Wir müssen Carbon Capture, Storage und Usage (CCUS) besser verstehen. Um dies zu tun, betrachtet dieser Artikel 10 Methoden und schätzt ab, wie viel CO2 jede bis 2050 aus der Atmosphäre nehmen wird, sowie die Kosten pro Tonne. In ihrer Liste decken die Autoren, Ella Adlen und Cameron Hepburn von der University of Oxford, den industriellen (z.B. CO2-EOR, Synfuels) bis hin zum biologischen Bereich (z.B. Forstwirtschaft, Kohlenstoffbindung im Boden) ab. Sie sagen, dass es sechs gibt, die schon bald kostenmäßig wettbewerbsfähig und profitabel sein können: CO2-Chemikalien, Betonbaustoffe, CO2- EOR, Forstwirtschaft, Bodenkohlenstoff-Sequestrierung, Biokohle. Vier sind es (noch?!) nicht: CO2-Kraftstoffe, Mikroalgen, Bioenergie mit CCS (BECCS), verbesserte Verwitterung. Das ist wichtig, denn je näher sie daran sind, ein profitables Geschäft zu werden, desto eher wird dies geschehen. Die Autoren weisen darauf hin, dass ihre Kosten wahrscheinlich zu hoch angesetzt sind: Die Vorhersage technologischer Durchbrüche in den kommenden Jahrzehnten ist alles andere als einfach. Aber auch bei der Skalierbarkeit, der Dauerhaftigkeit der Abscheidung und der Sauberkeit des zukünftigen Energiemixes, mit dem bestimmte Methoden betrieben werden, gibt es große Unsicherheiten. Diese Unsicherheiten müssen schnell geklärt werden, denn ohne erfolgreichen CCUS wird es keine erfolgreiche Transition geben.

Können wir CO2, das für die globale Erwärmung maßgeblich verantwortliche Abgas, in einen wertvollen Rohstoff verwandeln? Die Frage tauchte erstmals in der Ölkrise der 1970er Jahre auf, als man nach Alternativen zum knappen Öl suchte.

Die Idee ist auf der Welle des zirkulären Wirtschaftsdenkens wieder aufgetaucht, ausgelöst durch Klimasorgen und mit Blick auf Anreize für die CO2-Abscheidung. Doch die Meinungen zur CO2-Nutzung schwanken zwischen Skepsis und Begeisterung.

Mangelhaftes Verständnis bedeutet schlechte Strategie

Ständig entstehen neue Ansätze. Behauptungen wie „CO2 vermieden“, „CO2 entfernt“ oder „CO2-Emissionen reduziert“ sind leicht zu verwechseln, und Unternehmen und Regierungen beginnen, in verschiedene Technologiekandidaten zu investieren, ohne das große Ganze im Blick zu haben.

In einer neuen Nature-Perspektive haben wir uns vorgenommen, genau zu bestimmen, was CO2-Nutzung ist, wie sie mit CO2-Entfernung und Emissionsreduzierung zusammenhängen könnte und ob solche Technologien profitabel oder skalierbar sind.

Als Team repräsentieren wir Ökonomen, Ingenieure, Chemiker, Bodenwissenschaftler und Klimamodellierer – das ganze Spektrum an Ansichten zur Nutzung. Unsere Studie ist die bisher umfassendste zum relativen Umfang und zu den Kosten verschiedener Möglichkeiten der CO2-Nutzung.

Was ist CO2-Nutzung?

Konventionell ist „CO2-Nutzung“ ein industrieller Prozess, der ein wirtschaftlich wertvolles Produkt unter Verwendung von CO2 in Konzentrationen über dem atmosphärischen Niveau herstellt. Dabei wird CO2 entweder durch chemische Reaktionen in Werkstoffe, Chemikalien und Brennstoffe umgewandelt oder direkt in Prozessen wie der Enhanced Oil Recovery eingesetzt.

