Klimaschutz und CCS Abtrennung und Speicherung von CO2 - NATURWISSENSCHAFT UND TECHNIK IM UNTERRICHT
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JANUAR 2011 53. JAHRGANG
NATURWISSENSCHAFT UND TECHNIK IM UNTERRICHT
Klimaschutz und CCS
Abtrennung und Speicherung von CO2
Sauerstoff Kohlenstoff Sauerstoff
(O) (C) (O)
Inhalt
3 Einleitung
Weltklimarat IPCC
4 Wo ist hier der Klimaschutz versteckt?
6 Energiereserven der Welt
8 Weniger CO2
10 CO2-Kreislauf
12 CCS im Überblick
14 Abscheidung
Pre-Combustion, Oxyfuel,
Post-Combustion/Rauchgaswäsche
16 Transport
17 CO2-Speicherung: Wie ein Schwamm
18 CO2-Speicherung: Wo wird gespeichert?
19 CO2-Speicherung: Aber sicher
20 CCS weltweit und in Deutschland
22 CO2 und CCS in der Industrie
23 CCS und Nachhaltigkeit
24 Einsatz im Unterricht
Methodische und didaktische Hinweise
Lehrplananbindung
26–37 Arbeitsblätter/Kopiervorlagen
38 Lösungshinweise
39 Linksammlung
Impressum
40 Glossar
Auf http://ccs.lehrerwink.de gibt es regelmäßig neue Arbeitsblätter zum kostenlosen Download.
Einleitung. „Es gibt keinen Raum für Zweifel darüber, dass
sich das Klima dieser Erde wandelt, es erwärmt sich. Wir haben
auch ein bedeutendes Statement abgegeben, dass der Großteil
der Erwärmung, die in den letzten 50 Jahren stattfand, sehr
wahrscheinlich das Ergebnis menschlichen Handelns ist. Diese
Erkenntnisse weisen klar darauf hin, dass die Erwärmung der
letzten 50 Jahren mit 90-prozentiger Wahrscheinlichkeit das
Ergebnis menschlichen Handelns ist.
Ich denke, dass CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) äu-
ßerst wichtig sind, weil es einige Länder in der Welt gibt, in
denen weiterhin über Jahrzehnte Kohle verwendet werden
wird. Ich möchte nur die Tatsache hervorheben, dass Länder, in
denen große Mengen an Kohle verwendet werden, dies nur tun
können, indem sie die Effizienz der Kohleverbrennung verbes-
sern. Darüber hinaus gibt es vielleicht keine andere Wahl, als
Kohlenstoffdioxid abzuspalten und zu speichern. Ich denke
daher, dass in Bezug auf die Kohleverbrennung CCS äußerst
wichtig sein wird. In diesem Zusammenhang halte ich es für un-
bedingt notwendig, dass die Industrieländer sehr stark in die
Schaffung technologischer Lösungen für CO2-Abscheidung und
-Speicherung investieren.“
Dr. Rajendra Pachauri
Auszug aus seiner Rede am 7. Mai 2008 anlässlich der IZ Klima-Veranstaltung
„Herausforderung Klimawandel – Welchen Beitrag kann die CO2-Abscheidung
und -Speicherung leisten?“ in Berlin
IPCC
Der Weltklimarat IPCC (Intergovernmental Panel on Cli-
mate Change) wurde 1988 von den Vereinten Nationen
öffentlichte Fachartikel
durch unabhängige Gut-
und der Weltmeteorologie-Organisation gegründet. Das achter geprüft werden.
in Genf ansässige Gremium sammelt und bewertet wis- So haben am vierten
senschaftliche Daten zum Klimawandel sowie zu den zu Sachstandsbericht des
erwartenden Folgen der Erderwärmung. Im Zentrum sei- IPCC von 2007 mehr als
ner Arbeit steht vor allem die Frage, wie die Menschheit 2.500 Wissenschaftler aus
sich den wandelnden Klimaverhältnissen anpassen kann. 130 Ländern mitgearbeitet.
Dabei forscht der IPCC nicht selbst, sondern bewertet 2007 wurde der IPCC gemeinsam
die Ergebnisse von Klimaforschern aus aller Welt nach mit dem US-amerikanischen Politiker Al
dem sogenannten Peer-Review-Verfahren, bei dem ver- Gore mit dem Friedensnobelpreis ausgezeichnet.4 In tiefen Erd- und Gesteinsschichten unter einem Feld wie diesem bei Ketzin wird Kohlenstoffdioxid gespeichert.
Wo ist hier der
Klimaschutz versteckt?
Wissenschaftler und Forscher sind sich einig und auch die Zeit begrenzt werden. Aus diesem Grund wird häufig auch
Daten sprechen eine klare Sprache: Wir erleben weltweit vom „2-Grad-Ziel“ gesprochen. Da keine Einzelmaßnahme zur
einen Anstieg der Temperatur und der CO2-Konzentration in Erreichung dieses Ziels ausreicht, muss ein ganzes Bündel an
der Atmosphäre. Um gravierende und unabsehbare Folgen Maßnahmen umgesetzt werden, wie die Steigerung der Effi-
des Klimawandels zu verhindern, halten die Wissenschaftler zienz und der Ausbau regenerativer Energien. Von den vielen
des IPCC eine Halbierung der weltweiten CO2-Emissionen bis Lösungen heißt eine CCS – Carbon Capture and Storage, die
2050 sowie eine Stabilisierung der CO2-Konzentration in der Technologie zur Abscheidung und Speicherung von Kohlen-
Atmosphäre auf ungefähr 450 ppm (parts per million, hier: stoffdioxid. Führende Klimawissenschaftler betonen das er-
CO2-Moleküle pro Million Luftmoleküle) für notwendig. Auf hebliche Klimaschutzpotenzial dieser Technologie und
diese Weise könnte die globale Erwärmung bis zum Jahr 2100 sprechen sich daher für eine zügige Erforschung und Demon-
auf etwa zwei Grad Celsius gegenüber der vorindustriellen stration der innovativen CCS-Technologie aus.
Professor Hans Joachim Schellnhuber, Klimaberater der Bundesregierung und Chef des Potsdam-Instituts für Klimafolgen-
forschung: „Global betrachtet wird man noch viel zu lange auf fossile Energieträger wie Kohle zurückgreifen. Das ist mit den
notwendigen Klimaschutzzielen nicht vereinbar. Die EU sollte daher die Forschung zum Thema CCS, der Abscheidung und
Speicherung von CO2 – auch bei der Kohleverstromung – intensiv und umgehend vorantreiben. Bei bloßen Lippenbe-
kenntnissen, Demonstrationsanlagen einzurichten, darf es nicht bleiben.“ (Interview im Germanwatch-Newsletter Klima-
Kompakt Spezial Nr. 41/12. März 2008)
CO2-Konzentration (in ppm)
400 °C Mittlere globale Erdtemperatur °C
Atmosphärische
CO2-Konzentration 0.5 14.5
350
Atmosphärische
0.0 14.0
300
-0.5 13.5
1800 1900 2000 2006 1850 1900 1950 2000
Seit 1958 wird auf Hawaii die atmosphärische CO2-Konzen- Die Grafik stellt die beobachteten Änderungen der mittleren
tration kontinuierlich gemessen. Aus Luftproben, die in ark- globalen Erdtemperatur dar, bezogen auf den Zeitraum
tischem Eis eingeschlossen sind, lassen sich die Werte von 1961–1990. Die schwarze Linie zeigt die über ein Jahrzehnt
vor 1958 ziemlich genau rekonstruieren. gemittelten Werte, die schraffierten Bereiche die ge-
schätzten Unsicherheitswerte und die Kreise die Jahreswerte.
Quelle: IPCC Fourth Assessment Report AR4 2007 Quelle: IPCC 2007: WG1-AR4/Grafik nach: Österreichisches Umweltbundesamt
5Energiereserven
der Welt
Nordamerika
213,9
Kanada
1,0 2,1
Großbritannien
1,0 0,8
USA
5,7 7,8
Algerien
2,4 5,9
Mexiko
2,4 0,5 Venezuela
8,0 6,6
Weltweite Kohlevorkommen* Weltweite Ölvorkommen*
(Weichbraun- und Hartkohle) (konventionelles Erdöl) Nigeria
722,4 224,3 7,0 6,9
Brasilien
2,4 0,5
237,0
Weltweite Gasvorkommen*
(konventionelles Erdgas)
Lateinamerika
* Reserven in Milliarden Tonnen SKE (Steinkohleeinheit) 10,4
So lange reichen die Vorräte (weltweite
Verfügbarkeit einzelner Energieträger
Der weltweite Energiebedarf
steigt in den nächsten Jahren Reserven bei statischer Betrachtung): Entwicklung des globalen Primärenergie-
deutlich an. Berechnungen der Braunkohle ca. 230 Jahre bedarfs und wie er gedeckt wird
Internationalen Energieagentur
Mio. t RÖE 1 Mio. Tonnen Rohöleinheiten (RÖE) entsprechen
IEA gehen von einer Zunahme um rund 1,428 Mio. Tonnen SKE.
