Direct­Air Capture (DAC)

3.3.4.1 Technologiebeschreibung

Direct-Air Capture (DAC) bezeichnet das Filtern von CO2 aus der Umgebungsluft mit einer bei-spielhaft in Abb. 3.63 dargestellten Anlage. Durch DAC kann somit der CO2-Gehalt der Atmosphäre gesenkt werden, was dem Treibhauseffekt, wel-cher für die globale Erwärmung verantwortlich ist, entgegenwirkt. Das gefilterte CO2 kann zu unter-schiedlichen Zwecken genutzt werden. Eine Mög-lichkeit ist die langfristige Speicherung des CO2, um dieses dauerhaft der Atmosphäre zu entzie-hen. In diesem Fall spricht man von „negativen Emissionen“. Die Speicherung des Treibhausga-ses hat das Potenzial, ein wesentlicher Baustein in der Einhaltung des Pariser Klimaabkommens

zu werden (gAMbhir & tAVoni 2019). Denkbare langfristige CO2-Speicher sind geologische Lager-stätten wie tiefe Salzgesteine oder Basalte, in welchen das CO2 mineralisiert und somit sicher und langfristig gespeichert wird (FAsihi et al.

2019). Des Weiteren kann das CO2 für die Her-stellung synthetischer Kraftstoffe oder Kohlen-wasserstoffe für die Kunststoffproduktion genutzt werden. Dabei kommt die Fischer-Tropsch-Syn-these zum Einsatz, durch welche aus dem CO2

und Wasserstoff beispielsweise Benzin, Diesel, Kerosin oder andere Kraftstoffe hergestellt wer-den (liu et al. 2020a). Bei Verbrennung dieser Treibstoffe entstehen zwar lokal wieder Emis-sionen, der gesamte Kohlenstoffkreislauf kann jedoch geschlossen werden, wenn für die Was-serstoffherstellung erneuerbare Energie einge-setzt wird. Insbesondere für schwer zu elektrifizie-rende Verkehrsmittel wie Flugzeuge kann somit eine klimaneutralere und somit umweltfreundli-chere Alternative geschaffen werden. Das gewon-nene CO2 kann auch zur Anreicherung der Luft in Gewächshäusern genutzt werden, in welchen das CO2 durch den Stoffwechsel von den Pflanzen aufgenommen wird und zu einer Düngewirkung führt. Eine weitere Einsatzmöglichkeit des CO2

ist die Enhanced Oil Recovery. Dabei wird CO2 in Erdöllagerstätten gepumpt, um das Erdöl an die Oberfläche zu fördern. Insbesondere in den USA ist dies derzeit eine profitable Einsatzmöglichkeit, da durch Steuervergünstigungen auf die negati-ven Emissionen der Preis des Öls, welches durch Enhanced Oil Recovery in Verbindung mit DAC gewonnen wird, sinkt (MulligAn & lAshoF 2019;

IEA 2020a). Demgegenüber bestehen jedoch Bedenken bezüglich der Sicherheit und der Dau-erhaftigkeit des Speichers, welche noch weiterge-hend untersucht werden müssen (IEA 2015).

Um das CO2 der Umgebungsluft zu entziehen, werden große Mengen Luft durch Ventilatoren in die DAC-Anlage zu einem Sorptionsmittel geleitet.

Derzeit existieren zwei unterschiedliche Verfahren zur Filtrierung von CO2 aus der Luft, das Adsorp-tionsverfahren und das AbsorpAdsorp-tionsverfahren. Bei der Adsorption lagert sich das CO2 an der Ober-fläche eines Feststoffes an, wird also adsorbiert.

Nach einer bestimmten Zeit erreicht der CO2 -Gehalt auf der Oberfläche einen Sättigungszu-stand, sodass die Adsorptionskörper regeneriert werden müssen. Für die Regeneration wird der gesättigte Festkörper mit einem ungesättigten ausgetauscht und anschließend gewaschen, um

das CO2 zu gewinnen (MArtin et al. 2017). Der Prozess läuft somit diskontinuierlich ab. Das Adsorptionsverfahren ist mit vergleichsweise niedrigen Kosten und Energieverbrauch verbun-den und wird im Gegensatz zum Absorptionsver-fahren ohne fossile Brennstoffe betrieben.

