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Negative Emissionen: Technologien für die Klimaneutralität

Um die Erderwärmung zu begrenzen, muss die Welt klimaneutral werden. Dafür wird es nötig sein, Milliarden Tonnen CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen und zu speichern. Wir erklären die wichtigsten Technologien und Methoden für dieses monumentale Projekt.

Die wichtigsten Fakten auf einen Blick:

  • für 1,5-Grad-Ziel CO2 nicht nur zu vermeiden – sondern auch aus Atmosphäre zu holen
  • CO2 lässt sich technisch, mit Pflanzen oder Mineralien aus Luft filtern
  • nach Auffangen ist CO2 dauerhaft zu speichern
  • alle Verfahren mit Risiken und gewaltige Ressourcen nötig
  • negative Emissionen nur als letztes Mittel gedacht

Was sind negative Emissionen?

Negative Emissionen sind ausgestoßene Treibhausgase, die wieder aus der Erdatmosphäre entfernt werden. In Frage kommen natürliche Methoden wie Aufforstung oder technische Verfahren wie das Abscheiden aus der Luft mit Hilfe von Lösungsmitteln. Damit negative Emissionen zur Klimaneutralität beitragen, muss das CO2 für möglichst lange Zeit gespeichert werden.

Ob CO2-Staubsauger, Düngen von Meeresalgen oder Kohlenstoff-Brösel für Äcker: Viele Technologien für das Entfernen von Kohlendioxid (CO2) aus der Luft erscheinen fantastisch. Dabei sind einige von ihnen längst Bestandteil wissenschaftlicher Zukunftspfade. Der Weltklimarat IPCC rechnet damit, dass im Laufe des 21. Jahrhunderts 100 bis 1.000 Milliarden Tonnen CO2 aus der Luft und aus Abgasen abgeschieden und gespeichert werden müssen. Forscher*innen sprechen von Carbon Dioxide Removal (CDR). Im Deutschen lautet das Stichwort „negative Emissionen“. Zum Vergleich: Derzeit gelangen pro Jahr weltweit knapp 40 Milliarden Tonnen CO2 aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe in die Atmosphäre .

Ist CO2-neutral gleich klimaneutral?

Nein. Für die Klimaneutralität sind negative Emissionen wichtig. Sie sollen langfristig den kaum zu vermeidenden Restausstoß von Treibhausgasen kompensieren, um netto auf null Emissionen zu kommen. Laut IPCC muss die Welt spätestens bis 2050 sämtliche Kohlendioxid-Emissionen ausgleichen und CO2-Neutralität erreichen, damit das 1,5-Grad-Ziel eingehalten werden kann. Um zusätzlich zu CO2 sämtliche Treibhausgase zu kompensieren (zum Beispiel Methan oder Lachgas aus der Landwirtschaft), hat die Welt etwas mehr Zeit. Bis 2067 muss die Klimaneutralität beziehungsweise Treibhausgas-Neutralität gelingen.

Technologien für negative Emissionen

Doch mit welchen Methoden soll das gasförmige CO2 wieder eingefangen werden? Dafür werden verschiedene Optionen diskutiert. Die meisten davon sind noch im Forschungs- oder Erprobungsstadium.

DAC(CS): die CO2-Staubsauger

Kohlendioxid auf technischem Weg direkt aus der Luft zu filtern, ist die Idee hinter Direct Air Capture (DAC). Wird das CO2 anschließend als Gas unterirdisch gespeichert, spricht man von Direct Air Carbon Capture and Storage (DACCS). Für die Abscheidung werden Lösungsmittel eingesetzt. Das Verfahren ähnelt der Technologie Carbon Capture and Storage (CCS), die sich für die CO2-Emissionen von Kraftwerken oder Industrieanlagen nutzen lässt. CCS spielt auch in vielen Szenarien des Weltklimarats eine Rolle. Für die unterirdischen Speicher muss allerdings gesichert sein, dass das CO2 sicher eingeschlossen bleibt.

