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Klimaschutz: Wie Kohlendioxid Erdöl ersetzen soll

Was viele nicht wissen: Das Treibhausgas ist ein potenziell wertvoller Rohstoff. Diese Tatsache soll auch den Klimaschutz fördern. Doch kann das wirklich funktionieren?
Eine Frau mit orangefarbenem Schutzhelm steht vor einer Raffinerie, hinter der gerade die Sonne aufgeht. Laden...

Ein Gas wächst uns über den Kopf. Die Misere rund ums Kohlendioxid ist inzwischen so groß, dass es längst nicht mehr reicht, weniger davon zu produzieren. Für die international vereinbarten Klimaziele, zwei Grad oder gar anderthalb, braucht man inzwischen »negative Emissionen« – das Treibhausgas muss mit großem Aufwand wieder eingefangen und sicher eingelagert oder entsorgt werden. Aber warum eigentlich – kann man Kohlendioxid nicht auch irgendwie nutzen?

Viele Experten sagen: Man muss sogar! Um überhaupt eine Chance zu haben, mit negativen Emissionen Klimaschutz zu betreiben, muss Kohlendioxid in ganz großem Stil technisch verwertet werden. Bislang, so die Argumentation, ist schlicht die nötige Infrastruktur nicht vorhanden. Kohlendioxidnutzung – in der Fachwelt als »Carbon Capture and Utilization« (CCU) bezeichnet« – könnte das ändern.

Das Problem ist die Größenordnung: Genug CO2 unschädlich zu machen, um die Klimaziele zu erreichen, verlangt vermutlich nach der größten Industrie in der Geschichte der Menschheit. Denn laut einer Veröffentlichung in »Nature Climate Change« von 2017 müssen wir selbst im allergünstigsten Fall in den nächsten 30 Jahren 120 Milliarden Tonnen Kohlendioxid loswerden.

Die größte Industrie der Weltgeschichte

Zum Vergleich: Pro Jahr verbraucht die Welt etwa 4,5 Milliarden Tonnen Öl. Mindestens so groß wie die gesamte Erdölbranche, wenn nicht viel größer, muss die Kohlendioxid-Beseitigungs-Industrie werden. Die dafür nötige Infrastruktur braucht Vorläufer, die schon heute mit Millionen Tonnen Kohlendioxid leisten, was in Zukunft mit Milliarden Tonnen des Treibhausgases passieren soll.

Die zurzeit bedeutendste Form der Kohlendioxidnutzung geht den Umweg über Biomasse. Pflanzen ziehen gigantische Mengen des Klimagases aus der Luft. Im Hinblick auf den Klimaschutz ist das allerdings nur dann hilfreich, wenn er dauerhaft gespeichert bleibt – und unter natürlichen Bedingungen geschieht das lediglich mit einem winzigen Bruchteil des gesamten Kohlenstoffs.

Dank der Produktivität der Biosphäre ist dieser Bruchteil aber auch eine ungeheure Menge. Das birgt enormes Potenzial: Könnte man die Böden dazu bringen, nur 0,4 Prozent mehr Kohlenstoff über lange Zeiträume einzulagern, wären damit alle Emissionen der Menschheit ausgeglichen. Da gäbe es eine Möglichkeit, einen wahren Wunderstoff, glaubt man ihren Fans: Biokohle.

Während Kompostieren oder normale Holzkohleherstellung sehr viel Methan und Kohlendioxid freisetzen, bleibt bei Biokohle fast der gesamte Kohlenstoff im Endprodukt. Und zwar für sehr lange, denn das Material ist für nahezu alle Organismen unverdaulich. Es entsteht, wenn man organische Materialien, üblicherweise Pflanzenabfälle, in Gegenwart von sehr wenig Sauerstoff erhitzt. Bei dieser Pyrolyse spalten die Kohlenhydrate in der Biomasse Wasser ab. Übrig bleibt ein Rückstand, der je nach Verfahren Holzkohle oder Braunkohle ähnelt.