Kohle
36 % bis 2035 aus, immerhin 5000 Öl
Steinkohle ca. 170 Jahre
1,2 % pro Jahr. Allerdings ver- 4500
schiebt sich die Energienachfrage 4000 Gas
regional stark: Indiens und Chinas 3500
Erdöl ca. 40 Jahre
Primärenergiebedarf wird stark
3000
zunehmen. Hierbei darf aber nicht
2500
übersehen werden, dass trotz
Erdgas ca. 65 Jahre 2000 Biomasse
energiesparender Geräte und und Müll
1500
Effizienzmaßnahmen auch in Kernkraft
1000 Wasser
Deutschland der Energie-
bedarf von Jahr zu Jahr zunimmt.
Uran 70 bis 140 Jahre 500 sonstige
Erneuer-
0 bare
1980 2008 2020 2035
Quelle: IEA, World Energy Outlook 2010 Quelle: Bundeswirtschaftsministerium (Kurzbericht: Quelle: IEA, World Energy Outlook 2010
Zusammenfassung Verfügbarkeit und Versorgung mit Energierohstoffen, 2006)Europa ohne GUS GUS
42,5 141,6
INFO
Ein Mensch atmet täglich
Norwegen 0,9 bis 1,23 kg CO2 aus.
1,4 3,0 Alle 82 Millionen
Russland Deutsche atmen also
14,7 61,9 zwischen 26 und 36
Millionen Tonnen Kohlen-
Aserbaidschan Turkmenistan stoffdioxid pro Jahr aus.
1,9 1,7 0,3 3,9
Libyen Kasachstan
8,1 1,9 6,8 4,4
China
Katar 3,0 3,2
3,0 33,2
Indien Asien ohne GUS
1,1 1,4 235,3
Ägypten
0,8 2,7
Malaysia
1,0 3,2
Indonesien
Angola 0,8 3,9
1,8 0,4
Australien
0,8 3,3 51,5
Afrika Irak Iran
27,6 22,3 4,1 26,9 36,1
Erwarteter Zuwachs der globalen
Stromerzeugung
in Terawattstunden
1 TWh = 1 Mrd. kWh Kuwait Oman
35.000 19,7 2,3 1,1
30.000 1,1
25.000
Saudi-Arabien
20.000
51,3 9,3
15.000 VAE
10.000 19,0 7,9
5.000
0
1980 2008 2020 2035
Quelle: IEA, World Energy Outlook 2010
Quelle: BGR, Energierohstoffe 2009CO2-Emissionen aus Öl-, Gas- und Kohleverbrauch
In Millionen Tonnen CO2 pro Jahr
Welt Deutschland
31.023 31.552 31.130
29.271 30.055
27.105 28.380
25.300 25.500 25.950
22.674 23.523
Kyoto-Ziel
Deutschland
-21% (1990)
1.031 931 903 916 901 910 900 883 894 860 854 796 ca. 819
1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2012
Quelle: BP Statistical Review of World Energy 2010
Internationale Klimaschutzabkommen (Minderungsziele in CO2-Äquivalent)
Deutschlands Verpflichtungen aus … EU-Verpflichtungen aus … Weltweite Verpflichtungen aus …
Kyoto-Protokoll Integriertes Energie- und Klima- Energie- und Klimapaket der Kopenhagener Vereinbarung
(Dezember 1997) programm der Bundesregierung Europäischen Kommission (Dezember 2009, nicht verabschiedet,
(Dezember 2007) (Januar 2008) nur zur Kenntnis genommen)
* für Industriestaaten
100 100 100 100
-21 % -20 %
-40 % 36 %
80 80 80 80 -80 %
bis
60 60 60 60 -90 %*
durch Maßnahmen
des Programms
40 40 40 40
20 20 20 20
0 0 0 0
1990 2012 1990 2020 1990 2020 1990 2050
Beitrag verschiedener Klimaschutzoptionen zur CO2-Emissionsminderung im Zeitraum 2000–2100
Die angegebenen Reduktionsmengen beziehen sich auf die Differenz zwischen „Business as usual“-Szenario und dem 450-ppm-
Stabilisierungsszenario.
Energieeinsparung
und -effizienz
Erneuerbare Energien
Carbon Capture
and Storage (CCS)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Milliarden Tonnen Kohlenstoff Quelle: Edenhofer, Lessmann und Bauer (2006)
Keine dieser Klimaschutzoptionen darf zum alleinigen Königsweg erklärt werden: Troposphä
Wollen wir die ehrgeizigen Minderungsziele erreichen, müssen wir alle zur Verfügung stehenden bis 10 k
Potenziale ausschöpfen. Diese Aufgabe ist vor allem technologisch zu lösen, da allein durch 20
Verhaltensänderungen und eine stärkere Nutzung erneuerbarer Energien nicht ausreichend
CO2 eingespart werden kann!Thermosphäre/
Weniger CO2
Ionosphäre
bis 400 km
bis 1.000 °C Die Szenarien der IEA- und der IPCC-Wissenschaftler sowie das Gutachten des britischen Öko-
nomen Nicholas Stern – der sogenannte Stern-Report – machen unmissverständlich klar: Wir
müssen dringend Gegenmaßnahmen ergreifen, um die Folgen des Klimawandels auf ein für die
Menschheit beherrschbares Maß zu begrenzen.
Die Debatte um den Klimawandel und die notwendige Verminderung der globalen CO2-Emissionen
begann allerdings weit bevor das Thema 2007 durch die Verleihung des Friedensnobelpreises an
Al Gore und den IPCC, durch Al Gores Film „Eine unbequeme Wahrheit“ sowie den Stern-Report
ins Zentrum der öffentlichen Wahrnehmung rückte. Bereits zehn Jahre zuvor einigte sich die in-
ternationale Staatengemeinschaft erstmalig auf verbindliche Ziele und Maßnahmen für den Kli-
maschutz. Im Kyoto-Protokoll verpflichteten sich die Industriestaaten, ihren Treibhausgasausstoß
Mesosphäre bis 2012 durchschnittlich um 5,2 Prozent gegenüber dem Stand von 1990 zu senken.
50–90 km
0 °C bis -100 °C Das Kyoto-Protokoll läuft 2012 aus. Ziel des Nachfolgeabkommens soll sein, alle großen Pro-
duzenten von Treibhausgasen wie die USA einzubinden und gleichzeitig die wirtschaftlich auf-
strebenden Schwellen- und Entwicklungsländer schrittweise stärker in das Klimaschutzregime
einzubeziehen. Erst auf der UN-Klimakonferenz im November 2010 in Cancún einigten sich die
Delegierten auf wichtige Einzelmaßnahmen wie das Bekenntnis zum 2-Grad-Ziel und freiwillige
Zusagen zur CO2-Einsparung der Industrieländer. Deutschland und die EU haben sich mit eige-
nen Reduktionsverpflichtungen bis 2020 und darüber hinaus ehrgeizige Ziele im Kampf gegen
den Klimawandel gesetzt (s. linke Seite). In den nächsten Verhandlungen müssen sich die Staa-
ten jedoch auf weitere Schritte für einen verbindlichen Klimaschutzvertrag ab 2012 verständigen.
!
Ozonschicht Der Stern-Report warnt vor den dramatischen Folgen des Klimawandels. Eine
20–40 km deutsche Zusammenfassung finden Sie unter www.britischebotschaft.de >>
0 °C Suche: Nicholas Stern.
Die Aufgabe ist zu groß für nur eine Lösung. Erst in der Summe vieler Anstrengungen wird
es möglich sein, die Emissionen um das notwendige Maß zu reduzieren. Zunächst kann man
Stratosphäre Energie sparen und gleichzeitig die Energieeffizienz in allen Bereichen, im Haushalt, im Verkehr
10–50 km
ebenso wie in der Wirtschaft, erhöhen.
