Guinguette Marais Poitevin

Damit Kohlenstoff künstlich gebunden werden kann (d.h. ohne die natürlichen Prozesse des Kohlenstoffkreislaufs zu nutzen), muss er zunächst eingefangen werden, oder es muss deutlich verzögert oder verhindert werden, dass er aus einem vorhandenen kohlenstoffreichen Material wieder in die Atmosphäre freigesetzt wird (durch Verbrennung, Zerfall, etc.), indem er in eine dauerhafte Nutzung (z.B. im Bauwesen) eingebaut wird. Danach kann es passiv gelagert oder über die Zeit auf verschiedene Weise produktiv genutzt werden.

Zum Beispiel kann Holz (als kohlenstoffreiches Material) nach der Ernte sofort verbrannt oder anderweitig als Brennstoff verwendet werden, wodurch der Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre gelangt, oder es kann in Konstruktionen oder eine Reihe anderer langlebiger Produkte eingebaut werden, wodurch der Kohlenstoff über Jahre oder sogar Jahrhunderte gebunden wird.

Ein sehr sorgfältig entworfenes und langlebiges, energieeffizientes und energieaufnehmendes Gebäude hat das Potenzial, (in seinen kohlenstoffreichen Baumaterialien) so viel oder mehr Kohlenstoff zu binden, als durch die Beschaffung und den Einbau aller Materialien freigesetzt wurde und als durch die „Energieimporte“ der Gebäudefunktionen während der (möglicherweise mehrere Jahrhunderte dauernden) Existenz des Gebäudes freigesetzt wird. Ein solches Gebäude könnte als „kohlenstoffneutral“ oder sogar „kohlenstoffnegativ“ bezeichnet werden. Es wird geschätzt, dass der Bau und der Betrieb von Gebäuden (Stromverbrauch, Heizung usw.) fast die Hälfte der jährlichen, vom Menschen verursachten Kohlenstoffzufuhr in die Atmosphäre ausmachen.

Erdgasreinigungsanlagen müssen oft bereits Kohlendioxid entfernen, entweder um zu verhindern, dass Trockeneis die Gastanker verstopft, oder um zu verhindern, dass die Kohlendioxidkonzentration die im Erdgasverteilungsnetz zulässigen 3 % überschreitet.

Darüber hinaus ist eine der wahrscheinlichsten frühen Anwendungen der Kohlendioxidabscheidung die Abscheidung von Kohlendioxid aus den Rauchgasen von Kraftwerken (im Falle von Kohle wird diese Verringerung der Kohleverschmutzung manchmal als „saubere Kohle“ bezeichnet). Ein typisches neues 1000-MW-Kohlekraftwerk produziert jährlich etwa 6 Millionen Tonnen Kohlendioxid. Das Hinzufügen der Kohlendioxidabscheidung zu bestehenden Anlagen kann die Kosten für die Energieerzeugung erheblich erhöhen; abgesehen von den Kosten für die Abgasreinigung erfordert ein 1000-MW-Kohlekraftwerk die Lagerung von etwa 50 Millionen Barrel (7.900.000 m3) Kohlendioxid pro Jahr. Allerdings ist die Wäsche relativ erschwinglich, wenn sie zu neuen Anlagen hinzugefügt wird, die auf der Kohlevergasungstechnologie basieren. Hier wird geschätzt, dass sie die Energiekosten für Haushalte in den USA, die nur kohlebefeuerte Stromquellen nutzen, von 10 Cent pro kW-h auf 12 Cent erhöhen würde.