Für das Absorptionsverfahren werden zwei mit-einander verbundene Kreisläufe – der Laugen-Kreislauf und der Calcium-Laugen-Kreislauf – eingesetzt, sodass das CO2 erst chemisch gebunden und daraufhin gewonnen wird. Das Verfahren basiert auf der Absorption des CO2 in einer wässrigen basischen Lösung, meist Kalilauge. Die basische Lösung wird dabei in einem Laugen-Kreislauf (links in Abb. 3.64) kontinuierlich zu- und abge-führt. Das in der Lauge gelöste CO2 reagiert mit der Kalilauge zu Kaliumkarbonat, welches zur Regeneration zu einer Reaktionseinheit geführt wird, die die Schnittstelle zwischen den beiden Kreisläufen darstellt. In dieser wird der Kohlenstoff in Form von Calciumcarbonat gefällt, welches in den Calcium-Kreislauf (rechts in Abb. 3.64) über-geht, während die entstehende Kalilauge zurück zur Absorptionseinheit geleitet wird. Das Calcium-carbonat wird im nächsten Schritt geglüht, um CO2 zu gewinnen, welches dann abgeschieden

werden kann. In diesem Schritt wird meist Erdgas zur Wärmeerzeugung eingesetzt, was für einen großen Teil des Energieaufwands des Prozesses verantwortlich ist. Das bei der Verbrennung frei-gesetzte CO2 kann jedoch durch die DAC-Anlage abgeschieden werden, sodass keine zusätzlichen Emissionen entstehen. Es bestehen Bestrebun-gen, diesen Prozessschritt in Zukunft zu elek-trifizieren, um nicht von fossilen Brennstoffen abhängig zu sein. Um den zweiten Kreislauf zu schließen wird das bei dem Glühen entstehende Calciumoxid zu Calciumhydroxid hydratisiert (Keith et al. 2018). Im Gegensatz zum konven-tionellen Adsorptionsverfahren handelt es sich bei dem Absorptionsverfahren somit um ein kon-tinuierliches Verfahren. Auch ist dieses Verfahren besser skalierbar und die Empfindlichkeit gegen-über Luftverunreinigungen ist geringer.

dittMeyer et al. (2019) entwickelten ein Kon-zept zur dezentralen Nutzung von DAC. Dieses zielt darauf ab, bestehende Belüftungssysteme von größeren Gebäuden für DAC zu nutzen. Bei-spielsweise könnten die Klimaanlagen urbaner Hochhäuser genutzt werden, um CO2 aus der Luft zu filtern. Durch dieses Konzept könnte ein Teil der benötigten Ressourcen und Energie ein-Abb. 3.63: Direct-Air Capture Anlage (Quelle: Climeworks)

gespart werden, da entsprechende Belüftungs-systeme ohnehin existieren und betrieben wer-den. Nachteilig gegenüber einer großindustriellen DAC-Anlage ist jedoch die niedrig skalierte Sorpti-ons- und Regenerationseinheit.

Neben DAC zählt auch Carbon Capture and Storage (CCS) zu den Technologien für nega-tive Emissionen. Bei CCS wird das CO2 nicht der Umgebungsluft, sondern Punktquellen wie den Abgasen von Kraftwerken entnommen und anschließend gespeichert. Da in diesen Abgasen

die CO2-Konzentration deutlich höher ist als in der Atmosphäre, ist der Energieaufwand gegenüber DAC niedriger. Jedoch wird durch CCS ledig-lich der Treibhausgasausstoß von Kraftwerken gesenkt, während der CO2-Gehalt der Atmosphäre nicht beeinflusst wird. Der Einfluss von DAC auf die Klimaerwärmung ist daher unmittelbarer. Eine genauere Betrachtung der Zukunftstechnologie CCS erfolgt in Kapitel 3.3.6. Ein Beispiel für die Umsetzung von negativen Emissionen durch die Speicherung von CO2 in Gestein wird in Abb. 3.65 gezeigt.

3.3.4.2 Rohstoffinhalt

Der Materialbedarf für eine DAC Anlage nach dem Absorptionsverfahren mit der Kapazität von 1 Mt CO2 pro Jahr entstammt dem Basisszenario von Jonge et al. (2019). Kompression, Transport und Speicherung des CO2 sind dabei nicht mit inbegriffen, sondern nur die DAC-Anlage selbst zur Filterung des CO2 aus der Umgebungsluft.

Der Rohstoffbedarf wird in Tab. 3.57 gezeigt. Der Rohstoffgehalt von DAC-Anlagen, welche nach dem Adsorptionsverfahren funktionieren, kann derzeit nicht ermittelt werden, da sich die Entwick-lung dieser Technologie in einem frühen Stadium befindet. Durch die schwierigere Skalierbarkeit sowie den diskontinuierlichen Prozess, welcher eine hohe Anzahl an Adsorptionskörpern bedingt, wird der Rohstoffbedarf für das Adsorptionsver-Luft Einlass

KOH CaCO3

Ca(OH)2

CaO CO2

K2CO3

Luft Auslass

CO2 + 2KOH H2O + K2CO3

2KOH + CaCO3

K2CO3 + Ca(OH)2

CaCO3

CaO + CO2

CaO + H2O Ca(OH)2

Abb. 3.64: Chemische Prozessführung der beiden Kreisläufe des Absorptionsverfahrens für Direct-Air Capture (Quelle: Eigene Darstellung nach K^eith et al. 2018)

Abb. 3.65: Dauerhafte Speicherung von CO2

durch Mineralisierung in geeig-neter geologischer Lagerstätte (Quelle: Carbfix, Foto von Sandra O. Snaebjornsdottir)

fahren eher höher als der in Tab. 3.57 dargestellte Rohstoffbedarf des Absorptionsverfahren einge-schätzt.