Diese Biokohle kann man nicht nur einlagern, sondern auch nutzen, um Böden zu verbessern. In der Amazonasregion reicherten einheimische Fachleute schon vor Jahrhunderten die unfruchtbaren tropischen Böden unter anderem mit Holzkohle an, es entstand ein Bodentyp namens Terra preta. Die Vision: Weltweit könnte in Zukunft technisch hergestellte Biokohle Böden dauerhaft fruchtbarer machen und gleichzeitig enorme Mengen Kohlendioxid aus der Atmosphäre ziehen.

Das Biomasse-Problem

Die Technik stößt allerdings an die gleiche prinzipielle Grenze wie Biokraftstoffe: Das nötige Pflanzenmaterial muss irgendwo herkommen. »Solche Biokohlesysteme bringen nur dann etwas, wenn viel Biomasse vorhanden ist, die bis jetzt nicht genutzt wird«, gibt der Bodenkundler Andreas Möller von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) zu bedenken. Ein Beispiel seien Kaffeeschalen in Äthiopien.

Außerdem ist laut BGR unklar, wie viel Biokohle wirklich bringt. Böden in Deutschland seien meist ohnehin recht fruchtbar, schreibt das Institut auf seiner Website. Außerdem ist nicht immer klar, ob das Material dem Boden nützt. Einerseits gibt es Indizien dafür, dass die porösen Kohlepartikel Düngemittel binden und langsam wieder abgeben, was besonders Stickstoffdünger sparen könnte. Andererseits können sie mit ihrer großen Oberfläche manchen Böden auch die Nährstoffe entziehen und Pflanzen vorenthalten – oder gar giftige Stoffe einbringen.

»Viele Bodenkundler sehen die Gefahr, dass mit der Technik Schindluder getrieben wird«, sagt Möller. Abfälle, so die Befürchtung, könnten pyrolysiert und als »Biokohle« auf den Äckern entsorgt werden. »Dadurch gelangen möglicherweise Giftstoffe in den Boden, die sich dann nicht mehr zurückholen lassen.«

Ein Haufen Biokohle, ausgebreitet vor dem Rohstoff Holz im Hintergrund.Laden...
Biokohle in Peru | Biokohle kann mit wenig Aufwand aus nahezu jeder Art pflanzlicher Biomasse hergestellt werden. Allerdings ist das nur sinnvoll, wenn überschüssige Biomasse vorhanden ist. Außerdem hat Biokohle je nach Ausgangsmaterial unterschiedliche Eigenschaften und ist damit nicht immer gleich gut für alle Anwendungen geeignet.

Außerdem beeinflusst das Ausgangsmaterial das beim Verkohlen entstehende Endprodukt. So ist zum Beispiel Biokohle aus Buchenholz recht porös, ganz anders als solche aus Nadelbäumen, wegen der hier im Holz enthaltenen Harze. Das bedeutet, nicht jeder Pflanzenabfall eignet sich als Biokohle für alle Zwecke.

Wegen dieser Unwägbarkeiten denken Fachleute deswegen vor allem über spezialisierte lokale Anwendungen nach. »Ich sehe darin nicht den ganz großen Wurf, den man sich mal erhofft hat. Aber es hat für Nischenanwendungen viel Potenzial«, sagt auch Andreas Möller.

Kohlendioxid als Industrierohstoff

Nur: Mit Nischenanwendungen kommt man nicht auf jene mindestens 120 Milliarden Tonnen Kohlendioxid, die man im Sinne der Klimaziele irgendwie im Boden versenken müsste. Andere CCU-Verfahren setzen deshalb darauf, das Kohlendioxid dort einzufangen, wo es entsteht – in Kraftwerken zum Beispiel, um es dann anschließend weiterzuverkaufen.

