Waschmaschinen für das Klima

Gelänge es, Kohlendioxid in großem Stil aus der Atmosphäre zu filtern, könnte der Klimawandel eventuell gebremst werden. Verschiedene Techniken dazu sind inzwischen entwickelt, doch politisches Handeln können sie nicht ersetzen.

Einmal im Jahr treffen sich in Thun im Berner Oberland Schweizer Unternehmerinnen und Unternehmer, um sich einen Tag lang Vorträge zum Thema Klimawandel anzuhören. Hinter den Veranstaltern stehen potente Sponsoren, und so lässt man sich bei der Auswahl der Referentinnen und Referenten nicht lumpen. Der britische Ökonom Sir Nicholas Stern war schon da, auch der dänische Provokateur Bjørn Lomborg, und Al Gore sprach per Videoschaltung. Zum Klimaforum im November 2010 war Muhammad Yunus geladen, der Friedensnobelpreisträger aus Bangladesch – und zwei junge Maschinenbauingenieure von der ETH Zürich. Jan André Wurzbacher und Christoph Gebald stellten ihre Ende 2009 gegründete Firma Climeworks GmbH vor. Deren Spezialität: CO2 aus der Luft filtern. Die beiden Züricher versprachen viel: Klimaschutz unter Beibehaltung der bestehenden technischen Infrastrukturen zu moderaten Kosten. "Wir wollen nicht auf Ferien in Südamerika verzichten", sagt Gebald, "und stattdessen an der Berner Aare entlangradeln, nur um das Klima zu schonen."

Derzeit hat die Atmosphäre einen CO2-Gehalt von 391 ppm (parts per million) – mehr als anderthalb Mal so viel wie zu Beginn der Industrialisierung. Klimaforscher wie James Hansen von der NASA sehen die kritische Grenze bereits bei 350 ppm. Der CO2-Gehalt der Atmosphäre muss also, wenn Hansen recht hat, schon jetzt deutlich gesenkt werden.

Es gibt durchaus Möglichkeiten, den Kohlendioxidgehalt auf natürliche Weise zu verringern. Zum einen durch Aufforstung, denn Bäume entnehmen der Atmosphäre Kohlendioxid. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, dafür zu sorgen, dass sich mehr Humus bildet, denn dieser speichert ebenfalls Kohlenstoff. Doch heute wird weltweit mehr Wald gerodet als aufgeforstet, und Erosion vernichtet mehr Humus, als sich neu aufbauen kann. Das Gleichgewicht zwischen CO2-Produktion und -Verbrauch gerät dadurch zunehmend aus der Balance. Bleibt also die Möglichkeit, das Gas technisch aus der Luft zu holen. Der britische Milliardär und Abenteurer Richard Branson hat 2007 einen Preis von 25 Millionen Dollar ausgeschrieben für die beste Technik zur Entfernung von CO2 aus der Luft. Ansätze dazu gibt es bereits – einer davon ist derjenige, den Wurzbacher und Gebald in Thun präsentierten.

Ein Vierteljahr später an einem grauen Spätwintermorgen im Maschinenlabor der ETH Zürich: Hier, am Lehrstuhl für erneuerbare Energien von Professor Aldo Steinfeld, haben Wurzbacher und Gebald den Prototyp ihrer CO2-Filteranlage ent- wickelt – ein unscheinbares Kästchen, an das Gasschläuche und Messsonden angeschlossen sind.

Beim Kaffee aus dem Pappbecher wirkt Wurzbacher, Geschäftsführer des Fünfpersonenbetriebs, nüchterner als im Glamour des Thuner Kongresszentrums. Im Moment gehe es darum, den Prototyp zu kommerzieller Reife weiterzuentwickeln, erzählt er. Anfang 2012 soll eine erste Pilotanlage getestet werden. Man strebe an, so Wurzbacher, dass diese jährlich so viel Kohlendioxid aus der Luft filtere wie eine Person mit durchschnittlichem mitteleuropäischen Lebensstil verursache. Eine nette Idee: Mit einer Climeworks-Anlage im Garten ließe sich der eigene CO2-Fußabdruck neutralisieren. Ein solches Gerät wäre allerdings drei Meter hoch und benötigte eine Grundfläche von fünf bis zehn Quadratmetern – es würde also eng im Vorgarten.