3.3.4.3 Foresight industrielle Nutzung

Derzeit sind weltweit 15 DAC-Anlagen im Ein-satz, welche gemeinsam jährlich 9.000 t CO2 aus der Atmosphäre filtern (IEA 2020a). In Deutsch-land sind bisher weder Unternehmen noch For-schungseinrichtungen direkt an der Entwicklung von DAC beteiligt, obwohl entsprechendes Know-how vorhanden ist (ViebAhn et al. 2019). Im Fol-genden werden in Kürze relevante internationale DAC-Unternehmen vorgestellt. Neben dem Ver-kauf von CO2 ist ein häufiges Geschäftsmodell der genannten Unternehmen, negative Emissio-nen an andere Unternehmen oder PrivatpersoEmissio-nen zu verkaufen, sodass diese ihre Kohlenstoffbilanz verbessern können.

– Carbon Engineering (CE) ist ein kanadisches Unternehmen, welches auf das Hochtempe-ratur Absorptionsverfahren setzt. Seit 2015 betreibt CE eine DAC-Testanlage, welche 1 t CO2 pro Jahr absorbiert (Keith et al. 2018).

Derzeit ist eine kommerzielle DAC-Anlage mit einer Kapazität von einer Million t CO2 pro Jahr in Planung, welche ab 2021 gebaut wer-den soll. Das gewonnene CO2 soll in Zusam-menarbeit mit Occidental Petroleum für die Enhanced Oil Recovery verwendet werden (cArbon engineering 2019).

– Climeworks ist ein schweizerisches Unter-nehmen, das 2019 mit dem niederländischen DAC-Unternehmen Antecy fusionierte. Im Gegensatz zu Carbon Engineering nutzt Climeworks das Adsorptionsverfahren in DAC-Anlagen, von denen derzeit zwei betrieben werden. Die in der Schweiz betrie-bene Anlage mit einer Kapazität von 900 t CO2 pro Jahr ist für den Verkauf des CO2

für die Getränkeproduktion oder Gewächs-häuser ausgelegt. Die zweite Anlage steht wegen der niedrigen Energiekosten in Island und ist auf eine Kapazität von 50 t CO2 pro Jahr ausgelegt. Es wird die Abwärme einer Geothermieanlage zur Energieversorgung genutzt, um die Gesamteffizienz zu steigern.

Das CO2 wird durch Mineralisierung dauerhaft im Boden gespeichert, sodass dort negative Emissionen erzeugt werden (geoengineering

Monitor 2018).

– Global Thermostat ist ein US-amerikanisches Unternehmen und setzt wie Climeworks auf das Adsorptionsverfahren. In einer Testanlage in Kalifornien werden 730 t CO2 pro Jahr aus der Atmosphäre gefiltert (ViebAhn et al. 2019).

In Zusammenarbeit mit Siemens Energy und der Porsche AG soll in Chile eine Anlage zur synthetischen Kraftstoffproduktion entstehen, welche CO2 aus der Umgebungsluft und elek-trolytisch produziertes H2 verwendet und mit Windenergie betrieben wird (FiAlKA 2021).

– Weitere, jedoch kleinere DAC-Unternehmen sind Skytree und Infinitree.

Ein derzeitiges Hemmnis für ein größeres Wachs-tum von DAC sind die hohen Kosten, welche aus dem hohen Energieverbrauch und dem frühen Entwicklungsstadium der Technologie resultieren.

Die derzeit geschätzten Kosten variieren je nach Quelle stark und werden von den nAtionAl AcA

-deMies oF sciences, engineering, And Medicine

(2019) mit 199 – 357 USD/t CO2 für das Absorp-tionsverfahren und mit 88 – 228 USD/t CO2 für das Adsorptionsverfahren angegeben. Nach Schät-zungen von FAsihi et al. (2019) könnten die Kos-ten bis 2040 durch den erwarteKos-ten Markthochlauf und technologische Weiterentwicklungen auf ca.