Hellisheidi Power Plant in Island: Luftaufnahme der Industrieanlage mit viel Wasserdampf, umgeben von Grün und Bergen.(c) www.carbfix.com / Arni Saeberg

Jedes DAC-Modul des Schweizer Unternehmens Climeworks kann pro Jahr etwa 50 Tonnen Kohlendioxid aus der Luft filtern. Erste Anlagen stehen bereits, die bekannteste davon in Island. Dort wird das CO2 in Wasser gelöst. Der Kohlenstoff lagert sich dann als Karbonat innerhalb kurzer Zeit in festem Zustand an Basaltgestein an. Eine andere Möglichkeit ist es, den Kohlenstoff für die Produktion von synthetischen Kraftstoffen oder in der chemischen Industrie zu nutzen. Bei der Verbrennung oder Entsorgung gelangt allerdings erneut CO2 in die Atmosphäre.

  • Vorteil: geringer Flächenbedarf
  • Nachteile: hoher Energieaufwand, geologische Speicher

BECCS: die Pflanzenkraftwerke

Das BECCS-Verfahren gehört zum Standardrepertoire in den Szenarien des Weltklimarats. Das Kürzel steht für Bioenergie mit CCS. Pflanzen werden in Biomasse-Kraftwerken in Energie umgewandelt. Das entstehende CO2 wird abgeschieden und in tiefen Gesteinsschichten gespeichert. In England hat der Kraftwerksbetreiber Drax 2018 damit begonnen, CO2 aus einem Biomasse-Kraftwerk zu filtern.

Vier Verantwortliche mit neongelben Jacken und weißen Schutzhelmen an der Drax-BECCS-Anlage in England.(c) www.drax.com

Um genug Biomasse zu gewinnen, sind allerdings riesige Anbauflächen nötig. Diese stünden dann nicht für andere Zwecke wie die Lebensmittel-Landwirtschaft zur Verfügung. Intensive Anbaumethoden könnten außerdem in großem Maßstab Böden schädigen.

  • Vorteil: erzeugt Energie
  • Nachteile: hoher Flächenbedarf, Schädigung von Böden, geologische Speicher

Biokohle: der Bodenfreund

Pflanzenreste oder Klärschlamm lassen sich zu Biokohle verarbeiten – durch Pyrolyse oder Hydrothermale Carbonisierung. In fester Form kann der Kohlenstoff Böden beigemischt werden und die Bodeneigenschaften verbessern. Nach einigen Jahrzehnten sind die Böden allerdings gesättigt, und je nach Umständen wird der Kohlenstoff nur für einige Jahrzehnte oder Jahrhunderte gebunden.

Die CO2-Speicherfähigkeit von Böden lässt sich auch durch andere Verfahren verbessern. Humus ist ein natürlicher Kohlenstoffspeicher, der sich gezielt aufbauen lässt. Eine bodenverträgliche Methode ist die pfluglose Landwirtschaft. Dabei werden Äcker für das Säen nur leicht aufgebrochen.

  • Vorteile: bessere Bodeneigenschaften, geringer Energiebedarf
  • Nachteile: begrenzte Biomasse-Verfügbarkeit, begrenzte Speicherdauer

Aufforsten: natürlicher Weg mit hohem Flächenbedarf

Bäume sind natürliche Kohlenstoffspeicher. Deshalb ist Aufforstung ein fester Bestandteil vieler Szenarien des Weltklimarats. In großem Maßstab angewandt wäre allerdings laut IPCC der Platzbedarf noch höher als bei der BECCS-Technologie. Auch der Wasserbedarf könnte zum Problem werden. Großflächiges Aufforsten ist außerdem nicht für alle Regionen geeignet. Denn die Bäume könnten das Sonnenlicht nur schwach reflektieren und die Oberfläche sich deshalb stärker erwärmen.

Zum Video: Darum kann Aufforstung die Klimakrise nicht lösen.

Wie andere Biomasse-Verfahren hat das Aufforsten einen weiteren Nachteil gegenüber der geologischen Speicherung in großer Tiefe: Irgendwann wird das in den Pflanzen gebundene CO2 wieder freigesetzt. Das Wachstum der Bäume dauert zudem Jahrzehnte.