Die Anlage der Züricher fängt das Gas mit Filtern ein, die mit einem CO2-bindenden Adsorptionsmittel beschichtet sind. Ist das Mittel gesättigt, wird das Kohlendioxid wieder gelöst, und das Adsorptionsmaterial kann für den nächsten Zyklus verwendet werden. Um welche Materialien und welche chemischen Vorgänge es sich genau handelt, ist Geschäftsgeheimnis – die Patentverfahren laufen noch.

Das Prinzip ist jedenfalls nicht neu – ähnliche Anlagen werden schon seit Langem eingesetzt, um die Luft in U-Booten zu regenerieren. Aber sie benötigen sehr viel Energie, um das CO2 wieder aus dem Sorptionsmittel auszutreiben. Das Entscheidende ist daher, effizientere Verfahren zu entwickeln. Weltweit arbeiten derzeit vier Forschungsteams daran: Neben Wurzbacher und Gebald die Gruppe um David Keith von der University of Calgary, die New Yorker Firma Global Thermostat und Klaus Lackner von der New Yorker Columbia University. Alle Verfahren folgen dem gleichen Grundgedanken: Das Kohlendioxid aus der Luft zunächst an ein Sorptionsmittel zu binden, es in einem zweiten Schritt wieder zu lösen und schließlich zu speichern. Sie unterscheiden sich aber durch den Aufbau und die Art der verwendeten Träger- und Sorptionsmaterialien. Lackner etwa arbeitet mit CO3-Ionen, Keith mit einer Natriumhydroxidlösung, Global Thermostat verwendet – wie die Schweizer – ein festes Adsorptionsmittel.

Und in noch einem weiteren Punkt unterscheiden sich die Ansätze der CO2-Wäscher: Möchte Wurzbacher lieber nicht von der Rettung der Welt sprechen, zielt Lackner auf das ganz Große. Er glaubt, dass sich der Kohlendioxidgehalt in naher Zukunft um 5 ppm pro Jahr senken lasse. Zehn Millionen "Luftwäscher" seines Typs wären dazu nötig, die zusammen 36 Gigatonnen CO2 pro Jahr abscheiden; Lackner rechnet großzügig damit, dass sich die Effizienz der Anlagen "innerhalb weniger Gerätegenerationen" verzehnfachen ließe. Allerdings, schränkt er ein, müssten die finanziellen Rahmenbedingungen stimmen. Will heißen: Die Politik muss dafür sorgen, dass für das Emittieren von CO2 ausreichend hohe Preise gezahlt werden müssen.

Ob die CO2-Wäsche wirklich eine scharfe Waffe im Kampf gegen den Klimawandel ist, wird von Experten allerdings bezweifelt. Eine Anfang Mai vorgestellte Studie der American Physical Society kommt zum Schluss, dass die CO2-Wäsche aus der Luft "in den nächsten Dekaden eine sehr begrenzte Rolle unter den CO2-Minderungsstrategien" spielen werde. Der zentrale Grund: Es sei nur etwa ein Siebtel so teuer, das Kohlendioxid direkt an der Quelle abzufangen, also etwa aus dem Abgas von Gas- und Kohlekraftwerken, als aus der Luft. Dort ist das Klimagas 300-mal stärker konzentriert, die CO2-Wäsche kann also effizienter arbeiten. Und verschiedene Abscheidetechniken für Kraftwerke sind bereits weit gediehen.

In der Tat offenbart ein Blick in die Energiebilanz Zweifel am Sinn und Zweck der atmosphärischen CO2-Wäsche. Lackners Methode etwa verbraucht seinen Angaben zufolge 300 Kilowattstunden Strom pro Tonne CO2. Zum Vergleich: Beim deutschen Strommix wurden nach Angaben des Umweltbundesamtes 2010 für jede erzeugte Kilowattstunde 563 Gramm Kohlendioxid frei. Knapp 170 Kilo CO2 würde also schon dabei entstehen, den Strom zu erzeugen, um eine Tonne des Treibhausgases wieder aus der Atmosphäre zu entfernen – mithin ein Wirkungsgradverlust von 17 Prozent. In Ländern, in denen bei der Strom- erzeugung mehr CO2 pro Kilowattstunde anfällt, ist die Bilanz entsprechend schlechter.

