der Aminwäsche ein flüssiges Lösungsmittel aus organischen Aminen. Bei anderen Verfahren wird als CO2-Absorber[13] beispielsweise Natriumhydroxid verwendet, das mit CO2 zu Natriumcarbonat reagiert. Dieses wird erhitzt, um hochreines CO2 freizusetzen.[14][15] Natriumhydroxid wird dabei aus Natriumcarbonat rezykliert. Beim Chemisorption-Verfahren bindet sich das CO2 an ein festes Sorptionsmittel. Im nächsten Schritt wird durch Hitze und Vakuum das CO2 vom Feststoff desorbiert.[16] Unter den spezifischen chemischen Prozessen, die untersucht werden, sind drei hervorzuheben:

Die Aminwäsche wird auch zum Herausfiltern von reinem CO2 aus Punktquellen (Abgasen) mit höheren Konzentrationen an CO2 eingesetzt.

Niedrigkonzentriertes CO2 kann auch mit einem Anionenaustauschpolymerharz, genannt Marathon MSA, abgetrennt werden. Dieser Stoff nimmt in trockenem Zustand CO2 aus der Luft auf und gibt es in feuchtem Zustand wieder ab. Die Technologie erfordert weitere Forschung, um ihre Wirtschaftlichkeit zu bestimmen.[18][19][20]

Andere Stoffe, die verwendet werden können, sind metallorganische Gerüste (MOFs).[21]

Membranabscheidungen von CO2 beruhen auf semipermeablen Membranen, um CO2 aus der Luft abzutrennen. Diese Methode unterscheidet sich von den beiden anderen dadurch, dass sie wenig Wasser benötigt und eine geringere Grundfläche aufweist.[13]

Wirtschaftlichkeit

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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 einer Megatonne CO2 pro Jahr 2,2 Milliarden US-Dollar (USD) kosten.[14] Andere Studien aus dem gleichen Zeitraum bezifferten die Kosten für DAC dagegen auf 200–1000 USD pro Tonne CO2.[22]

In einer von 2015 bis 2018 durchgeführten Wirtschaftlichkeitsstudie einer Pilotanlage in British Columbia, Kanada, wurden die Kosten auf 94 bis 232 USD pro Tonne entferntes CO2 geschätzt.[16][23] Diese Studie wurde vom Unternehmen Carbon Engineering durchgeführt, welches finanziell an der Kommerzialisierung der DAC-Technologie interessiert ist.[15]

Ab 2011 lagen die CO2-Abscheidungskosten für Verfahren auf Hydroxidbasis bei 150 USD pro Tonne CO2. Die derzeitige Trennung auf Basis flüssiger Amine kostet 10 bis 35 USD pro Tonne CO2. Die Kosten für die absorptionsbasierte 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.[14]

Der Bericht „The State of Carbon Dioxide Removal“, den die Universität Oxford seit 2023 herausgibt, schätzt die Kosten für die technische CO2-Entnahme auf 100 bis 300 USD pro Tonne.[24]

Entwicklung

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Carbon Engineering

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Carbon Engineering ist ein kommerzielles DAC-Unternehmen, das 2009 gegründet wurde, unter anderem von Bill Gates und Murray Edwards.[25][26] Seit 2015 betreibt es eine Pilotanlage in British Columbia, Kanada,[16] die etwa eine Tonne CO2 pro Tag extrahieren kann.[11]

In Zusammenarbeit mit dem kalifornischen Energieunternehmen Greyrock wandeln die Anlage einen Teil seines konzentrierten CO2 in synthetischen Kraftstoff um, einschließlich Benzin, Diesel und Jet-A-Düsentreibstoff.[16][26]

Das Unternehmen nutzt eine Kaliumhydroxid-Lösung zur Absorption des CO2, wobei analog zum oben erwähnten auf Natriumhydroxid basierenden Verfahren Kaliumcarbonat gebildet wird.[25]

Climeworks

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Die erste großtechnische DAC-Anlage von Climeworks ging im Mai 2017 in Betrieb. In Hinwil, Kanton Zürich, konnten 900 Tonnen CO2 pro Jahr gebunden werden. Um den Energiebedarf zu senken, nutzte die Anlage die Wärme einer örtlichen Müllverbrennungsanlage. Das CO2 wurde verwendet, um die Gemüseerträge in einem nahe gelegenen Gewächshaus zu steigern.[27] 2022 stellte Climeworks den Betrieb des „Technologiewunders“ ein.[28]

Das Unternehmen gab an, dass die Abscheidung einer Tonne CO2 aus der Luft rund 600 US-Dollar kostete.[29][13]

Climeworks ist eine Partnerschaft mit Reykjavik Energy eingegangen. Im Jahr 2007 wurde das CarbFix-Projekt gestartet. Im Jahr 2017 wurde das CarbFix2-Projekt gestartet[30] 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 einer Tiefe von 700 Metern unter der Erde verpresst. Dort mineralisiert es basaltisches Grundgestein zu Karbonatmineralien. In der DAC-Anlage wird Abwärme aus dem Geothermiekraftwerk genutzt, wodurch mehr CO2 eingespart wird, als produzieren.[11][31]

