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Negative Emissionen: Wie man Kohlendioxid wieder einfängt

Riesige Staubsauger, Gesteinsmehl oder Bäume - Kohlendioxid kann man auf verschiedenen Wegen einfangen. Doch das Potenzial der Techniken ist unklar. Ein Überblick über die verschiedenen Negative-Emissionen-Technologien.
Die jüngst eröffnete Direct-air-capture-Anlage Orca besteht aus zwei Ventilatorsätzen, die Luft durrch einen Kohlendioxidfilter leiten.

Die Bezeichnung mag ein bisschen kurios klingen, aber ohne sie geht es nicht: Negative Emissionen sind zwingend nötig, um das 1,5-Grad-Ziel zu schaffen. Längst nämlich ist zu viel Treibhausgas in die Atmosphäre gelangt, als dass eine reine Senkung des Ausstoßes für die in Paris vereinbarte Grenze ausreichen würde – so steht es im jüngsten Bericht des Weltklimarats IPCC. Die Lücke sollen Negative-Emissionen-Technologien (NET) schließen. So nennt man die große Vielfalt unterschiedlicher Verfahren, die nur eins gemeinsam haben: Sie senken den CO2-Gehalt der Atmosphäre.

Der Begriff klinge zwar nicht so schön, sagt die Klimawissenschaftlerin Sabine Fuss, aber es sei ja rein rechnerisch gemeint. Fuss hat im Rahmen des Weltklimaberichts ausgewertet, wie viel Klimagas, in diesem Fall Kohlendioxid, wieder aus der Luft entnommen werden muss, damit es einen – positiven – Effekt auf das Klima gibt. Sie ist Mitautorin der aktuellen Studie des gemeinnützigen Berliner Klimaforschungsinstituts MCC (Mercator Research Institute on Global Commons and Climate Change). Je nach Szenario müssen etwa 100 bis 1000 Milliarden Tonnen Kohlendioxid weltweit bis 2100 aus der Luft raus – zusätzlich zu den Klimaschutzmaßnahmen, die Treibhausgase zu reduzieren.

Vom 31. Oktober bis zum 12. November 2021 findet in Glasgow das 26. Treffen der Mitgliedsstaaten der Klimarahmenkonvention von Rio (Conference of the Parties, COP) statt. Verfolgen Sie unsere aktuelle Berichterstattung im Liveblog und lesen Sie mehr rund um Klimawandel und Klimaschutz auf unserer Themenseite.

Rechnet man mit negativen Emissionen ab 2050, kommt man auf 2 bis 20 Milliarden Tonnen des Treibhausgases, die jedes Jahr aus der Atmosphäre zurückgeholt werden müssen. Zum Vergleich: Weltweit werden jährlich über 40 Milliarden Tonnen freigesetzt. Doch welche Technologien sorgen für einen Minusposten in der Klimabilanz, was bringen die verschiedenen Arten der Rückholung?

Senke 1: Bäume als natürliche Maßnahme – 0,5 bis 3,6 Milliarden Tonnen Minus Kohlendioxid jährlich ab 2050

Vielleicht ist es die schönste Art, CO2 einzufangen. Wenn sie nicht in Monokulturen angepflanzt werden. Bäume anzupflanzen ist erprobt, natürlich und kann die Artenvielfalt erhalten. Einen kleinen Teil könnte auch die Wiederbepflanzung der Meere mit Seegras beisteuern, das ebenfalls CO2 bindet. Laut MCC-Studie könnten neue Wälder maximal 3,6 Milliarden Tonnen jährlich binden. Andere Studien kommen auf dreifach höhere Werte – würde man alle ehemaligen Wälder, die heute Weideflächen sind, in den Urzustand zurückversetzen. Dann müsste aber auch der Fleischkonsum drastisch sinken.

Das MCC schätzt konservativer und berücksichtigt, dass Bäume den gebundenen Kohlenstoff einmal wieder abgeben, wenn sie absterben und verrotten oder bei Waldbränden. Klimaforscher Stefan Rahmstorf fordert deswegen, Häuser mit Holz an Stelle von Beton zu bauen. Das hätte gleich einen doppelten Effekt: Das Kohlendioxid wäre länger gespeichert, und das Holz ersetzt außerdem den klimaschädlichen Beton. Ein 85 Meter hohes, aus Holz errichtetes Hochhaus in Norwegen zeigt, dass solche Bauten funktionieren.