Die Einsatzgebiete reichen von Trockeneis bis hin zum entkoffeinierten Kaffee. Schon heute werden mit CO2 als technischem Gas über sieben Milliarden Euro Umsatz gemacht. Das ist eine ganze Menge Geld, aber leider so wenig Gas, dass es im Bezug aufs Klima keine Rolle spielt. Doch manche Fachleute glauben: Da geht mehr. Viel mehr.

Im Fokus steht hier vor allem die tertiäre Ölförderung, die so genannte »enhanced oil recovery« (EOR). Erdöl fördern für den Klimaschutz klingt erst einmal widersinnig, die Technik hat aber zwei Vorteile. Zum einen versenkt sie sehr viel CO2 tief in der Erde – bis zu 90 Prozent des eingepressten Kohlendioxids bleiben in der Lagerstätte. Zum anderen ist sie beim derzeitigen Stand das einzige einzelne Verfahren, das nennenswerte Mengen des Treibhausgases nicht nur nutzt, sondern auch dauerhaft einlagert.

Das Prinzip dahinter ist simpel. Selbst wenn ein Ölfeld erschöpft scheint, hängt noch ein großer Teil der zähen Flüssigkeit im Gestein fest, oft mehr als zwei Drittel der ursprünglichen Menge. Doch auch dieses Öl kann man noch »aufschließen« – was im Grunde nichts anderes heißt, als es herauszuwaschen wie einen Fettfleck aus einem Pullover.

Tatsächlich ist es möglich, Öl mit heißem Wasser und Seife aus einem zum Teil geleerten Reservoir zu treiben. Besser geht es aber mit Flüssigkeiten, die sich gut mit Öl mischen, es verdünnen und mit sich schleppen. Genau das tut Kohlendioxid, wenn man es unter hohem Druck in eine Lagerstätte presst; es löst das Öl vom Gestein und fließt, entweder unter seinem eigenen Druck oder von Wasser getrieben, zu weiteren Bohrungen, an denen es samt mitgeschlepptem Öl wieder an die Oberfläche kommt.

Erdöl fördern für das Klima?

Das Treibhausgas ist gut mit Öl mischbar und gleichzeitig deutlich billiger als die meisten Alternativen. Darum fließen fast 90 Prozent des auf dem Weltmarkt gehandelten Kohlendioxids in diese Form der Ölgewinnung. Die tertiäre Ölgewinnung gilt manchen Fachleuten durchaus als Klima-Hoffnung: In Kanada gibt es derzeit eine Anlage, die das Kohlendioxid eines Kraftwerks einfängt und ein Ölfeld damit beliefert. Eine weitere ist derzeit im Bau.

Doch ob die Technik mit Blick aufs Klima eher Chance oder Problem ist, daran scheiden sich die Geister. Das Verfahren erhöht einerseits die Nachfrage nach Kohlendioxid und schafft einen Markt dafür. So würde eine Plattform entstehen, an die vielleicht andere Wege der industriellen Verwertung von Kohlendioxid anknüpfen könnten. Andererseits wäre es aus Klimasicht viel zweckmäßiger, Kohlenstoff gar nicht erst aus seinen Lagerstätten herauszuholen: Weniger Öl sollte gefördert werden, nicht mehr.

»Grundproblem hierbei sind die hohen Gestehungskosten für Wasserstoff«

Tatsächlich könnte Kohlendioxid in einigen Anwendungen Öl ersetzen. Denn beide Stoffe haben eine bedeutende Gemeinsamkeit. Sie enthalten Kohlenstoff, jenes Element, um das wir weder in der Technik noch im Alltag herumkommen – ob als einfaches Erdgas oder in Form moderner Medikamente. Es ist buchstäblich das Rückgrat von Wirtschaft und Industrie.

Theoretisch könnte man alles, wofür man heute fossile Rohstoffe wie Öl nutzt, auch auf der Basis von Kohlendioxid herstellen. Die Bedeutung einer solchen Technik wäre dramatisch. Nicht nur nutzen wir Öl in ebenjenem Gigatonnenmaßstab, den man bei den negativen Emissionen für den Klimaschutz dringend braucht. Man könnte auf diesem Weg nahezu die gesamte Technik klimaneutral machen.