GebäudeEdit

Mjøstårnet, eines der höchsten Holzgebäude, bei seiner Eröffnung 2019

Ein internationales Team von interdisziplinären Wissenschaftlern hat in einer Studie 2020 festgestellt, hat der breite Einsatz von Massivholz und die Substitution von Stahl und Beton bei neuen mittelhohen Bauprojekten in den nächsten Jahrzehnten das Potenzial, Holzgebäude zu einer globalen Kohlenstoffsenke zu machen, da sie das Kohlendioxid speichern, das von den Bäumen, die geerntet und als Ingenieurholzbau verwendet werden, aus der Luft aufgenommen wird. In Anbetracht des demografischen Bedarfs an neuen städtischen Gebäuden für die nächsten dreißig Jahre analysierte das Team vier Szenarien für den Übergang zum Neubau von mittleren Gebäuden in Massivholzbauweise. Unter der Annahme „business as usual“ würden bis 2050 weltweit nur 0,5 % der Neubauten mit Holz gebaut werden (Szenario 1). Dies könnte auf 10 % (Szenario 2) oder 50 % (Szenario 3) hochgeschraubt werden, wenn die Herstellung von Massenholz zunehmen würde, da eine Materialrevolution, die Zement und Stahl im Städtebau durch Holz ersetzt, entsprechend ansteigt. Würden schließlich auch Länder mit derzeit niedrigem Industrialisierungsgrad, z.B. Afrika, Ozeanien und Teile Asiens, den Übergang zu Holz (einschließlich Bambus) vollziehen, dann sind sogar 90% Holz bis 2050 (Szenario 4) denkbar. Dadurch könnten zwischen 10 Millionen Tonnen Kohlenstoff pro Jahr im niedrigsten Szenario und fast 700 Millionen Tonnen im höchsten Szenario gespeichert werden. Die Studie ergab, dass dieses Potenzial unter zwei Bedingungen realisiert werden könnte. Erstens müssten die geernteten Wälder nachhaltig bewirtschaftet, verwaltet und genutzt werden. Zweitens müsste das Holz aus abgerissenen Holzgebäuden wiederverwendet oder in verschiedenen Formen an Land konserviert werden.

KohlenstoffabscheidungBearbeiten

Zurzeit wird die Abscheidung von Kohlendioxid in großem Maßstab durch Absorption von Kohlendioxid an verschiedenen Lösungsmitteln auf Aminbasis durchgeführt. Andere Techniken werden derzeit untersucht, wie z.B. Druckwechseladsorption, Temperaturwechseladsorption, Gastrennmembranen, Kryotechnik und Rauchgasabscheidung.

In Kohlekraftwerken sind die Hauptalternativen zur Nachrüstung von aminbasierten Absorbern in bestehenden Kraftwerken zwei neue Technologien: Kohlevergasung und Oxy-Fuel-Verbrennung. Bei der Vergasung entsteht zunächst ein „Synthesegas“, das hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht und verbrannt wird, wobei das Kohlendioxid aus dem Rauchgas gefiltert wird. Bei der Oxyfuel-Verbrennung wird die Kohle anstelle von Luft mit Sauerstoff verbrannt, wobei nur Kohlendioxid und Wasserdampf entstehen, die relativ leicht abgetrennt werden können. Ein Teil der Verbrennungsprodukte muss in die Brennkammer zurückgeführt werden, entweder vor oder nach der Abtrennung, da sonst die Temperaturen für die Turbine zu hoch wären.

Eine weitere langfristige Option ist die Kohlenstoffabscheidung direkt aus der Luft mit Hilfe von Hydroxiden. Die Luft würde buchstäblich von ihrem CO2-Gehalt gereinigt werden. Diese Idee bietet eine Alternative zu kohlenstofffreien Kraftstoffen für den Transportsektor.

Beispiele für die Kohlenstoffbindung in Kohlekraftwerken sind die Umwandlung von Kohlenstoff aus Schornsteinen in Backpulver und die Kohlenstoffbindung durch Algen, bei der die Lagerung umgangen wird, indem Algen in Kraftstoff oder Futtermittel umgewandelt werden.

Ozeane

Eine andere vorgeschlagene Form der Kohlenstoffbindung im Ozean ist die direkte Injektion. Bei dieser Methode wird Kohlendioxid direkt in das Wasser in der Tiefe gepumpt, und es wird erwartet, dass sich am Grund „Seen“ aus flüssigem CO2 bilden. Experimente, die in mittleren bis tiefen Gewässern (350-3.600 Meter) durchgeführt wurden, zeigen, dass das flüssige CO2 zu festen CO2-Clathrathydraten reagiert, die sich allmählich im umgebenden Wasser auflösen.