-56 °C bis 0 °C
Bei der Stromproduktion muss eine CO2-Reduzierung durch neue Technologien und den Wechsel im Ener-
giemix erreicht werden. Erneuerbare Energien müssen weiter und schnellstmöglich zu einer tragenden Säule
für die Stromproduktion werden. Gleichzeitig braucht es Technologien wie Carbon Capture and Storage (CCS),
Tropopause
in 10 km
die den klimafreundlichen Einsatz fossiler Brennstoffe erlauben, denn noch basieren in Deutschland über
-50 °C 80 Prozent des Primärenergieverbrauchs auf fossilen Energieträgern. Erfreulich ist, dass die CCS-Techno-
logie in Cancún in den Clean Development Mechanism (CDM) aufgenommen wurde, sodass Unternehmen in
Zukunft für CCS-Projekte in Entwicklungs- und Schwellenländern Emissionshandelszertifikate erhalten.
äre
km
!
°C Die jährlichen UN-Klimakonferenzen werden vom Sekretariat der Klimarahmenkonvention der Ver-
einten Nationen (UNFCCC) organisiert. Die UNFCCC hat ihren Sitz in Bonn im Haus Carstanjen, in dem
nach dem Zweiten Weltkrieg der Marshallplan für Westeuropa unterzeichnet wurde. www.unfccc.int
9CO2-Kreislauf
la
ng
w
el
lig
e
CO2
W
är
m
es
INFO
tra
hl
un
g
(In
Das Internet (Computer,
fra
ro
Server usw.) verursacht
t)
ebenso viel CO2 wie der
weltweite Flugverkehr.
CO2
Ein Mittelklassewagen
mit einer jährlichen
CO2
Fahrleistung von 13.000
Kilometern stößt so viel
CO2 aus, wie ein
ausgewachsener Baum
jährlich binden kann.
Meer bindet
CO2
Sedimente speichern
CO2
Zusammensetzung der Atmosphäre Die Formel CO2 – und damit auch das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid, das sich
Reine, trockene Luft in bodennahen Schichten setzt dahinter verbirgt – ist zu einem Schlagwort für die bedrohliche Erderwärmung
sich etwa wie folgt zusammen (in Volumenprozent): und den Klimawandel geworden. Die Ursache: Eine erhöhte CO2-Konzentra-
tion erwärmt die Erdatmosphäre.
Argon 0,934 %
Sauerstoff 20,942 %
Das Klimagas CO2 selbst ist für den natürlichen Treibhauseffekt jedoch unver-
Kohlenstoffdioxid 0,038 % zichtbar. Es absorbiert einen Teil der Wärmeeinstrahlung der Sonne und
Wasserstoff 0,00005 %
sorgt so für lebensfreundliche Temperaturen. Je mehr CO2 in der Atmosphäre
Helium 0,0005 %
Methan 0,00017 % vorhanden ist, desto mehr Wärmestrahlung wird absorbiert und desto
Neon 0,0018 % wärmer wird es.
Lachgas 0,00003 %
Kohlenmonoxid 0,00002 % Die chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff, kurz Kohlen-
Ozon 0,000007 % Stickstoff 78,08 %
(stoff)dioxid oder CO2, ist ein farb- und geruchloses Gas. CO2 ist nicht explosiv,
Xenon 0,0000087 %
brennbar oder giftig. Da Kohlenstoffdioxid schwerer als Luft ist, kann es
Krypton 0,00011 %
Schwefeldioxid 0,000000007 % jedoch in tiefliegenden Senken den Sauerstoff verdrängen.
Stickstoffdioxid 0,00000003 %
Rest 0,003304263 % Es ist aber ebenso ein natürlicher Stoff, der in einer Konzentration von 0,04
Prozent in der Erdatmosphäre vorkommt und Bestandteil des lebenswichtigen
Kohlenstoffkreislaufs ist.
Quellen: Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Nasa Earth Fact SheetMol-Gewicht
von CO2 und Luft:
g
8.96 g
un
Luft = 2
hl
tra
4 g
CO2 = 4
es
m
är
eW
lig
el
w
rz
CO2
ku
Sauerstoff Kohlenstoff Sauerstoff
(O) (C) (O)
CO2
Fotosynthese
CO2 Reflexion
CO2
Erdoberfläche
Moore
Rund 400 Milliarden Tonnen CO2 gelangen jedes Jahr auf natürlichem Wege verrottender Wald
in die Atmosphäre. Auch Lebewesen setzen Kohlenstoffdioxid frei – vier und Pflanzen
CO2
Prozent der Luft, die Menschen ausatmen, besteht aus CO2.
Ein Großteil des natürlich emittierten Kohlenstoffdioxids wird der
Atmosphäre auf natürlichem Weg wieder entzogen. So wird CO2 bei der
Fotosynthese von Pflanzen gebunden. Sie wandeln das Klimagas in
Kohlenstoff um, den sie für ihr Wachstum benötigen, und erzeugen zugleich
Sauerstoff. Wenn die Biomasse verbrennt, verrottet oder wieder von CO2-Speicherung in Biosystemen
Lebewesen aufgenommen wird, gelangt das CO2 schließlich zurück in die
Atmosphäre. Für die Bindung von CO2 spielen nicht zuletzt auch die Obwohl Moore nur drei Prozent der Landfläche ausmachen,
Weltmeere eine wichtige Rolle. ist in ihnen 30 Prozent des an Land gespeicherten Kohlen-
stoffs gebunden. Die effektivsten Speicher sind tropische
Neben diesen natürlichen Emissionen verursachen die Menschen durch Moore, sie binden fast 3170 Tonnen CO2 pro Hektar (ha).
Straßenverkehr, Land-, Forst- und Energiewirtschaft gegenwärtig pro Jahr Tropische Waldböden erreichen nur ein Zehntel der Menge.
etwa 28 Milliarden Tonnen energiebedingtes CO2 zusätzlich. Eine Menge, die In den Mooren der nördlichen Breiten sind 1120 Tonnen je
über Fotosynthese oder natürliche Speicherung nicht vollständig abgebaut Hektar (100 mal 100 Meter) gebunden.
werden kann.
Quelle: abendblatt.de vom 13. 11. 2006
www.abendblatt.de/daten/2006/11/13/638694.htmlCCS im Überblick 1 Anlieferung
der Kohle
vor der Verbrennung
CCS steht für Carbon Capture and Storage (CO2-Abscheidung (Pre-Combustion, IGCC)
und -Speicherung) und ist die Bezeichnung eines aus drei
Schritten bestehenden Prozesses, um das CO2, das bei der
Verbrennung kohlenstoffhaltiger Materialien, wie z. B. Kohle,
Gas, aber auch Biomasse, im Kraftwerk entsteht, abzuscheiden,
zu transportieren und zu speichern. nach der Verbrennung
(Post-Combustion) oder Oxyfuel
saline Aquifere
1 Abscheidung
Unter Abscheidung versteht man das Auffangen von CO2,
das bislang beim Verbrennungsprozess vom Kraftwerk in die
Atmosphäre entweicht. Dafür gibt es drei unterschiedliche
Methoden, die derzeit parallel zueinander erforscht werden:
die Abscheidung vor, nach und während der Verbrennung.
2 Transport
Nach dem Auffangen muss das abgeschiedene CO2 zu einer
Speicherstätte transportiert werden.
3 Speicherung
Das dritte Glied der Prozesskette ist die Speicherung des CO2
im Untergrund. Dieser Prozessschritt ist von entscheidender
Bedeutung, denn nur wenn das Gas nicht wieder in die Atmo-
sphäre gelangt, ist dem Klimaschutz gedient.
Auswirkungen auf den Wirkungsgrad Alle drei Me- wurden hier große Fortschritte erzielt. Besonders beim
thoden der Abscheidung verbrauchen ihrerseits Energie, was Post-Combustion-Verfahren (vgl. Seite 15) ist man auf einem
den Wirkungsgrad der Kraftwerke verringert. Nach bisheri- guten Weg, die Wirkungsgradverluste weiter zu reduzieren
gen Erkenntnissen belaufen sich die Wirkungsgradverluste und damit die Energieeffizienz zu erhöhen. Mit den Abschei-
durch die Anwendung der verschiedenen CO2-Abscheidungs- deverfahren können 80 bis 90 Prozent des im Kraftwerks-
verfahren je nach Verfahren auf acht bis zwölf Prozentpunkte; prozess anfallenden CO2 abgeschieden und die CO2-Bilanz
d. h. es wird auch mehr Kohle verbraucht. In den letzten Jahren fossiler Kraftwerke entscheidend verbessert werden.