Betrachtet man allein die benötigte Energiemenge, ist das Züricher Verfahren auf den ersten Blick sogar noch deutlich weniger effizient: Zurzeit braucht es rund 2000 kWh pro Tonne CO2. Diesen Wert hofft Wurzbacher noch auf 1500 kWh senken zu können. Doch der Vergleich der reinen Kilowattzahlen ist irreführend. Ein entscheidender Vorteil der Schweizer Methode ist es nämlich, dass Kohlendioxid schon bei Tempe-raturen von unter hundert Grad aus den Adsorptionsspeichern ausgetrieben werden kann. 95 Prozent des Energiebedarfs können deshalb aus sogenannter Niedertemperaturwärme gedeckt werden. Diese ist als Abwärme vielerorts quasi gratis vorhanden oder kann günstig aus Sonnenwärme gewonnen werden. Nur fünf Prozent der Energie müssen elektrisch bereitgestellt werden. Damit sieht die Energiebilanz schon wieder ganz anders aus.

Aber wohin mit dem CO2, wenn man es erst aus der Luft gefiltert hat? Grundsätzlich sind zwei Optionen möglich: Es kann dauerhaft aus der Atmosphäre entfernt werden und so die Erderwärmung bremsen – oder es kann als Roh- oder Treibstoff wiederverwendet werden, wodurch es letztlich zwar doch wieder in der Luft landet, aber zuvor immerhin als umweltfreundlicher Ersatz für fossiles Erdöl dienen kann. In beiden Fällen, argumentieren die Befürworter, habe das Ausfiltern aus der Atmosphäre einen entscheidenden Vorteil gegenüber der CO2-Wäsche direkt am Kraftwerksschlot: Die Waschmaschinen können genau dort gebaut werden, wo das entstehende CO2 verwendet oder endgelagert wird. So spart man sich Pipelines oder Lastwagen, die das Kohlendioxid quer durch das Land transportieren.

Zahlreiche universitäre und kommerzielle Forschungsteams arbeiten bereits daran, Kohlendioxid in unterirdischen Lagerstätten dauerhaft zu entsorgen (Carbon Capture and Storage, CCS). Ob das je in großem Stil gelingen wird, steht noch in den Sternen (siehe TR 8/2010). Es wären auf jeden Fall riesige Lager nötig: Ein Liter Erdöl verbrennt zu rund drei Kilogramm CO2, das – verflüssigt – auch rund dreimal so viel Platz braucht wie das Öl. Ungelöst sind auch Fragen der Sicherheit. Erst kürzlich entzündete sich eine Debatte um mögliche CO2-Austritte aus einem Versuchslager in der kanadischen Provinz Saskatchewan.

Lackner hat eine andere Lösung im Blick: Ihm schwebt vor, das Treibhausgas mit häufig vorkommenden Mineralien zu ungiftigen Karbonaten reagieren zu lassen – etwa zu Magnesit (Mg[CO3]). Genau daran arbeitet Marco Mazzotti, Professor für Verfahrenstechnik und ein Nachbar Wurzbachers und Gebalds am Maschinenlabor der ETH Zürich. Statt einer Tonne CO2 fallen dabei allerdings vier Tonnen Magnesit an. Außerdem muss Energie aufgewendet werden, um die Reaktion zu beschleunigen und die Materialien zu transportieren.

Wurzbacher sieht die Zukunft seines Unternehmens deshalb eher in dem bereits existierenden CO2-Markt, also in der Wiederverwendung des Gases. Anfang 2013 sollen Tests neben einem Gewächshaus in der Nähe Zürichs erfolgen.