Es gibt nur ein kleines Problem: die Kosten. Man braucht Energie, um das Gas rein zu gewinnen, und noch mehr, um den Kohlenstoff elektrolytisch vom Sauerstoff zu trennen. Energie gibt es weder in unbegrenzter Menge noch umsonst, und deswegen sind nahezu alle Verfahren, Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle zu nutzen, bisher deutlich teurer als aktuelle Alternativen.

Kohlenstoff aus Treibhausgas

Eine mögliche Ausnahme sind Chemikalien. Einige technisch wichtige Moleküle erzeugt man schon heute aus Kohlendioxid. Komplexe organische Chemikalien aus Kohlendioxid herzustellen, ist aus chemischer Sicht einfach. Am besten etabliert ist das Syngas-Verfahren, bei dem man aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff viele unterschiedliche Produkte produzieren kann. Das nötige Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, Syngas genannt, entsteht bei der gemeinsamen Elektrolyse von Wasser und Kohlendioxid. Die beiden gasförmigen Produkte reagieren mit Hilfe eines chemischen Katalysators zu komplizierteren Molekülen.

Über die Reaktionsbedingungen während dieser als Fischer-Tropsch-Synthese bekannten Umsetzung kann man steuern, welche Stoffe entstehen – zum Beispiel Grundstoffe für Plastik und Schaumstoff. Auch in Deutschland erproben Unternehmen derartige Techniken. Wirtschaftlich sind diese Verfahren allerdings nicht. »Grundproblem hierbei sind die hohen Gestehungskosten für Wasserstoff durch die strombasierte Elektrolyse im Vergleich zu den niedrigen Preisen für fossile Kohlenstoffquellen«, stellte 2018 die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften acatech in einem Positionspapier über CCU-Verfahren nüchtern fest.

Ein weiteres Problem ist, dass das Verfahren auf Rohölbasis nicht nur stark optimiert, sondern in der Konstruktion der chemischen Anlagen gleichsam festgeschrieben ist: Die Abfolge der verschiedenen Verfahrensschritte ist auf dieses Rohmaterial ausgerichtet. Eine chemische Industrie, die den Grundstoff Rohöl komplett durch Kohlendioxid – und vermutlich Biomasse – ersetzt, müsste im schlimmsten Fall große Teile der vorhandenen Anlagen ganz neu bauen.

Deswegen nutzt man derzeit nur wenige auf CO2 basierende Verfahren technisch, und dann vor allem für einfache Moleküle. Der bedeutendste Prozess ist die Produktion von Harnstoff, einem Ausgangsstoff für Kunstdünger, aus Kohlendioxid und Ammoniak; daneben stellt man bestimmte Kunststoffe mit dem Gas her.

Blick direkt von oben auf die Staumauer eines großen Reservoirs. Links das türkise Wasser des Sees, rechts ein Tal.Laden...
Rossens-Damm in der Schweiz | Wasserkraftwerke liefern große Mengen preisgünstiger und treibhausgasarmer Energie. Sie sind damit geeignete Standorte, um Kohlendioxid in Kraftstoffe und Chemikalien umzuwandeln. Doch Wasserkraft hat auch Nachteile.

Auch den chemischen Grundstoff Methanol gewinnt man schon heute direkt aus Kohlendioxid. Das geht bisher zwar nur unter besonderen Umständen, etwa wenn man wie auf Island Energie praktisch kostenlos zur Verfügung hat. Außerdem bezweifeln einige Fachleute grundsätzlich den Nutzen des Ansatzes für den Klimaschutz. »Es ist sehr unwahrscheinlich, dass die chemische Umwandlung von CO2 mehr als ein Prozent des Klimaschutz-Bedarfs abdecken wird«, schrieb zum Beispiel 2017 eine Arbeitsgruppe um Niall Mac Dowell vom Imperial College London.