Fahrplan zur Umsetzung der CCS-Technologie
Definition Wirkungsgrad
Wirkungsgrad = Verhältnis von abgeführter Leistung zu Forschungsprogramme zur CO2-Abscheidung
Pilotanlagen,
zugeführter Leistung oder Verhältnis Nutzen zu Aufwand. Forschung
2000 2010
12via Schiff
Hafen
CO2
2
via Pipeline CO2
Injektion
via Pipeline
CO2
INFO
erschöpfte
CO2 Gas- und Öllager
CO2
Die McKinsey-Studie
CO aus dem Jahr 2009
2
schlüsselt die CO2-Ver-
meidungskosten wie
folgt auf:
Abscheidung:
25–35 €/t CO2
nichtabbaubare 3 Transport:
Kohlevorkommen 4–6 €/t CO2
Speicherung und
Überwachung:
4–12 €/t CO2
Kosten Alle neuen Technologien für eine klimafreundliche Eine aktuelle Studie der Unternehmensberatung McKinsey
Energieerzeugung verursachen zunächst hohe Kosten, unter hat für den CCS-Gesamtprozess für 2030 durchschnittliche
anderem, weil neue Infrastruktur geschaffen werden muss. CO2-Vermeidungskosten von 30–45 Euro je Tonne CO2 er-
Dies betrifft die erneuerbaren Energien ebenso wie die CCS- mittelt. Damit lägen die Kosten für CCS etwa in der Höhe
Technologie. Auf längere Sicht werden sich diese Investitio- des zu erwartenden Preises für CO2-Emissionszertifikate
nen jedoch auszahlen – denn die Folgen und damit die Kosten (s. Glossar) – und der Einsatz von CCS wäre somit wirtschaftlich.
des Klimawandels zu tragen, käme die Menschheit weitaus
teurer zu stehen.
Erste Demonstrationskraftwerke in Europa Marktreife des ersten Kraftwerks
mit CCS-Technologie
2020
13Abscheidung
Es gibt drei verschiedene Verfahren der Abscheidung. Die Methoden unterscheiden
sich nach dem Zeitpunkt der Abscheidung: vor, während oder nach der Verbrennung.
Methode 1 : CO2-Abscheidung vor der Verbrennung (Pre-Combustion)
Einen fossilen Brennstoff kann man vor der Verstromung im lässt sich CO2 relativ leicht abtrennen. Das CO2 wird verdich-
Kraftwerk von CO2 befreien. Dazu wird beispielsweise Kohle tet und so in einen flüssigen Zustand versetzt, der sich beson-
bei über 1000 °C durch die Zufuhr von reinem Sauerstoff zu ders gut zum Transport eignet. Der verbleibende Wasserstoff
einem Synthesegas aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff wird in einer Gasturbine verbrannt, die einen Generator zur
(H2) vergast. Dieses großtechnisch erprobte Verfahren der Fest- Stromerzeugung antreibt. Der Wasserstoff ist aber z. B. auch
stoffvergasung und anschließender Synthesegasverstromung als Kraftstoff für Pkw nutzbar. Die bei der Abtrennung des CO2
heißt Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC). Das und bei der Erzeugung des Wasserstoffs anfallende Wärme
IGCC-Verfahren ohne CO2-Abscheidung wird bereits in einigen wird effektiv in den Gesamtprozess eingebunden.
mit Kohle, Rückstandsöl und Petrolkoks betriebenen Anlagen
in kommerziellem Maßstab betrieben. Die Erzeugung von Sauerstoff für den Vergasungsprozess und
die CO2-Abscheidung schlägt sich unter anderem in einem
Das Kohlenmonoxid im Synthesegas kann mittels Wasser- erhöhten Energieverbrauch nieder. Mit einer energieeffizien-
dampf (H2O) zu CO2 umgewandelt werden, wobei weiterer teren Bereitstellung von Sauerstoff könnte der Gesamtwir-
Wasserstoff entsteht („CO-Shift“). Aus diesem Gasgemisch kungsgrad erhöht werden.
PRE-COMBUSTION I Merkmal: Brennstoff wird vergast, bevor er verfeuert wird.
Kohle
Gasreinigung CO2-
Luft Luftzerlegung Vergasung Stromerzeugung
O2 CO-Shift Abscheidung
CO2
Methode 2 : CO2-Abscheidung während der Verbrennung (Oxyfuel)
Luft besteht zu rund 78 Prozent aus Stickstoff (N2) und zu Das Gemisch muss aktiv abgekühlt werden, dann kon-
21 Prozent aus Sauerstoff (O2). Verbrennt man einen fossilen densiert der Dampf zu Wasser und das CO2 bleibt übrig.
Brennstoff in Luft, entsteht eine große Menge Rauchgas, das Da reiner Sauerstoff normalerweise bei minus 200 °C aus
im Wesentlichen aus Luftstickstoff besteht. Die Menge lässt flüssiger Luft destilliert wird, geht das Oxyfuel-Verfahren
sich deutlich reduzieren, indem der Anteil des Sauerstoffs in mit einem erhöhten Energiebedarf einher. Verfahren zur
der Verbrennungsluft erhöht wird. Das geschieht beim soge- Herstellung von Sauerstoff mit reduziertem Energieauf-
nannten Oxyfuel-Verfahren. „Oxy“ steht für Oxygen (Sauer- wand befinden sich in der Entwicklung und sind zum Teil
stoff), „fuel“ für Brennstoff. bereits im kleinen Maßstab einsatzbereit. Die Verbren-
nung mit reinem Sauerstoff findet heute bereits in Glas-
Verbrennen Kohle, Gas oder Biomasse in einer Atmosphäre und Stahlschmelzöfen Anwendung, in der Stromerzeu-
aus reinem Sauerstoff und zirkulierendem Rauchgas, besteht gung müssen noch Erfahrungen gesammelt werden. Das
das Abgas zum größten Teil aus CO 2 und Wasserdampf. Oxyfuel-Verfahren wird in der Lausitz in einer Pilotanlage
Das CO2 vom Wasserdampf zu trennen, ist denkbar einfach: getestet.
14OXYFUEL I Merkmal: Verbrennung mit reinem Sauerstoff.
Kohle
Rauchgasreinigung H2O-
Luft Luftzerlegung Kessel CO2
O2 Kondensation
CO2 / H2O
Methode 3 : CO2-Abscheidung nach der Verbrennung (Post-Combustion), „Rauchgaswäsche“
Ließe sich nicht einfach das gesamte bei der Verstromung Das beschriebene Verfahren zur Abtrennung von CO2 mit
entstehende Rauchgas auffangen und speichern? Leider ist wässrigen Aminlösungen wird in der chemischen Industrie be
das zu aufwendig: Erstens müsste das gesamte Rauchgas reits häufig angewendet (z. B. zur Minderung des CO2-Gehalts
komprimiert werden, was viel Energie kostete. Zweitens wäre von Erdgas), muss aber noch auf die besonderen Anforde-
das benötigte Volumen für eine unterirdische Speicherung rungen an die CO2-Abtrennung aus dem Rauchgas eines
viel zu groß, und man würde hauptsächlich unschädlichen Großkraftwerks angepasst werden. Derzeit verbraucht die
Stickstoff speichern. Das Rauchgas sollte also besser in seine Wäsche noch einen nennenswerten Anteil (etwa 20 Prozent)
Bestandteile zerlegt und nur das klimawirksame CO2 ge- der Brennstoffenergie für die Regeneration des Waschmit-
speichert werden. Bereits seit Jahrzehnten werden schädli- tels, wodurch der Brennstoffverbrauch für die Strompro-
che Schwefel- und Stickoxidverbindungen abgetrennt. Für die duktion steigt. Eine großtechnische CO2-Wäsche, die jedes
Abscheidung von CO2 könnte die Rauchgasreinigung um eine Jahr etwa 2 Millionen Tonnen CO2-Emissionen aus einem
weitere Reinigungsstufe ergänzt werden. Kohlekraftwerk vermeiden kann, würde etwa so viel Platz in
Anspruch nehmen wie ein Fußballfeld.