Global Thermostat

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Global Thermostat ist eine private Firma, die im Jahr 2010 in Manhattan (New York) gegründet wurde. Das zugehörige Werk liegt in Huntsville (Alabama).[25] Global Thermostat verwendet Amin-Sorbentien auf Kohlenstoffbasis, die an Kohlenstoffschwämme gebunden sind, um CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen. In seinen Projekten gewinnt das Unternehmen bis zu 50.000 Tonnen pro Jahr.[32]

Das Unternehmen gibt an, in seiner Anlage in Huntsville CO2 für 120 USD pro Tonne entfernen zu können.[25]

Global Thermostat hat Verträge mit einem Getränkehersteller (der mit DAC CO2 für seine kohlensäurehaltigen Getränke gewinnen will) und einem Ölkonzern abgeschlossen, der 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 gewonnenen Kohlenstoff.[25]

Andere Unternehmen

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  • Infinitree – früher bekannt als Kilimanjaro Energy and Global Research Technology und Teil der US-amerikanischen Carbon Sink (Demonstration eines Vor-Prototyps mit wirtschaftlich rentabler DAC-Technologie im Jahr 2007).[15][33]
  • SkyTree – ein Unternehmen in den Niederlanden,[31]
  • UK Carbon Capture and Storage Research Centre,[26]
  • Antecy – ein niederländisches Unternehmen, das 2010 gegründet wurde.[34]

DACCS

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DAC gilt als vielversprechende Klimaschutz-Technologie.[22][16][20] 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 sein kann, da nicht sichergestellt ist, dass DACCS langfristig in ausreichendem Maß zum Einsatz kommen kann. Entwicklung und Umsetzung von DACCS-Anlagen sollen nicht dazu führen, dass gegenwärtige Klimaschutzbemühungen 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 wird, sondern zusammen mit diesen.[35]

Voraussetzung für das Erzeugen 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 letztlich mehr CO2 an die Atmosphäre abgeben, als gleichzeitig eingefangen würde.[36] Ein Nachteil von DACCS ist der hohe Energieverbrauch der Technologie.[37] DAC erfordert aufgrund der niedrigen Konzentration von CO2 in der Luft einen viel größeren Energieeinsatz im Vergleich zur herkömmlichen Gewinnung aus Punktquellen wie Rauchgas.[14][36] Die theoretische Mindestenergie, die zur CO2-Gewinnung aus der Umgebungsluft benötigt wird, beträgt ca. 250 kWh pro Tonne CO2. Die Abscheidung aus Erdgas- und Kohlekraftwerken erfordert ca. 100 bzw. 65 kWh pro Tonne CO2.[22] 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.[37]

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 Wasserbedarfs für Bewässerung. Andererseits benötigt die Verwendung von Natriumhydroxid viel weniger Wasser, aber die Substanz ist hoch ätzend und gefährlich.[11] Insgesamt liegt der Wasserbedarf von DACCS dennoch etwa um den 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.[38] Wie BECCS erfordert DACCS zudem das Vorhandensein von sicheren geologischen CO2-Speichern, auch in Hinblick auf das Risiko von Leckagen und induzierten Erdbeben.[37]

Die Entfernung von atmosphärischem Kohlenstoffdioxid durch DACCS-Anlagen ist aufgrund des hohen materiellen Aufwands wahrscheinlich deutlich teurer als traditionelle Klimaschutzoptionen zur Dekarbonisierung der Wirtschaft. Selbst mit erheblichen Kostensenkungen würden DACCS-Anlagen wahrscheinlich erst dann errichtet werden, wenn praktisch alle nennenswerten Punktquellen fossiler Kohlendioxidemissionen die Freisetzung von CO2 eingestellt haben.[14]