  • Vorteile: geringe Kosten, kaum Energiebedarf
  • Nachteile: sehr hoher Flächenbedarf, begrenzte Speicherdauer

 

Algendüngung: die Tiefsee als CO2-Speicher

In einigen Ozeanen wie dem Südpolarmeer fehlen Algen zum Wachsen Eisen oder andere Nährstoffe. Durch Eisendüngung oder die Zugabe von Stickstoff und Phosphor erhoffen sich Forscher*innen eine stärkere Verbreitung. Wenn die abgestorbene Biomasse in die Tiefsee oder auf den Meeresgrund sinkt, speichert sie CO2 deutlich länger als Bäume. Laut IPCC können es mehrere Tausend Jahre sein.

Für die Meere wäre das weiträumige Algenwachstum allerdings ein deutlicher Eingriff. Es drohen Sauerstoffarmut und das Sterben von Meereslebewesen. Bisher gibt es nur erste Versuche. Nach einer Studie der Universität Hawaii von 2005 könnten zudem Tausende Schiffe nötig sein, um mehrmals pro Jahr Nährstoffe in die Meere zu leiten.

  • Vorteil: lange Speicherdauer
  • Nachteile: hoher Bedarf an Ressourcen und Energie, unklare Auswirkungen auf die Meere

Gesteinspulver: Kohlenstoff für Böden und Schutz für Korallen

Das Verwittern von Gestein ist ein natürlicher Prozess, bei dem CO2 gebunden wird. Enhanced Weathering beschleunigt das Verwittern, indem Mineralien mit technischer Hilfe zermahlen werden. Das Pulver lässt sich auf Böden verstreuen oder ins Meer einbringen. In den Ozeanen haben die alkalischen Mineralien den zusätzlichen Effekt, dass sie die Versauerung der Meere ausgleichen. Dadurch kann das Wasser wieder mehr Kohlendioxid speichern. Das könnte vor allem säureempfindlichen Korallen helfen, die wegen der Ozeanversauerung absterben.

Das Zermahlen des Gesteins ist ein energieintensiver Vorgang, bei dem auch Feinstaub entsteht. Zumindest teilweise könnten Meereswellen das Zerkleinern übernehmen – wenn vorzerkleinerte Gesteinsbröckchen an Küsten ausgebracht werden. Mit den Mineralien gelangen allerdings auch Schwermetalle wie Nickel und Chrom schneller in die Umwelt. Außerdem verändern die Mineralien laut IPCC neben dem pH-Wert auch den Wasserhaushalt von Böden und chemische Abläufe in den Meeren.

  • Vorteil: Schutz von säureanfälligen Korallenriffen
  • Nachteile: hoher Energiebedarf, Emission von Feinstaub und Schwermetallen, unklare geochemische Folgen

„CO2-neutral“: Klimaschutz oder Marketing?

Die immer stärkere Forderung nach CO2-Neutralität hat dafür gesorgt, dass das Wort immer häufiger und für alles Mögliche verwendet wird. Ist es deswegen inzwischen vor allem ein Marketing-Begriff ohne nachhaltige Wirkung?

Für Flugreisen wird schon lange angeboten, das entstehende CO2 zu kompensieren, indem in Entwicklungsländern zum Beispiel Bäume gepflanzt werden. Viele große Firmen erklären seit einiger Zeit, CO2-neutral wirtschaften zu wollen. Dabei wird der Begriff jedoch anders verwendet als in der Klimawissenschaft.

Negative Emissionen sind von Klimawissenschaftler*innen als letztes Mittel gedacht – wenn sich Treibhausgase technisch gar nicht, nur zu extrem hohen Kosten oder nur mit extremen Eingriffen in unsere Lebensweise vermeiden lassen. Um Treibhausgase von Flügen zu vermeiden, gibt es mehrere Möglichkeiten, die vorher angewendet werden sollten:

  • synthetische Kraftstoffe tanken, die mit Ökostrom hergestellt wurden
  • Flughöhen meiden, in denen sich der Treibhauseffekt der Emissionen erhöht
  • effizientere Flugzeuge entwickeln
  • auf digitale Kommunikation statt Geschäftsreisen setzen
  • seltener oder gar nicht in den Urlaub fliegen

Welche Emissionen unvermeidbar sind und welche durch negative Emissionen ausgeglichen werden sollen, ist letztlich eine gesellschaftliche Entscheidung. Auch die verschiedenen Methoden zum Entfernen von CO2 aus der Atmosphäre haben allerdings ihre Nachteile und Grenzen – und bedeuten allesamt einen immensen technischen und finanziellen Aufwand.