Das vorgereinigte Rauchgas wird durch eine wässrige Lösung
geleitet, die Amine enthält. Die Amine binden das CO2 an Ein bereits in Betrieb befindliches modernes, effizientes
sich. Anschließend wird die gesamte Waschflüssigkeit erhitzt, Kraftwerk, das über ausreichend Platz verfügt, lässt sich
wodurch sich das CO2 wieder von den Aminen trennt. Das grundsätzlich mit einer CO2-Waschanlage nachrüsten. Um
abgeschiedene Produktgas besteht ausschließlich aus CO2 möglichst vielen Kraftwerken die Umrüstung auf die klima-
und Wasserdampf und kann nach intensiver Trocknung ver- freundliche Technik wirtschaftlich zu ermöglichen, forscht
dichtet und zum Speicher transportiert werden. Die Wasch- die Wissenschaft an effizienten Gesamtprozessen mit ver-
lösung ist nach Regeneration wieder verwendbar. Neben besserten Waschmitteln und optimierter Abwärmenutzung.
Aminen werden derzeit auch Waschverfahren mit Ammo- In Deutschland werden bereits Pilotanlagen in Kohlekraft-
niak, Aminosäuresalzen und Kalk erprobt. Ziel ist es, die werken in Niederaußem nahe Köln und am Standort Stau-
CO2-Abtrennung mit möglichst niedrigem Energieaufwand dinger in Großkrotzenburg betrieben. Weitere Pilotprojekte
zu realisieren. befinden sich im Bau und in der Planung.
POST-COMBUSTION I Merkmal: Kann – bei ausreichend Platz – bei bestehenden modernen und effizienten Kraft-
werken nachgerüstet werden. Die CO2-Abscheidung ist ein weiterer „Waschgang“ bei der Rauchgasreinigung.
Kohle Konventionelles Rauchgasreinigung CO2-Abscheidung CO2
Luft Dampfkraftwerk
15INFO
Jeder Passagier
verursacht auf einem
Flug von Frankfurt
nach Mallorca und
zurück ca. 700 kg CO2.
Transport
Ellund
Rostock
Emden Schwerin
Hamburg
Bunde
Berlin
Das Pipeline-Leitungsnetz in Frankfurt
Deutschland ist nach Auskunft Hannover (Oder)
des Bundesverbandes Ener- Vreden
gie- und Wasserwirtschaft fast Werne Leipzig
Elten
420.000 Kilometer lang. Dresden
Essen
Auf der Karte rechts sind über-
regionale Erdgasleitungen und Aachen Sayda
Untergrundgasspeicher dar-
gestellt. Frankfurt/M.
Waidhaus
Medelsheim
Nach der Abscheidung am Kraft- Nürnberg
werk muss das CO2 zu seiner Spei- Wildenranna
cherstätte transportiert werden.
Der Transport ist möglich per LKW,
Bahn, Schiff oder über Pipelines.
Diese Transportoptionen unter-
München
scheiden sich jedoch erheblich in
Freiburg
puncto Sicherheit, Wirtschaftlich-
keit und Effizienz.
Trotz des hohen Kapitaleinsatzes
zum Aufbau einer Pipeline-Infra- Untergrundgasspeicher Übergabepunkte
struktur werden Pipelines auf- aus dem Ausland
grund bestehender technischer Quelle: VNG 2008
Erfahrungen sowie ihrer hohen
Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Um fünf Millionen Tonnen CO2 pro Jahr zu transportieren,
Umweltverträglichkeit das Trans- benötigt man:
portmittel der Wahl sein.
1 Pipeline (Durchmesser ca. 0,5 Meter)
Die Pipeline-Technik wird seit Ende
des 19. Jahrhunderts eingesetzt
und hat sich bewährt, egal ob für
Erdgas und Erdöl, Wasser und Bier
oder für Sauerstoff und Wasser- oder 300 Schiffsladungen
stoff. In den USA wird CO2 bereits
seit 30 Jahren mittels Pipelines oder 5.000 Zugladungen
transportiert, und die Erfahrungen
zeigen, dass der Pipeline-Transport oder 250.000 LKW-Ladungen.
sich auch bei CO2 bewährt.
16CO2-Speicherung:
Wie ein Schwamm
Feinporöse Netzwerke durchziehen den Sandstein, der
Verschiedene Speichermechanismen oder auch „Trap-
Wasser und andere Lösungen wie ein Schwamm aufsaugt
ping“-Prozesse (von Englisch trap = Falle) sorgen in den
und nur unter großem Druck wieder freigibt. Gesteinsschichten dafür, dass sich CO2 mit der Zeit
immer stärker ans Gestein bindet. Die geologische
gasundurchlässige Deckgesteinsschicht Speicherung macht nur Sinn, wenn möglichst wenig
(z. B. Ton oder Salz) Vor der Injektion
gespeichertes CO2 wieder in die Atmosphäre gelangt.
Experten des IPCC haben ausgerechnet, dass pro Jahr
maximal 0,01 Prozent des eingespeisten CO2 aus der
Speicherstätte entweichen dürfen, damit auch nach
1000 Jahren noch über 90 Prozent des ursprünglich ge-
speicherten CO2 im Gestein gebunden sind.
Es werden verschiedene Speichermechanismen un-
terschieden:
1. Freie Bindung: CO2-Moleküle und Wassermole-
küle bewegen sich ungebunden in der Gesteins-
schicht. Durch die gasundurchlässige Deckge-
steinsschicht wird ein Aufstieg des CO2 jedoch ver-
hindert. Der Anteil der freien Bindung liegt schon
0,5 mm nach wenigen Jahren bei nur noch rund 20 Prozent.
2. Lösung: Ein Großteil der CO2-Moleküle geht eine
Sandkorn Porenräume im Sandstein enge Bindung mit den Molekülen des salzhaltigen
Wassers ein. Diese Lösung kann mit der Kohlen-
säure in einer Mineralwasserflasche verglichen wer-
Sandkorn eingespeistes CO2 den. Die Bindung zwischen den Elementen bleibt
so lange stabil, bis sich der Druck auf die Lösung
Nach der Injektion
verringert. Da das mit CO 2 gesättigte Wasser
schwerer ist als das ungesättigte Wasser, sinkt das
darin gebundene CO2 nach unten ab.
3. Kapillare Bindung: Das CO2-Wasser-Gemisch wird
durch kapillare Kräfte immobil in den Poren des
Sedimentgesteins im salinen Aquifer gehalten.
Wie ein Schwamm saugt das Gestein die Lösung auf
und gibt sie nur wieder frei, wenn großer Druck auf
das Gestein ausgelöst wird.
4. Mineralisierung: Über viele Jahre hinweg minera-
lisiert ein Teil der Lösung und wird damit selbst zu
festen Ablagerungen im Gestein, wie z. B. Calcit.
Das CO2 ist in diesen Mineralien dauerhaft gebunden.
0,5 mm
Durch diese Trapping-Mechanismen wird das CO2 im
CO2-Wasser- mineralisierte Lösung, Verlauf der Zeit immer fester im Gestein eingeschlossen.
Lösungen z. B. Calcit
17CO2-Speicherung:
Wo wird gespeichert?