Auch diese Methode hat potenziell gefährliche Umweltfolgen. Das Kohlendioxid reagiert zwar mit dem Wasser zu Kohlensäure, H2CO3; der größte Teil (bis zu 99 %) bleibt jedoch als gelöstes molekulares CO2 zurück. Das Gleichgewicht würde unter den Hochdruckbedingungen in der Tiefsee zweifellos ganz anders aussehen. Wenn außerdem bakterielle Methanogene, die Kohlendioxid abbauen, in der Tiefsee auf die Kohlendioxid-Senken treffen, könnte der Methan-Gehalt ansteigen, was zur Bildung eines noch schlimmeren Treibhausgases führen würde.Die sich daraus ergebenden Umweltauswirkungen auf benthische Lebensformen der bathypelagischen, abyssopelagischen und hadopelagischen Zonen sind unbekannt. Auch wenn das Leben in den tiefen Ozeanbecken eher spärlich zu sein scheint, könnten die energetischen und chemischen Auswirkungen in diesen tiefen Becken weitreichende Folgen haben. Hier ist noch viel Arbeit nötig, um das Ausmaß der potenziellen Probleme zu definieren.

Die Speicherung von Kohlenstoff in oder unter den Ozeanen ist möglicherweise nicht mit dem Übereinkommen zur Verhütung der Meeresverschmutzung durch das Einbringen von Abfällen und anderen Stoffen vereinbar.

Eine weitere Methode zur langfristigen Speicherung im Ozean besteht darin, Ernterückstände wie Maisstängel oder überschüssiges Heu zu großen, gewichteten Ballen aus Biomasse zusammenzufassen und in den Schwemmfächern des tiefen Ozeanbeckens zu deponieren. Das Ablegen dieser Rückstände in Schwemmfächern würde dazu führen, dass die Rückstände schnell im Schlick des Meeresbodens begraben werden und die Biomasse für sehr lange Zeitspannen gebunden wird. Schwemmfächer gibt es in allen Ozeanen und Meeren der Welt, wo Flussdeltas vom Rand des Kontinentalschelfs abfallen, wie zum Beispiel der Mississippi-Schwemmfächer im Golf von Mexiko und der Nil-Schwemmfächer im Mittelmeer. Ein Nachteil wäre jedoch eine Zunahme des aeroben Bakterienwachstums durch die Einführung von Biomasse, was zu mehr Konkurrenz um die Sauerstoffressourcen in der Tiefsee führen würde, ähnlich wie in der Sauerstoffminimumzone.

Geologische Sequestrierung

Bei der Methode der Geo-Sequestrierung oder geologischen Speicherung wird Kohlendioxid direkt in unterirdische geologische Formationen injiziert. Abnehmende Ölfelder, salzhaltige Aquifere und nicht abbaubare Kohleflöze wurden als Speicherstätten vorgeschlagen. Kavernen und alte Bergwerke, die üblicherweise für die Speicherung von Erdgas genutzt werden, werden wegen mangelnder Speichersicherheit nicht in Betracht gezogen.