Gewächshausbetreiber können das abgeschiedene CO2 gut brauchen: Sie reichern damit die Luft in den Treibhäusern an, um das Pflanzenwachstum zu beschleunigen. Auch die Lebensmittelindustrie verwendet Kohlendioxid, etwa zur Säuerung von Mineralwasser. Und Bayer hat im Februar eine Pilotanlage eröffnet, die Kohlendioxid als Rohstoff für die Kunststoffproduktion benutzt. Sechs Millionen Tonnen CO2 pro Jahr werden europaweit gehandelt, das meiste davon stammt aus der Ammoniakproduktion, wo das Gas in reiner Form anfällt. Eine Tonne kostet gegenwärtig zwischen 100 und 200 Euro. Der Preis hängt von der Distanz des Lieferanten zum Kunden ab, denn der Transport des verflüssigten Gases in Druckbehältern ist teuer. Genau da sehen Wurzbacher und seine Mitstreiter ihre Chance, indem sie die Anlagen direkt beim Kunden aufstellen. Mit dem Marktpreis, ist Wurzbacher überzeugt, werde man mithalten können.

Langfristig hat er jedoch ein anderes Ziel im Fokus: die Produktion klimaneutraler Treibstoffe. Kohlenstoff ist nämlich ein äußerst vielseitiges chemisches Element. Die große Energiedifferenz, die zwischen Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen einerseits und Kohlendioxid andererseits besteht, machen sich nahezu alle Lebewesen der Erde mit ihren Stoffwechseln zunutze. CO2 ist quasi eine leere Batterie.

In der Photosynthese laden die Pflanzen sie auf, indem sie sechs CO2-Moleküle zu einem Zuckermolekül zusammenbauen. Wird dieser vom Stoffwechsel eines Lebewesens verbrannt, entlädt sich die Batterie – und es entsteht wieder CO2. Gelingt es, diesen Prozess zu kopieren, kann man klimaneutralen Treibstoff herstellen – sofern die Energie, die der Prozess verbraucht, ihrerseits klimaneutral gewonnen wird. Das ist interessant für Betreiber von Solaranlagen: Photovoltaisch produzierter Strom oder konzentrierte Sonnenwärme könnten genutzt werden, um aus CO2 und Wasser Kohlenwasserstoffe zu synthetisieren. Dabei geht zwar ein Teil der Energie verloren, aber dafür lässt sich der flüssige Treibstoff im Gegensatz zu Strom oder Wärme leicht transportieren, speichern und in bestehenden Infrastrukturen nutzen. Die Energie von einer Woche Sonnenschein auf einen Quadratmeter, sagt Wurzbacher, ließe sich in einem Liter Treibstoff speichern.

Climeworks ist im Gespräch mit Sunfire, einem Spezialisten für synthetische Treibstoffe, der bis 2019 eine entsprechende Raffinerie aufzubauen plant. Auch der Lehrstuhl von Wurzbachers Professor Steinfeld hat ein Verfahren entwickelt, um in einem Solarreaktor aus konzentriertem CO2 und Wasser Synthesegas zu gewinnen, eine Vorstufe synthetischen Treibstoffs. Auf solche Weise produzierter Sprit wäre weitgehend klimaneutral. Ob er indes tatsächlich zur Senkung der Emissionen beitrüge, ist eine andere, nämlich ökonomische Frage: Sämtliche Szenarien aller Energieagenturen sagen weltweit einen rapiden Anstieg der Nachfrage nach flüssigen Treibstoffen voraus – während das Angebot aus fossilen Quellen kaum noch gesteigert werden kann. In dieser Situation begrenzt das Angebot die Nachfrage – über den steigenden Preis. Bringt man nun Ersatzstoffe auf den Markt, so ersetzen die nicht wirklich etwas. Sie verhindern allenfalls, dass sich die Preisspirale immer weiter nach oben schraubt. Das synthetische Gas würde in dieser Marktsituation einfach zusätzlich verbrannt – es sei denn, die Politik ergreift Maßnahmen, um die fossilen Energieträger aktiv vom Markt fernzuhalten.

Die Technik wird politisches Handeln also nicht völlig ersetzen können. Und vielleicht kommen wir nicht umhin, uns des Reizes eines Spaziergangs am Fluss entlang in der eigenen Stadt doch noch bewusst zu werden. Eine Stippvisite ins Weltall, wie sie Richard Branson schon bald verkaufen will, dürfte selbst dann ökologisch unverantwortlich bleiben, wenn Bransons Preisgeld einen würdigen Abnehmer findet. (bsc)