Senke 2: BECCS – Biomasse verbrennen und das CO2 einfangen – 0,5 bis 5 Milliarden Tonnen

Auf Pflanzen setzt auch ein anderer Plan. Nur werden hier Bambus, Holz oder Mais angepflanzt, um sie dann zu verbrennen. Das CO2 soll am Schornstein abgefangen und gespeichert werden. Diese Bioenergie mit CO2-Abscheidung und Speicherung, kurz BECCS genannt, hat den Nachteil, dass die Energiepflanzen Ackerfläche verbrauchen. Dadurch konkurrieren sie mit dem Anbau von Lebensmitteln. Der großflächige Anbau hat zudem negative Auswirkungen auf Ökosysteme, Wasserhaushalt, Boden- und Wasserqualität. Und vieles hängt davon ab, wie gut das Gas tatsächlich wieder eingefangen werden kann.

Berechnungen für fossile Kraftwerke zeigen, wie hoch die Verluste sein können. Hier macht Kohlendioxid rund 14 Prozent der Abgase aus und ist damit recht hoch konzentriert. Doch auch unter diesen günstigen Bedingungen würden nur 65 bis 80 Prozent der Gesamtmenge durch anschließende Speicherung dauerhaft auf der Luft ferngehalten, berichtet das Umweltbundesamt. Um die Filter zu betreiben, ist noch einmal zusätzliche Energie nötig. Allein dafür müssten bis zu 40 Prozent mehr Rohstoffe verbrannt werden.

Senke 3: Direkt aus der Luft gegriffen – die großen Staubsauger: 0,5 bis 5 Milliarden Tonnen

Im Vergleich zu Verbrennungsgasen hat die Umgebungsluft einen sehr geringen Kohlendioxidanteil von 0,04 Prozent. Und es erscheint mühsam, diesen direkt aus der Luft herauszufischen. Doch es gibt Unternehmen, die dieses als Direct Air Capture (DAC) bezeichnete Verfahren vorantreiben und zur Marktreife bringen wollen. Darunter sind Climeworks aus der Schweiz und das kanadische Unternehmen Carbon Engineering.

Zurzeit gibt es weltweit rund 15 kleine Pilotanlagen. Im September 2021 verkündete Climeworks in Island den Betrieb der »weltweit größten klimapositiven Direktluftabscheideanlage« mit dem Namen »Orca«. Aufgestapelt in einer riesigen Wand saugt eine ganze Batterie von Ventilatoren die Umgebungsluft an, um das das Kohlendioxid herauszufischen. Orca soll jährlich 4000 Tonnen CO2 aus der Luft entfernen. Der Nachteil dieser Technik ist, dass die Pumpen viel Energie verbrauchen. Und es ist zusätzlich Wärmeenergie nötig, um das Gas wieder aus den Filtern zu entfernen. Wenn diese Wärme nicht aus ohnehin vorhandener industrieller Prozesswärme stammt, braucht man deswegen die Energie eines 500-Megawatt-Kraftwerks, um eine Million Tonnen Gas aus den Filtern herauszuholen.

Senke 4: Optimierte Landwirtschaft und Holzkohle – 2,5 bis 6 Milliarden Tonnen

Aus der Luft gefischt werden kann es eigentlich auch mit landwirtschaftlich genutzten Böden. Denn wenn die Landwirte oder -wirtinnen anders pflügen oder auf tief wurzelnde Pflanzen setzen, die besser Kohlendioxid binden, können beträchtliche Mengen an CO2 gebunden werden. Der große Vorteil: Vieles davon ist erprobt. Allerdings kann das mit diesen landbasierten Techniken gebundene CO2 bei ungünstigen Bedingungen wie Feuer, Schädlingsbefall oder wieder geänderter landwirtschaftlicher Bearbeitung erneut freigesetzt werden. Wenn die Beweidung und die Landwirtschaft darauf optimiert werden, sind jedoch bis zu fünf Milliarden Tonnen im Jahr zusätzlich drin – im Boden. Einen weiteren Zusatzeffekt könnte Holzkohle bringen, die auf die Böden verteilt wird. Die Verweilzeiten von Kohle liegen zwischen Jahrzehnten und Jahrhunderten. Außerdem kann diese so genannte Biokohle die Ernteerträge verbessern.