CO2 wird seit mehr als 40 Jahren in abnehmende Ölfelder injiziert, um die Ölförderung zu erhöhen. Diese Option ist attraktiv, weil die Lagerkosten durch den Verkauf des zusätzlich gewonnenen Öls ausgeglichen werden. Typischerweise ist eine zusätzliche Förderung von 10-15 % des ursprünglichen Öls vor Ort möglich. Weitere Vorteile sind die vorhandene Infrastruktur und die geophysikalischen und geologischen Informationen über das Ölfeld, die aus der Ölexploration zur Verfügung stehen. Ein weiterer Vorteil der Injektion von CO2 in Ölfelder ist, dass CO2 in Öl löslich ist. Das Lösen von CO2 in Öl senkt die Viskosität des Öls und verringert seine Grenzflächenspannung, was die Mobilität des Öls erhöht. Alle Ölfelder haben eine geologische Barriere, die eine Aufwärtswanderung des Öls verhindert. Da die meisten Öl- und Gasvorkommen seit Millionen bis Dutzenden von Millionen Jahren bestehen, können erschöpfte Öl- und Gasreservoirs Kohlendioxid für Jahrtausende enthalten. Als mögliche Probleme werden die vielen „Leckage“-Möglichkeiten alter Ölquellen, die Notwendigkeit hoher Injektionsdrücke und die Versauerung genannt, die die geologische Barriere beschädigen kann. Weitere Nachteile alter Ölfelder sind ihre begrenzte geografische Verteilung und Tiefen, die hohe Injektionsdrücke für die Sequestrierung erfordern. Unterhalb einer Tiefe von ca. 1000 m wird Kohlendioxid als überkritisches Fluid verpresst, ein Stoff mit der Dichte einer Flüssigkeit, aber der Viskosität und Diffusionsfähigkeit eines Gases.Nicht abbaubare Kohleflöze können zur CO2-Speicherung genutzt werden, da das CO2 an der Kohleoberfläche absorbiert wird, was eine sichere Langzeitspeicherung gewährleistet. Dabei setzt es Methan frei, das zuvor an der Kohleoberfläche adsorbiert wurde und zurückgewonnen werden kann. Der Verkauf des Methans kann wiederum zum Ausgleich der Kosten für die CO2-Speicherung genutzt werden. Die Freisetzung oder Verbrennung von Methan würde das erzielte Sequestrationsergebnis natürlich zumindest teilweise ausgleichen – es sei denn, das Gas entweicht in nennenswerten Mengen in die Atmosphäre: Methan hat ein höheres Treibhauspotenzial als CO2.

Saline Aquifere enthalten hoch mineralisierte Solen und galten bisher als nutzlos für den Menschen, außer in einigen wenigen Fällen, in denen sie für die Lagerung von chemischen Abfällen genutzt wurden. Zu ihren Vorteilen gehören ein großes potenzielles Speichervolumen und ein relativ häufiges Vorkommen, wodurch die Entfernung, über die CO2 transportiert werden muss, reduziert wird. Der größte Nachteil von salinen Aquiferen ist, dass im Vergleich zu Ölfeldern relativ wenig über sie bekannt ist. Ein weiterer Nachteil von salinen Aquiferen ist, dass mit steigendem Salzgehalt des Wassers weniger CO2 in wässriger Lösung gelöst werden kann. Um die Kosten für die Speicherung akzeptabel zu halten, kann die geophysikalische Erkundung eingeschränkt werden, was zu einer größeren Unsicherheit über die Struktur eines bestimmten Aquifers führt. Anders als bei der Speicherung in Ölfeldern oder Kohleflözen wird kein Nebenprodukt die Kosten der Speicherung ausgleichen. Das Entweichen von CO2 zurück in die Atmosphäre kann bei der Speicherung in Salz-Aquiferen ein Problem darstellen. Aktuelle Forschungen zeigen jedoch, dass mehrere Einschlussmechanismen das CO2 unterirdisch immobilisieren und so das Risiko eines Lecks verringern.

Ein großes Forschungsprojekt, das die geologische Sequestrierung von Kohlendioxid untersucht, wird derzeit auf einem Ölfeld bei Weyburn im Südosten von Saskatchewan durchgeführt. In der Nordsee entzieht die norwegische Equinor-Erdgasplattform Sleipner dem Erdgas mit aminischen Lösungsmitteln Kohlendioxid und entsorgt dieses durch geologische Sequestrierung. Sleipner reduziert den Ausstoß von Kohlendioxid um etwa eine Million Tonnen pro Jahr. Die Kosten für die geologische Sequestrierung sind im Vergleich zu den Gesamtbetriebskosten gering. Seit April 2005 erwägt BP einen Versuch zur groß angelegten Sequestrierung von Kohlendioxid, das aus Kraftwerksemissionen im Miller-Ölfeld abgeschieden wird, wenn seine Reserven erschöpft sind.