Süßwasser-
horizonte
Erdöl-/Erdgas-
CO2-Injektions- CO2-Injektions- bohrung
bohrung bohrung CO2-Injektionsbohrung
gasundurchlässiger
Tonsteinhorizont
800 m
Salzwasser führende
CO2
Schichten
saliner Sandstein
Aquifer
Salz
Sandstein
CO2 CO2
Saline Aquifere: Bei der Speicherung
von CO2 in den Poren tiefer, salzwasser- Kohleflöze
führender Gesteine – sogenannter sali-
ner Aquifere – wird das Kohlenstoff-
dioxid unter tiefen, undurchlässigen
Gesteinsschichten eingespeist. In sol-
chen porösen Ge steinsformationen
wird das CO2 ähnlich wie Wasser in
einem Schwamm aufgenommen. Nach
und nach breitet es sich dort mit fort-
schreitender Injektion aus und löst sich
langfristig im Wasser oder reagiert mit
anderen Stoffen zu festen Mineralpha-
sen, wie z. B. Calzit. Die geologischen Ungenutzte Kohlevorkommen:
Eigenschaften der salinen Aqui fere Kohlevorkommen, die tiefer als 1.500
sind bislang nicht abschließend er- Meter unter der Erdoberfläche liegen, Ausgeförderte Erdölfelder: Schon
forscht, aufgrund ihrer Ausdehnung werden heute nicht mehr abgebaut. heute wird CO2 während der Erdölför-
bieten sie jedoch das weltweit größte Das Kohlenstoffdioxid könnte also in derung in Ölfelder gepumpt (Enhan-
Speicherpotenzial für CO2. Sie stellen die Kohleflöze eingespeist werden und ced-Oil-Recovery-Verfahren [EOR]), um
neben Gaslagerstätten die aussichts- sich in großer Menge fest auf der Ober- die Fördermenge zu erhöhen. Dieses
reichste Option zur sicheren CO2-Spei- fläche der Kohlepartikel anlagern (Ad- Verfahren ist bereits Praxis. Aufgrund
cherung dar. Dafür sprechen jahre- sorption), da Kohle wegen ihrer in- des hohen Aufwands zur Abdichtung
lange internationale Erfahrungen. In ternen Struktur gasförmige Stoffe aus- der Bohrlöcher und der geringen Ka-
Deutschland wird bereits seit 2008 in gezeichnet bindet. Nachteil: Kohle pazitäten der Lagerstätten in Deutsch-
einem Forschungsprojekt im branden- quillt bei der Einspeisung von CO2 auf, land ist das Verfahren hierzulande
burgischen Ketzin CO2 gespeichert. wodurch die Flöze ihre Durchlässigkeit jedoch wenig aussichtsreich.
verlören und weniger CO2 eingebracht
FAZIT: Weltweite Kapazitäten und werden kann. FAZIT: Da nur geringes Speicherpo-
aussichtsreiche Forschungen machen tenzial in Deutschland vorhanden ist,
saline Aquifere zu einer bemerkens- FAZIT: Mittelfristig ist dies keine Option wird diese Option eher nur interna-
werten Option für CO2-Speicherung. für die CO2-Speicherung in Deutschland. tional verfolgt.Aber sicher
Kraftwerk
Erdöl-/Erdgas-
bohrung
CO2-Pipeline
CO2-Injektionsbohrung
Birgt die Speicherung von CO2 Risiken
für Mensch und Umwelt?
gasundurchlässiger Langjährige Erfahrungen aus der Erdgasspeiche-
Tonsteinhorizont
rung zeigen, dass Gase sicher im Untergrund ge-
speichert werden können. Speicherstandorte
Sandstein für CO2 werden nach den gleichen strengen Kri-
terien ausgewählt, die bereits bei der staatli-
chen Zulassung von Erdgasspeichern zur
Anwendung kommen. Dabei gilt: keine Reali-
sierung ohne umfassendes Monitoring, durch
das potenzielle Risiken beobachtet werden.
CO2
Was passiert bei Erdbeben?
Auch die Befürchtung von Leckagen bei
Sandstein einem Erdbeben kann mit der Erfahrung aus
der Erdgasspeicherung relativiert werden.
So sind im Iran – einer der am stärksten erd-
bebengefährdeten Regionen der Welt – seit
Jahrmillionen große Mengen Erdgas in na-
türlichen Speichern sicher verwahrt. Bei Erd-
beben ist die Gefahr von Leckagen minimal,
da sich die Speicher in großer Tiefe befinden.
Darüber hinaus wird in Deutschland die CO2-
Speicherung ausschließlich in nicht erdbeben-
Gaslagerstätten: Kohlenstoffdioxid gefährdeten Regionen erwogen.
kann auch in Erdgasfelder eingeleitet
werden und gleichzeitig dazu beitra-
gen, beim Enhanced-Gas-Recovery- Und wenn CO2 austritt?
Verfahren (EGR) den Förderdruck zu Im unwahrscheinlichen Fall eines Unfalls an einer Pipe-
erhöhen. Gaslagerstätten sind für die line oder Speicherstätte wären die Risiken für Mensch
CO2-Lagerung ideal geeignet, da in die- und Natur deutlich geringer als vielfach angenommen.
sen Reservoirs bereits Millionen Jahre
Würde durch ein Leck an einer Pipeline komprimiertes
Erdgas sicher zurückgehalten wurde.
Allein in Deutschland könnten nach CO2 austreten, entstünde lediglich eine große Menge Trok-
Schätzungen der Bundesanstalt für keneis. Auch gasförmiges CO2 würde an der Oberfläche
Geowissenschaften und Rohstoffe rund schnell verwehen, ohne dass eine Gefahr für die Umwelt be-
2,75 Milliarden Tonnen CO2 in nahezu stünde. Da CO2 schwerer als Luft ist, kann es sich jedoch in
ausgeförderten Feldern gespeichert
einer geografischen Senke sammeln und dort den Sauerstoff
werden. Große Vorteile bietet zudem
die bereits vorhandene Infrastruktur, verdrängen: So entwich beim Brand in einer Lackfabrik in Mön-
die auch zur Durchleitung von CO2 ver- chengladbach am 16. August 2008 CO2 aus einer fehlerhaften Lösch-
wendet werden könnte. Einzig die Ab- anlage und sammelte sich in der Umgebung. Erst durch einen
dichtung der ehemaligen Bohrlöcher ist Großeinsatz der Rettungskräfte und den Einsatz von Hubschraubern
aufwendig und kostenintensiv. konnte das ausgeströmte CO2 verwirbelt und wieder eine normale CO2-Kon-
zentration in der Senke hergestellt werden. Keller der umliegenden Häuser
FAZIT: Bestehende Erfahrungswerte
und aussichtsreiche weitere For- wurden mit großen Gebläsen belüftet. Es wurden 107 Personen verletzt, 19 Per-
schungen machen diese Option auch sonen mussten ins Krankenhaus eingeliefert, drei Personen wiederbelebt werden.
in Deutschland attraktiv.
19CCS weltweit Über CCS wird nicht nur in Deutschland geforscht, sondern weltweit.
In zahlreichen multinationalen, grenzüberschreitenden Projekten
wird die praktische Umsetzbarkeit von CCS erprobt.
Nordamerika
Europa
Asien
Mountaineer
Project
Pazifik
Afrika
Shenhua Group
CCS Plant
Indischer
Südamerika Ozean
Australien
Atlantik
Otway Basin
Die Karte zeigt laufende und abgeschlossene CCS-Projekte.
Einen aktuellen Überblick erhalten Sie auf www.geos.ed.ac.uk/ccsmap
Mountaineer Project, lage mit 20 Megawatt Leistung in Otway Basin Pilot Project, Shenhua Group CCS Plant,
USA West Virginia wurde der „Chilled Australien China
In der weltweit ersten integrierten Ammonia Process“ entwickelt. An der Südostküste Australiens, im Chinas größter Kohleproduzent, die
Anlage mit CO2-Abscheidung und - Hierbei wird das CO2 nach der Ver- Otway Basin, wollen Experten große Shenhua Group, will Anfang 2011 in
Speicherung an einem Steinkoh- brennung mit gekühltem Ammo- Mengen CO2 in ausgeförderte Erd- Ordos (innere Mongolei) das erste
lenkraftwerk sollen jährlich mehr niak aus dem Rauchgas gewaschen. gasfelder pressen. Im Auftrag der großtechnische CCS-Kraftwerk in
als 100.000 Tonnen CO2 abge- Durch Erkundungsbohrungen und Provinzregierung von Victoria und Betrieb nehmen. Mittels Pre-Com-
trennt und über eine Transportlei- seismische Studien konnte nach- der Industrie werden im Rahmen bustion-Verfahrens sollen jährlich
tung direkt vor Ort in tiefliegenden gewiesen werden, dass Mountai- eines umfangreichen Monitoring- 100.000 Tonnen CO2 in salinen
salinen Aquiferen gespeichert wer- neer für die CO2-Speicherung programms Abscheidung, Transport Aquiferen gespeichert werden.
den. Für diese Demonstrationsan geeignet ist. und Speicherung von CO2 erforscht. Zwei weitere Anlagen sind geplant.