Senke 5: Pulverisierte Gesteine – 2 bis 4 Milliarden Tonnen CO2

Es muss nicht nur landwirtschaftlicher Boden sein. Böden jedweder Art können Gesteinen helfen, zu regelrechten Kohlendioxid-Aufsaugern zu werden. Wenn pulverisierte Basalte oder Mantelgesteine wie Peridotit fein gemahlen auf Böden verteilt werden, setzt chemische Verwitterung ein. Die Gesteine reagieren mit Kohlendioxid und binden dieses als festes Karbonat. Der Vorgang entspricht der natürlichen Gesteinsverwitterung, geht aber viel schneller, denn die durch Zerkleinern des Gesteins vergrößerte Oberfläche bietet viel Angriffsfläche für die chemische Reaktion. Beide Gesteinsarten sind zudem in großen Mengen als festes Gestein auf der Erde vorhanden.

Doch wie sich das in der Landwirtschaft oder auf anderen Flächen auf das Ökosystem in diesen Mengen auswirkt, ist bislang unklar. Praktische Forschung gibt es dazu bislang kaum. Denn mit dem Entzug von Kohlendioxid wird auch der Boden alkalischer, einige Basalte enthalten giftige Metalle, und die CO2-Bilanz kann je nach Anwendung sehr unterschiedlich sein. Würde man das Gesteinsmehl gar mit Flugzeugen ausbringen, was zum Beispiel bei großen Waldflächen nötig wäre, könnte die Klimabilanz glatt wieder auf null hinauslaufen.

Senke 6: Ozeandüngung – aus dem Rennen?

Ein anderer massiver Eingriff in ein Ökosystem ist die Ozeandüngung. Bei dieser bis vor einigen Jahren intensiv verfolgten und mehrfach im Meer getesteten Technik verteilen Schiffe großflächig Eisen oder anderes in ausgewählten Meeresgebieten, in denen diese Nährstoffe fehlen. Das regt das Wachstum von Algen an, die dann massenhaft wachsen und so Kohlenstoffdioxid binden. Sterben die Algen ab, sollten sie optimalerweise zusammen mit dem entfernten Klimagas zu Boden sinken. Allerdings ist es um dieses Verfahren still geworden, denn es greift massiv in das marine Ökosystem ein. Die Meere in einem für einen echten Klimaeffekt nötigen Ausmaß zu düngen, birgt nach Ansicht vieler Fachleute enorme Risiken – zumal Zweifel an der Effektivität der Technik bestehen. Außerdem bestehen rechtliche Hürden: Das Einbringen von Fremdstoffen in die Ozeane ist durch die Londoner Konvention zur Verhütung der Meeresverschmutzung seit 1972 schlicht verboten.

Die Speicher: Storage – für ewig weggesperrt?

Wenn das Kohlendioxid aus Luft oder Abgasen technisch eingesammelt wird, muss es anschließend sicher und dauerhaft gelagert werden. Aus Klimaschutzsicht würden einige tausend Jahre sicherer Verwahrung schon reichen. Lagerorte im Untergrund sind eine Möglichkeit, in die es unter Druck gepresst wird. Norwegen drückt schon seit 25 Jahren CO2 unter den Meeresboden der Nordsee. Dort soll genügend Platz sein für 200 Milliarden Tonnen des Gases. Leckagen könnten allerdings den Meeresgrund ernsthaft schädigen. Das Problem: Es gibt keine richtigen Technologien, um solche Probleme überhaupt aufzuspüren.

Auch bei der Speicherung in leere Erdgasspeicher an Land wäre ein Monitoring und Warnsystem im Stil von Rauchmeldern unbedingt nötig, um vor dem Austreten zu warnen. Hier gebe es aber noch andere und zu viele ungeklärte Fragen, mahnt das Umweltbundesamt. Denn wenn Kohlendioxid austritt, kann es salzige Grundwässer bis in oberflächennahe süße Grundwässer drücken oder Schadstoffe freisetzten. Theoretisch wäre allein in Deutschlands Untergrund Platz für rund zehn Milliarden Tonnen Treibhausgas. Doch die meisten Bundesländer haben die unterirdische Speicherung auf ihrem Gebiet verboten. Gründe sind andere Nutzungsalternativen wie Erdgasspeicher, die Geothermie, eine Beeinträchtigung des Tourismus und zu viele ungeklärte Risiken. Dieses bisherige Tabuthema tauche allerdings inzwischen auch wieder in den Debatten auf, stellt Sabine Fuss fest. Nun allerdings in der Variante, Kohlendioxid als Rohstoff für Industrieprodukte zu nutzen.