Im Oktober 2007 erhielt das Bureau of Economic Geology an der University of Texas in Austin einen 10-Jahres- und 38-Millionen-Dollar-Untervertrag, um das erste intensiv überwachte, langfristige Projekt in den USA durchzuführen, das die Machbarkeit der Injektion einer großen Menge CO2 für die unterirdische Speicherung untersucht. Das Projekt ist ein Forschungsprogramm der Southeast Regional Carbon Sequestration Partnership (SECARB), das vom National Energy Technology Laboratory des U.S. Department of Energy (DOE) finanziert wird. Die SECARB-Partnerschaft wird die CO2-Injektionsrate und die Speicherkapazität im geologischen System Tuscaloosa-Woodbine, das sich von Texas bis Florida erstreckt, demonstrieren. Beginnend im Herbst 2007 wird das Projekt eine Million Tonnen CO2 pro Jahr für bis zu 1,5 Jahre in eine Sole bis zu 3.000 m (10.000 Fuß) unter der Landoberfläche in der Nähe des Cranfield-Ölfeldes, etwa 24 km (15 Meilen) östlich von Natchez, Mississippi, injizieren. Experimentelle Ausrüstung wird die Fähigkeit des Untergrundes messen, CO2 aufzunehmen und zurückzuhalten.

Mineralische Sequestrierung

Mineralische Sequestrierung zielt darauf ab, Kohlenstoff in Form von festen Karbonatsalzen einzuschließen. Dieser Prozess läuft in der Natur langsam ab und ist für die Ablagerung und Akkumulation von Kalkstein über geologische Zeiträume verantwortlich. Kohlensäure im Grundwasser reagiert langsam mit komplexen Silikaten, um Kalzium, Magnesium, Alkalien und Kieselsäure aufzulösen und einen Rückstand von Tonmineralen zu hinterlassen. Das gelöste Kalzium und Magnesium reagiert mit Bikarbonat, um Kalzium- und Magnesiumkarbonate auszufällen, ein Prozess, den Organismen zur Herstellung von Schalen nutzen. Wenn die Organismen sterben, werden ihre Schalen als Sediment abgelagert und verwandeln sich schließlich in Kalkstein. Kalksteine haben sich über Milliarden von Jahren geologischer Zeit angesammelt und enthalten einen Großteil des Kohlenstoffs der Erde. Laufende Forschungen zielen darauf ab, ähnliche Reaktionen mit Alkalikarbonaten zu beschleunigen.

Einige Serpentinit-Lagerstätten werden als potenzielle großflächige CO2-Speicher untersucht, wie z.B. in NSW, Australien, wo das erste Pilotanlagenprojekt zur Mineralkarbonisierung läuft. Eine sinnvolle Wiederverwendung von Magnesiumcarbonat aus diesem Prozess könnte Ausgangsmaterial für neue Produkte liefern, die für die gebaute Umwelt und die Landwirtschaft entwickelt werden, ohne dass der Kohlenstoff in die Atmosphäre zurückgeführt wird und somit als Kohlenstoffsenke wirkt.

Eine vorgeschlagene Reaktion ist die des olivinreichen Gesteins Dunit oder seines hydratisierten Äquivalents Serpentinit mit Kohlendioxid, um das Karbonatmineral Magnesit sowie Siliziumdioxid und Eisenoxid (Magnetit) zu bilden.

Die Sequestrierung von Serpentinit wird aufgrund der ungiftigen und stabilen Natur von Magnesiumkarbonat bevorzugt. Die idealen Reaktionen betreffen die Magnesium-Endbestandteile des Olivins (Reaktion 1) oder des Serpentins (Reaktion 2), wobei letzterer aus früherem Olivin durch Hydratation und Verkieselung (Reaktion 3) entstanden ist. Das Vorhandensein von Eisen im Olivin oder Serpentin verringert die Effizienz der Sequestrierung, da die Eisenkomponenten dieser Minerale zu Eisenoxid und Kieselsäure zerfallen (Reaktion 4).

Serpentinit-ReaktionenBearbeiten

Zeolithische ImidazolatgerüsteBearbeiten

Zeolithische Imidazolatgerüste sind eine metallorganische Kohlendioxidsenke, die dazu genutzt werden könnte, industrielle Kohlendioxidemissionen aus der Atmosphäre fernzuhalten.