Nach dem Biodiesel der Luft-Diesel?

Immerhin hat diese Strategie aber das Potenzial, Erdöl in seiner bedeutendsten Anwendung durch Kohlendioxid zu ersetzen: als Kraftstoff, der nicht aus der Erde, sondern aus der Luft stammt. Bei der Suche nach negativen Emissionen wären Kraftstoffe aus Kohlendioxid der Hauptgewinn. Erst eine Technik, die genug Kohlendioxid für den globalen Treibstoffbedarf einfangen und chemisch umsetzen kann, hätte auch eine reale Chance, der Atmosphäre CO2 im nötigen Maßstab zu entziehen.

Unabhängig davon könnte man, so die Idee, mit diesem Kniff den Verbrennungsmotor auf einen Schlag klimaneutral machen. Der große Vorteil dieser Variante ist, dass weder Infrastruktur noch Motoren dafür ausgetauscht werden müssten und ein gradueller Wechsel von einer Treibstoffsorte auf die andere möglich ist. Flüssige Kraftstoffe speichern außerdem extrem viel Energie für ihr Gewicht – etwa zehnmal so viel wie herkömmliche Batterien.

Aus Kohlendioxid Kraftstoffe in großen Mengen zu produzieren, ist chemisch ebenso einfach, wie Kunststoffe oder andere Chemikalien herzustellen. Solche schnell produzierten Energieträger aus erneuerbaren Energien könnten sogar als Zwischenspeicher für schwankende Wind- und Solarstrommengen dienen. Man elektrolysiert Kohlendioxid und Wasser, um Syngas zu erzeugen, aus dem man dann Benzin und Diesel herstellt. Auf einem ähnlichen Weg erzeugt man Methanol oder Methan aus Kohlendioxid und Wasserstoff.

Die Sache hat allerdings einen großen Haken: Damit das aus Klimasicht Sinn ergibt, dürfen die für die Reaktion selbst oder für die Herstellung des nötigen Wasserstoffs eingesetzten Energiemengen kein Treibhausgas freisetzen. Das klappt vielleicht, siehe oben, in Island. Mit dem heute sonst üblichen Energiemix dagegen, schreibt die acatech, »würde prozessseitig und durch die Energiezufuhr mehr CO2 emittiert, als stofflich in synthetisch erzeugtem Methan beziehungsweise Methanol gebunden wird«.

Egal ob Kraftstoffe oder Chemikalien, Kohlendioxid funktioniert als klimafreundliche Kohlenstoffquelle und Ölersatz nur mit erneuerbarer Energie. Doch hier stört der gleiche Faktor, der die Strategie so attraktiv als Einstieg in negative Emissionen macht: die immense Größenordnung unseres Ölkonsums. Für jedes leicht zugängliche Kohlenstoffatom des Öls, auf das wir verzichten, müssen wir mit großem Energieaufwand zwei Sauerstoffatome aus dem Kohlendioxid entfernen.

Für jede andere Technik, die ein heutiges Produkt in Zukunft auf Kohlendioxidbasis bereitstellen soll, gilt das ebenfalls: Mit dem Treibhausgas fließen gleichsam Energieschulden in das Produkt, die komplett nachhaltig beglichen werden müssen – und oft erst einmal unsichtbar sind. Aber vernachlässigbar sind sie nicht: Erdöl zum Beispiel macht ziemlich genau ein Drittel des weltweiten Verbrauchs an Primärenergie aus – mehr als 50 000 Terawattstunden.

Um diesen Bedarf durch Ersatztreibstoffe aus Windkraft und Solarenergie zu decken, müsste man diese Energiequellen auf das 40-Fache ausbauen. Dabei ist noch nicht einmal eingerechnet, dass sie gleichzeitig auch alle anderen fossilen Energieträger ersetzen und dabei mit dem steigenden Energiebedarf Schritt halten sollen. Derzeit wachsen erneuerbare Energien nicht einmal dafür schnell genug.

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