56 USD/t CO2 (50 €/t CO2) sinken.

Ein weiteres Hemmnis für den Ausbau von DAC sind die Umweltauswirkungen durch die verwen-Tab. 3.57: Materialbedarf von DAC-Anlagen

nach dem Absorptionsverfahren mit einer Kapazität von 1 Mt CO2 /a (Quelle: IEA 2020b)

Material Einheit Materialbedarf Absorption

Edelstahl t 32

Stahl (niedriglegiert) t 5.000

Beton m³ 117.000

PVC t 14.000

Polypropylen t 15

Glasfaserverstärk-tes Polyurethan t 70

deten Materialien, das Errichten und Installieren der Anlage sowie den benötigten Betriebsmitteln.

Insbesondere der Stromverbrauch kann durch die Stromerzeugung mit hohen Emissionen ver-bunden sein. deutz & bArdoW (2020) kommen zu dem Schluss, dass dennoch bereits heute DAC-Anlagen bei Beachtung der gesamten Wert-schöpfungskette negative Emissionen erzeugen können. Betrachtet werden dabei zwei Anlagen, welche in der Schweiz bzw. in Island betrieben werden. Es wird festgestellt, dass die tatsäch-lichen Nettoemissionen stark von der Energie-erzeugung und Energieeffizienz abhängig sind, sodass DAC an vielen Standorten, abhängig vom regionalen Strommix, derzeit keinen Beitrag zur Klimaneutralität leisten kann, sondern im Gegen-teil sogar für Treibhausgasemissionen verantwort-lich ist.

Nach dem Sustainable Development Szenario der IEA werden bis 2030 9,67 Mt CO2 pro Jahr durch DAC der Atmosphäre entzogen. Bei kontinuierli-chem Anstieg des Wachstums der Kapazität von DAC werden im Jahr 2040 ca. 34 Mt CO2 pro Jahr durch DAC gefiltert. In diesem Fall beträgt der Kapazitätszuwachs von DAC im Jahr 2040 etwa 3,04 Mt CO2.

3.3.4.4 Foresight Rohstoffbedarf

Da sich DAC derzeit noch in einer frühen Ent-wicklungsphase befindet und es nur einige Test-anlagen gibt, ist der derzeitige Rohstoffbedarf für DAC gegenüber der globalen Rohstoffförderung nicht relevant. Durch eine ansteigende Nutzung von DAC kann sich dies in Zukunft jedoch ändern.

Das in Kapitel 3.3.4.2 beschriebene Szenario zur Kapazität von DAC und der beschriebene

Roh-stoffinhalt von DAC-Anlagen wird zur Berech-nung des kumulierten Materialaufwands bis 2040 genutzt. Da der spezifische Rohstoffbedarf für das Adsorptionsverfahren bisher in der Literatur nicht veröffentlicht ist, wird in dem Szenario davon aus-gegangen, dass der gesamte Kapazitätszuwachs von DAC durch das Absorptionsverfahren gedeckt wird. Tatsächlich ist jedoch mit einem parallelen Ausbau beider Technologievarianten zu rechnen.

Die Lebensdauer von DAC-Anlagen wird je nach Quelle mit 20 – 50 Jahren angegeben (FAsihi et al.

2019), sodass bis 2040 mit keinem rohstoffrele-vanten Austausch bestehender DAC-Anlagen zu rechnen ist. Der geschätzte Rohstoffbedarf für DAC bis 2040 wird in Tab. 3.58 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass lediglich ein geringer Anteil der derzeitigen Rohstahlproduktion voraussichtlich für die Produktion von DAC-Anlagen bis 2040 benö-tigt wird. Daher ist mit keinem signifikanten Ein-fluss der Zukunftstechnologie DAC auf den Roh-stoffmarkt zu rechnen.

3.3.4.5 Recycling, Ressourcen­

effizienz und Substitution

Die in DAC verwendeten Stähle sind nach Ende der Lebenszeit der Anlage vollständig recycel-bar, sodass die Rohstoffe dem Metallkreislauf nicht entzogen werden. Mit einer Substitution des Stahls, welcher für die tragende Struktur der DAC-Anlage eingesetzt wird, ist nicht zu rechnen, da es sich bei Eisen um ein günstiges und das am meisten genutzte Metall handelt. Daher bedingen weder die Materialkosten noch die Rohstoffverfüg-barkeit eine Substitution. Die Ressourceneffizienz lässt sich gegebenenfalls durch größer skalierte Anlagen und besseres technisches Know-how in Zukunft noch steigern.

Tab. 3.58: Globale Produktion (BGR 2021) und ermittelter Rohstoffbedarf für DAC-Anlagen nach dem Absorptionsverfahren in t

Rohstoff Produktion 2018 Bedarf 2018 Bedarfsvorschau 2040

Edelstahl – 97

Stahl (niedriglegiert) 1.820.366.000 – 15.220

Beton – 356.159

PVC – 42.617

Polypropylen – 46

GFK – 213

Im Dokument Rohstoffe für (Seite 186-191)