Weiter weg von Deutschland und weniger besiedelt ist Island. Hier versenkt Climeworks das Klimagas mit einem Verfahren von Carbfix 700 Meter tief in den Untergrund. Carbfix ist ein CCS-Projekt, bei dem CO2 zusammen mit in Wasser gelöstem Schwefelwasserstoff in den Untergrund verpresst wird. Dort verbindet sich das Gas mit dem Basaltgestein der Vulkaninsel und wird selbst zu Gestein – ähnlich wie bei der beschleunigten Verwitterung. Eine Bohrung könnte bis zu drei Millionen Tonnen Kohlendioxid pro Jahr in den Untergrund schaffen. Die Vorbereitungen dafür laufen: Terminals am Hafen, Pipelines, Tanks werden derzeit errichtet, damit 2030 mit CO2 beladen Schiffe ankommen können.

Aktuelle Studien zeigen außerdem, dass auch auf der Arabischen Halbinsel geeignete unterirdische Speicher vorhanden sein können. Und zwar in Form des Mantelgesteins, das fein zermahlen für die beschleunigte Verwitterung angepeilt wird. Nur bliebe hier das Gestein im Untergrund. Mit Wasser vermischt würde man das Gas in Bohrungen einbringen, die je 50 000 Tonnen CO2 aufnehmen könnten. Potenziell könnten hier viele tausend Milliarden Tonnen versenkt werden. Würde man hier Solaranlagen aufstellen, wäre auch gleich Energie für die Bohrungen und den Betrieb vorhanden. Genehmigt wurde allerdings gerade erst ein Pilotversuch.

Könnte reichen: Summe der Senken und Speicher

Rechnet man zusammen, was es bringt, Steine fein zu zermahlen, Filter auszuputzen und Bäume sowie Seegras zu pflanzen, kommt man auf eine Summe von jährlich 6 bis 24 Milliarden Tonnen Kohlendioxid. Unter der Annahme von 2 bis 20 Milliarden Tonnen des Treibhausgases, die jedes Jahr aus der Atmosphäre zurückgeholt werden müssen, könnte das klappen – wenn alles bestens funktioniert. Diese Rechnung hat allerdings einige Fallstricke.

Nicht alle negativen Emissionen können einfach so addiert werden. So braucht zum Beispiel die Aufforstung von Wäldern Landfläche und würde deswegen mit Biomasse-Plantagen konkurrieren. Für andere Techniken wird schlicht die Zeit knapp – viele von ihnen sind noch in der Entwicklungsphase. Nicht zuletzt sind die negativen Emissionen mancher Techniken nur schwer zu bilanzieren, was ihren Einsatz beim Zertifikatehandel erschwert.

An den Speichern wird es nicht scheitern, sagt Professorin Fuss. Island, Oman, Holland, Norwegen, Schottland – alle wollen mitmachen. Denn hier tut sich potenziell ein riesiger neuer Markt auf. Aber noch fehle vieles: Weder ist geklärt, wie das Klimagas über Ländergrenzen transportiert werden soll, noch, wer das finanziert oder wie ein Monitoring überhaupt aussieht. Das alles sei kein Fingerschnippen, erklärt Fuss.

Nicht zuletzt ist fast alles noch Zukunftsmusik. Derweil steigen die Emissionen schneller an, als Abscheideanlagen entwickelt werden. Ohne Corona-Lockdown hätte auch Deutschland seine Klimaziele verfehlt, und die Emissionen werden wieder steigen, wenn die Wirtschaft anspringt. Vor allem aber dürfe man nicht auf negative Emissionen wetten, mahnt das Berliner Klimaforschungsinstitut MCC. Fraglich sei, ob Abscheideanlagen, Transport und Speicherinfrastruktur überhaupt schnell genug entwickelt und ausstehende Bedenken geklärt werden könnten. Negative Emissionen seien eben keine Wunderwaffe im Kampf gegen den Klimawandel, sondern bloß eine notwendige Bedingung.

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