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Einzelnachweise

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  1. ↑ Peter Viebahn, Alexander Scholz, Ole Zelt: The Potential Role of Direct Air Capture in the German Energy Research Program—Results of a Multi-Dimensional Analysis. In: Energies. Band 12, Nr. 18, Januar 2019, S. 3443, doi:10.3390/en12183443.
  2. ↑ geoengineeringmonitor.org – Geoengineering Technologie‑Briefing. In: boell.de. Heinrich Böll Stiftung, Januar 2021, abgerufen am 8. Dezember 2023.
  3. ↑ Simon Block, Peter Viebahn: Direct Air Capture (DAC) in Germany: resource implications of a possible rollout in 2045:. In: Annales des Mines – Responsabilité et environnement. N° 105, Nr. 1, 12. Januar 2022, S. 78–82, doi:10.3917/re1.105.0078.
  4. ↑ Wohin mit dem ganzen CO2? Neue Technologien sollen helfen, Kohlendioxid zu binden. 9. Februar 2022, abgerufen am 8. Dezember 2023.
  5. ↑ David Biello: 400 PPM: Can Artificial Trees Help Pull CO2 from the Air?, 16. Mai 2013; Abrufdatum 2. Oktober 2019
  6. ↑ Bernd Schlupeck: Künstliche Bäume gehen in Serie
  7. ↑ Können Wälder mit künstlichen Bäumen das Klima retten?
  8. ↑ Lackner, Klaus; Ziock, Hans-Joachim; Grimes, Patrick: Carbon dioxide extraction from air: Is it an option? 1999 (osti.gov).
  9. ↑ 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.
  10. ↑ 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. Jahrgang, Nr. 19, 25. August 2016, S. 11840–11876, doi:10.1021/acs.chemrev.6b00173, PMID 27560307.
  11. ↑ a b c d Direct Air Capture (Technology Factsheet). In: Geoengineering Monitor. 24. Mai 2018, archiviert vom Original am 26. August 2019; abgerufen am 27. August 2019 (amerikanisches Englisch).
  12. ↑ CO₂-Entnahme aus der Umgebungsluft mittels Direct-Air-Capture-Verfahren. Porsche Newsroom, 4. September 2023, abgerufen am 24. März 2024.
  13. ↑ 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.
  14. ↑ 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.
  15. ↑ a b c Anja Chalmin: Direct Air Capture: Recent developments and future plans. In: Geoengineering Monitor. 16. Juli 2019, abgerufen am 27. August 2019 (amerikanisches Englisch).
  16. ↑ 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).
  17. ↑ 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. Jahrgang, Nr. 1–3, 2016, S. 62–70, doi:10.1016/j.cej.2007.09.007.
  18. ↑ Carbon Capture. In: Lenfest Center for Sustainable Energy. Archiviert vom Original am 20. Dezember 2012; abgerufen am 6. September 2019.
  19. ↑ David Biello: 400 PPM: Can Artificial Trees Help Pull CO2 from the Air? In: Scientific American. 16. Mai 2013, abgerufen am 4. September 2019 (englisch).
  20. ↑ a b Richard Schiffman: Why CO2 ‘Air Capture’ Could Be Key to Slowing Global Warming. In: Yale E360. 23. Mai 2016, abgerufen am 6. September 2019 (amerikanisches Englisch).
  21. ↑ Lynn Yarris: A Better Way of Scrubbing CO2. In: News Center. 17. März 2015, abgerufen am 7. September 2019 (amerikanisches Englisch).
  22. ↑ a b c Novel carbon capture and utilisation technologies: research and climate aspects. In: Science Advice for Policy by European Academies (SAPEA). 23. Mai 2018, S. 50, doi:10.26356/carboncapture (sapea.info [PDF]).
  23. ↑ 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, S. 1573–1594, doi:10.1016/j.joule.2018.05.006.
  24. ↑ Sven Titz: Herkulesaufgabe für den Klimaschutz: Der Luft mehr CO2 zu entziehen, wäre nützlich – was aber fehlt, ist ein Patentrezept. nzz.ch, 19. Januar 2023, abgerufen am 6. Juli 2024.
  25. ↑ a b c d e Peter H. Diamandis: The Promise of Direct Air Capture: Making Stuff Out of Thin Air. In: Singularity Hub. 23. August 2019, abgerufen am 29. August 2019 (amerikanisches Englisch).
  26. ↑ 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).
  27. ↑ Alister Doyle: From thin air to stone: greenhouse gas test starts in Iceland In: Reuters, 11. Oktober 2017. Abgerufen am 4. September 2019 (englisch). 
  28. ↑ Fabienne Kinzelmann: Zürcher Startup zieht dem CO2-Staubsauger den Stecker. handelszeitung.ch, 26. Oktober 2022, abgerufen am 6. Juli 2024.
  29. ↑ Jeff Tollefson: Sucking carbon dioxide from air is cheaper than scientists thought. In: Nature. 7. Juni 2018, abgerufen am 26. August 2019.
  30. ↑ Public Update on CarbFix. In: Climeworks. 3. November 2017, abgerufen am 2. September 2019 (britisches Englisch).
  31. ↑ a b Darrell Proctor: Test of Carbon Capture Technology Underway at Iceland Geothermal Plant In: Power Magazine, 1. Dezember 2017. Abgerufen am 4. September 2019 (amerikanisches Englisch). 
  32. ↑ Global Thermostat. In: Global Thermostat. Abgerufen am 7. Dezember 2018 (amerikanisches Englisch).
  33. ↑ 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.
  34. ↑ Home. In: ANTECY. Archiviert vom Original am 15. Juni 2020; abgerufen am 27. August 2019 (englisch).  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.antecy.com
  35. ↑ 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.
  36. ↑ a b Manya Ranjan, Howard J. Herzog: Feasibility of air capture. In: Energy Procedia. Band 4, 2011, S. 2869–2876, doi:10.1016/j.egypro.2011.02.193.
  37. ↑ 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.
  38. ↑ 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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