Speicherpotenziale weltweit: in Deutschland:
Der IPCC beziffert das technisch nutzbare weltweite Spei- Nach Untersuchungen der Bundesanstalt für Geowissen-
cherpotenzial auf etwa 2.000 Milliarden Tonnen CO2. Op- schaften und Rohstoffe (BGR) bietet vor allem die Nord-
timistische Prognosen gehen gar von 11.000 Milliarden hälfte Deutschlands ausreichend Potenzial zur Speiche-
Tonnen aus. Demgegenüber lag der globale energiebe- rung von CO2. Zum einen, weil dort bereits eine Vielzahl
dingte CO2-Ausstoß laut IPCC 2006 bei ungefähr 28 Milli- von Erdgaslagern erschlossen ist, die zur Speicherung von
arden Tonnen CO2. Das Fraunhofer-Institut (ISI) geht CO2 genutzt werden könnten. Zum anderen liegen dort
davon aus, dass es weltweit für alle CO2-Emissionen in aus- viele saline Aquifere, die ebenfalls als potenzielle Spei-
geförderten Öl- und Gasfeldern sowie in salzwasserfüh- cherstätten in Betracht kommen. Neueste Schätzungen
renden Gesteinsschichten (saline Aquifere) ausreichend der BGR gehen für Deutschland von einer Gesamtspei-
Speicherpotenzial für ca. 80 Jahre gibt. cherkapazität von circa zwölf Milliarden Tonnen CO2 aus.
Das tatsächliche Speicherpotenzial kann erst durch seis-
mische Erkundungen gesichert festgestellt werden.
20Große Potenziale
Wo in Deutschland Kohlenstoffdioxid gespeichert werden kann:
saline Aquifere, Erdgasfelder, Kohleflöze.
Regionen mit Speichermöglichkeiten
Ostsee tiefliegende und Salzwasser führende
Speichergesteine (Aquifere)
Nordsee
zunehmende Mächtigkeit
10 km hohe
der Sedimentgesteine
Kiel Speicherkapazität
9 km
Hamburg 7 km
Schwerin
5 km
NORDDEUTSCHES BECKEN
3 km
geringe
Bremen Berlin 1 km Speicherkapazität
Hannover
Steinkohleflöze
Magdeburg Erdgasfelder
Dresden
Düsseldorf Regionen ohne bedeutende
Speichermöglichkeiten
Erfurt
Speichern aus geologischen
Gründen nicht möglich
HESSISCHE
SENKE Speichergesteine nicht oder in
Mainz zu geringen Tiefen vorhanden
SAAR-NAHE-
BECKEN
Bedeutende CO2-Quellen
Kraftwerke, Hütten- und
Stuttgart Zementwerke, Raffinerien u. a.
München
0,2 20 Mt/a
ALPENVORLAND-BECKEN (Millionen Tonnen pro Jahr)
ALPEN
Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe
CO2-Pilotprojekte in Deutschland:
Forschungsspeicher des GFZ Potsdam in Ketzin nahe lichen Stromerzeugung durch Kohlevergasung. Der Oxidator wird
Berlin. Hier werden seit Juni 2008 bis zu 60.000 Tonnen CO2 bei der Verbrennung nicht wie üblich durch die Verbrennungsluft,
in einem salinen Aquifer in etwa 750 Meter Tiefe gespeichert; sondern durch ein Sauerstoff/Rauchgas-Gemisch bereitgestellt.
das erste Projekt seiner Art auf dem europäischen Festland.
Lausitz: Pilotkraftwerk. Am Standort Schwarze Pumpe in
Oxycoal AC Aachen. Das Forschungsvorhaben an der RWTH der Lausitz wird in einem Pilotkraftwerk erstmals die gesamte
Aachen untersucht im Rahmen der COORETEC-Initiative die Ent- Prozesskette umgesetzt, d. h. Abscheidung, Transport und
wicklung eines Kohleverbrennungsprozesses zur klimafreund- Speicherung von CO2 in geeigneten Gesteinsformationen.
Die BGR geht – aufgeschlüsselt nach Speicheroptionen – von folgenden Speicherkapazitäten in Deutschland aus:
• Ausgeförderte Erdgasfelder: 2,75 Milliarden Tonnen CO2 • Saline Aquifere: 9,3 Milliarden Tonnen CO2
21INFO
CO2 und CCS CO2-Anteil im Mineral-
wasser: 6 Gramm pro Liter
Als Lebensmittelzusatz-
in der Industrie stoff trägt Kohlenstoff-
dioxid die Bezeichnung
E 290.
Der Anteil der Industrieprozesse am CO2-Ausstoß in Deutsch- Im Vergleich zum Ausstoß ist der Einsatz von CO2 als Rohstoff
land liegt bei rund zehn Prozent oder 80 Millionen Tonnen bisher gering: Die gesamte großindustrielle Nutzung beträgt
CO2-Äquivalenten pro Jahr. Insbesondere bei der sehr ener- aktuell weniger als 0,5 Prozent der weltweiten Kohlenstoffdi-
gieintensiven Stahl- und Zementherstellung werden große oxidemissionen. Verwendung findet CO2 etwa als Kohlensäure
Menge CO2 emittiert, die auch dann nicht vermieden werden in Getränken, bei der Gefriertrocknung oder Brandbekämp-
können, wenn Stahl- und Zementwerke ausschließlich mit er- fung, beim Konservieren von abgepackten Lebensmitteln wie
neuerbaren Energie betrieben werden: Das meiste CO2 entsteht Wurst und Käse, als Dünger in Gewächshäusern oder im Show-
während des Fertigungsprozesses. Da hier weitere Energieeffi- business als Trockeneisnebel. Bei diesen Verfahren wird CO2
zienzsteigerungen demnächst ihre physikalischen Grenzen er- jedoch nur temporär gespeichert, da es schließlich wieder frei-
reichen werden, hat die europäische Stahlindustrie begonnen, gesetzt wird und somit in die Atmosphäre gelangt.
millionenschwere Forschungsaufträge zu vergeben, um völlig
neue, CO2-arme Produktionstechnologien zu entwickeln. Nachhaltiger sind sogenannte negative Emissionen, also Ver-
fahren, bei denen CO2 aus der Atmosphäre gezogen wird, z. B.
Erste Forschungsergebnisse zeigen, dass alle neuen Verfahren durch die Bindung von CO2 via Fotosynthese in schnell wach-
mit der CCS-Technologie kombiniert werden müssen, weswe- sender Biomasse. Wird diese Biomasse später in Kraftwerken
gen im Rahmen der Initiative ULCOS in Lothringen die Vor- zur Stromerzeugung genutzt, entsteht kein zusätzliches Koh-
bereitungen zu einem Pilotprojekt mit CO2-Abscheidung an lenstoffdioxid, da der Kreislauf geschlossen ist. Durch CCS kann
einem Stahlwerk und Vor-Ort-Speicherung begonnen haben. dieses CO2 dann dauerhaft unter der Erde gespeichert werden.
RWTH erforscht Synergieeffekte zwischen CCS und Geothermie
Die innovative Idee besteht hierbei insbesondere in der schen Reservoir Verwitterungsreaktionen ablaufen, wel-
ökonomisch vielversprechenden Kombination der CO2- che die Säure zumindest teilweise neutralisieren. Zusam-
Speicherung mit geothermischer Energiegewinnung. (…) men mit Calciumionen kristallisiert dann das Kohlen-
Bei geothermischen Tiefbohrungen ab 1.500 Meter Tiefe dioxid dort unten dauerhaft zu Calcit. Vergleichbare Kalk-
wird ein Wasserkreislauf eingerichtet, der die Wärme des ablagerungen, wenngleich in kleinem Maßstab und durch
Untergrunds über obertägige Wärmetauscher etwa für andere Prozesse hervorgerufen, erfolgen zum Beispiel in
die Heizung von Gebäuden verfügbar macht. Wenn das der Kaffeemaschine. Die Studien werden begleitet von
erkaltete Wasser wieder in die Tiefe gepumpt wird, kann umfangreichen Erhebungen verfügbarer Industriedaten,
es mit CO2 angereichert werden. Da Kohlendioxid in Ver- mit deren Hilfe geeignete Zielstandorte ermittelt werden.
bindung mit Wasser sauer reagiert, werden im unterirdi- Quelle: Pressemitteilung der RWTH Aachen vom 6. Juni 2005 (Auszug)
22CCS und Nachhaltigkeit
Die Verträglichkeit im Sinne einer Generationengerechtigkeit
von Technologien allgemein, aber auch des CCS, muss durch
klare Sicherheitsanforderungen und den Versuch der Mini-
mierung von Risiken sichergestellt werden.
In 80 Jahren sind die Speicher voll. Was dann?
Auch hier gilt: Der wichtigste „Speicher“ für CO2 ist die At-
mosphäre. Und der ist schon voll. Es mehren sich sorgenvolle
Stimmen aus der Wissenschaft, dass die Menschheit die Kli-
maerwärmung nicht auf die zwei Grad beschränken kann, die
noch einigermaßen verträglich sind. Was dann – was, wenn
wir schnurstracks in einen Klima-Notstand hineinlaufen? Das
ist meine erste Frage. Ob und wie viele geologische Speicher
dann für CCS-Techniken zur Verfügung stehen, muss wissen-
Dr. Volker Hauff schaftlich untersucht werden. Natürlich sind die geologischen
Vorsitzender des Rates für Nachhaltige Entwicklung der Bundes- Speicher in der Bundesrepublik im Prinzip begrenzt. CCS-
regierung (April 2001 – Mai 2010) und Bundesminister a. D. Technologie kann daher nur eine Übergangslösung sein. Lang-
fristig brauchen wir eine vollständige Energieversorgung aus
zeitbild WISSEN sprach mit Dr. Volker Hauff über die Her- erneuerbaren Energien. Übergangslösungen schaffen Zeit, um
ausforderungen der zukünftigen Energieversorgung und die das zu erreichen. Ich fordere eine sehr deutliche Ausdehnung
Rolle von CCS. der Energieforschung, um die wissenschaftlichen Grundlagen
zu erarbeiten, damit wir langfristig eine CO2-Kreislaufwirt-
zeitbild WISSEN: Herr Dr. Hauff, als Vorsitzender des Nach- schaft aufbauen können. Denn: Im Hinblick auf Hausmüll und
haltigkeitsrats der Bundesregierung forderten Sie die weitere Schadstoffe ist der Umbau der Wegwerfgesellschaft in Rich-
Verwendung von Kohle zur Energieerzeugung. Ist dies kein Wi- tung auf eine Kreislaufwirtschaft erfolgreich angegangen wor-
derspruch? den. Den gleichen Versuch müssen wir beim Kohlenstoffdioxid
auch machen.
Dr. Hauff: Ich fordere ein völliges Umdenken in der Energiefrage.
Priorität eins sind die Verbesserung der Energieeffizienz und der Bis zur Marktreife von CCS vergehen noch ungefähr zehn
Ausbau der erneuerbaren Energien. Wir müssen aber auch vom Jahre, in denen neue Kraftwerke entstehen werden. Brauchen
Klimakiller Kohle weg und die Kohleverstromung sauber machen. wir einen Zwang zur Nachrüstung bzw. eine Stilllegung alter
Das muss global funktionieren, weil die Kohle in Indien, China, Kraftwerke? Und wer soll die Kosten übernehmen?
den USA und vielen weiteren Ländern unverzichtbar ist. Zwar
kann Deutschland als reiches Land es sich unter Umständen leis- Der Energiemarkt kann den notwendigen Wandel nicht alleine
ten, auf Kohle im Energiemix zu verzichten, aber global ist das schaffen. Er braucht Richtlinien und Marksteine aus der Kli-
keine Option. Globaler Klimaschutz wird meines Erachtens nur mapolitik. Das fängt bei dem Ziel an, bis 2050 den ganz über-
dann erfolgreich sein, wenn wir hier in Deutschland Wege auf- wiegenden Teil unserer heutigen CO2-Emissionen einzu-
zeigen, wie wir aus diesem Widerspruch herauskommen. sparen, und das reicht ganz sicher hin bis zu einer hun-
dertprozentigen Auktionierung der Emissionszertifikate*.
Ist es denn gerecht, wenn wir heute CO2 in den Untergrund Ich glaube, die Nachhaltigkeitspolitik wird hier noch eine
pumpen, auf dem die künftigen Generationen leben müssen? wichtige, auch kreative Rolle spielen und wir werden neue
Formen der Steuerung von Markt und Gesellschaft ent-
Zunächst: Dass wir mit Treibhausgasen die Gletscher ab-
wickeln müssen.
schmelzen und die Lebensräume verändern – das ist ganz
und gar nicht gerecht. Und das ist das ungelöste Problem. Vielen Dank für das Gespräch!
*Siehe Glossar 23Einsatz
im Unterricht
Methodische und didaktische Hinweise stehende Kohlekraftwerke klimafreundlich macht. Das Maga-
zin widmet sich auch den Fragen der Nachhaltigkeit der CCS-
Auf den folgenden Seiten finden Sie Arbeitsblätter, die Sie an Technologie und deren Einsatzmöglichkeit in der Stahl- und
der perforierten Linie heraustrennen und für den Einsatz im Zementindustrie.
Unterricht nutzen können. Sie sind aber ebenso für Ihre per-
sönliche Unterrichtsvorbereitung geeignet. Im Folgenden geben wir Ihnen einige Anregungen zum Einsatz
der Arbeitsblätter in Ihrem Unterricht. Alle Arbeitsblätter kön-
Die Schülerinnen und Schüler können sich in arbeitsteiliger nen unabhängig genutzt werden.
Gruppenarbeit mit je einem Thema beschäftigen. Jede Klein-
gruppe erhält ein Arbeitsblatt mit ihrem Thema und arbeitet Die Arbeitsblätter 1 und 2 eignen sich als Einstieg in die The-
dieses Thema anhand der Informationen auf dem Arbeits- matik, da hier Wissen über die Entstehung von Kohle und über
blatt, der zugehörigen Internetrecherche und weiterer mögli- Kohlenstoffdioxid vermittelt bzw. aufgefrischt wird. Der Lük-
cher Recherchen (entsprechende Kapitel im Physik- oder kentext zum CO2-Molekül auf Arbeitsblatt 3 dient als kleine
Chemieschulbuch, Zeitung etc.) auf. Dabei informieren sich Lernkontrolle. Arbeitsblatt 4 widmet sich der Frage der regio-
die Jugendlichen gleichzeitig zu den einzelnen Themen, sam- nalen und zeitlichen Verfügbarkeit einzelner Energieträger
meln Informationen/Argumente und stellen ihre Position auf. und sieht Internetrecherchen der Schülerinnen und Schüler vor.
Dies kann auch in Form einer Wochenhausaufgabe oder einer Thema von Arbeitsblatt 5 sind die energiebedingten CO2-
Hausarbeit geschehen. Nach der Bearbeitung der Arbeits- Emissionen ausgewählter Regionen. Die Aufgabenstellung ori-
blätter präsentieren sie ihr Thema der ganzen Klasse. Die mo- entiert sich an PISA und zielt auf die richtige Interpretation von
derierende Lehrkraft führt die Klasse am Ende aller Grafiken. Mithilfe von Arbeitsblatt 6 können Sie eines der drei
Präsentationen in eine offene Diskussion, in der die erarbei- Verfahren der CO2-Abscheidung im Chemie- oder Physikun-
teten Pro- und Kontra-Argumente ausgetauscht werden. terricht detailliert und anschaulich vermitteln, während Sie mit
Arbeitsblatt 7 das Verständnis für Abscheidungsverfahren
Die Arbeitsblätter vertiefen mit anschaulichen Beispielen und abprüfen können. Arbeitsblätter 8 und 9 sollen eine Diskus-
zahlreichen Arbeitsaufträgen die in diesem Magazin behan- sion über die Pro- und Kontra-Argumente der CO2-Speiche-
delten Themen und sollen die Schülerinnen und Schüler zur rung im Konkreten bzw. den Umgang mit neuen Technologien
selbstständigen Auseinandersetzung mit den Themenkom- im Allgemeinen anregen. Die journalistischen Aufgabenstel-
plexen Klimawandel, CO2 und CCS-Technologie anregen. lungen ermöglichen allen Schülerinnen und Schüler, sich die
Zudem dienen die Arbeitsblätter der Kontrolle des Erlernten. Argumente aus der Diskussion noch einmal zu vergegenwärti-
gen und eine eigene Meinung zu formulieren. Auf den Ar-
Ausgehend von grundlegenden Informationen über den welt- beitsblättern 10 und 11 werden zwei grundlegende Begriffe
weiten Energiebedarf und den CO2-Kreislauf vertieft das Ma- erläutert, denen Ihre Klasse in vielen Artikeln und Diskussio-
gazin die Thematik zur Technologie der CO2-Abscheidung, nen über Energie und Klimaschutz begegnen. Wie eine sichere
das sogenannte CCS-Verfahren, die bestehende und neu ent- CO2-Speicherung garantiert wird, steht auf Arbeitsblatt 12.
24Sie können auch lesen