Diese Definition hat ihre historischen Gründe, ist aber nicht die einzige Art der CO2-Nutzung. Seit langem wird auch darüber nachgedacht, wie man natürlichen Kohlenstoff – also Kohlenstoff, den Pflanzen aus atmosphärischem CO2 herstellen – als Rohstoff für die Herstellung wertvoller Produkte nutzen kann. Und CO2-nutzende Techniken, wie z.B. die Sequestrierung von Kohlenstoff im Boden, können durch ihre Fähigkeit, die Ernteerträge zu steigern, ebenfalls ein wirtschaftliches Produkt erzeugen.

In unserem Papier betrachten wir 10 spezifische Wege der CO2-Nutzung, die sich am besten kategorisieren lassen, wenn man bedenkt, wie leicht der Kohlenstoff durch die Sphären der Erde fließt und wo er am Ende landet, wie in der Abbildung unten dargestellt.

CO2-Speicherung: Offene, geschlossene und zirkulierende

Dies zeigt „offene“ Nutzungspfade (lila Pfeile), die CO2 in undichten natürlichen Systemen speichern, wie z.B. Wäldern, die sehr schnell von einer Senke zu einer Quelle werden können. „Geschlossene“ Nutzungspfade (rot), wie z.B. Baumaterialien, bieten eine nahezu dauerhafte Speicherung von CO2. Und schließlich die „zyklische“ Nutzung (gelb), wie z.B. CO2-basierte Kraftstoffe, die den Kohlenstoff über kurze Zeiträume bewegen.

Klimaschutz + wirtschaftlicher Gewinn

Alle zehn CO2-Nutzungspfade in unserer Abbildung bieten eine Art von wirtschaftlicher Motivation, zusammen mit einem gewissen Grad an Klimaschutzpotenzial.

Die CO2-Nutzung kann auf zwei Arten helfen: die Entfernung und langfristige Speicherung von atmosphärischem CO2 und die Reduzierung der CO2-Emissionen in die Atmosphäre. Potenziell könnte die Nutzung von CO2 zur Herstellung wertvoller Produkte auch einen Teil der Kosten für den Klimaschutz ausgleichen.

Unsere Schätzungen zeigen, dass am oberen Ende über 10 Milliarden Tonnen CO2 (GtCO2) pro Jahr für weniger als 100 Dollar pro Tonne genutzt werden könnten – im Vergleich zu globalen Emissionen von 40 GtCO2.

Der größte Teil dieser Nutzung ist mit der mittel- oder langfristigen Speicherung in offenen und geschlossenen Pfaden verbunden. Es gibt jedoch einige Probleme und Herausforderungen, die überwunden werden müssen, bevor eine so große Nutzung erreicht werden kann.

CO2-Nutzung ist keine Garantie für Klimaschutz

Außerdem, selbst wenn die CO2-Nutzung erfolgreich wäre, bedeutet das nicht unbedingt, dass sie vorteilhaft für das Klima wäre. Wenn sie unüberlegt durchgeführt wird, könnte die CO2-Nutzung – wie auch andere Ansätze, die CO2 entfernen und/oder speichern – überhaupt nicht zum Klimaschutz beitragen.

Zu den möglichen Problemen gehören nicht nur die direkten CO2-Emissionen, sondern auch andere Treibhausgasemissionen, direkte und indirekte Landnutzungsänderungen, Emissionen aus anderen Teilen des Prozesses, Leckagen (wenn die Emissionen anschließend in anderen Teilen des weiteren Systems ansteigen) und unbeständige Verlagerungen (wenn Emissionen nur verzögert und nicht endgültig vermieden werden).

Aufgrund dieser Probleme hängt es von einer Vielzahl von Faktoren ab, ob die Implementierung einer CO2-Nutzungstechnologie klimawirksam ist. Die wichtigsten davon sind:

• Energiequelle: CO2-Nutzungstechnologien können energieintensiv sein. Diese Energie muss erneuerbar sein: entweder direkt von der Sonne oder über erneuerbare Technologien.
• Breiterer Dekarbonisierungskontext: Einige dieser Technologien sind als Minderungsstrategien nur an bestimmten Punkten des globalen Dekarbonisierungsprozesses sinnvoll. Zum Beispiel könnte der Einsatz von Enhanced Oil Recovery zur CO2-Sequestrierung kurzfristig eingesetzt werden, bevor die Energie- und Transportsysteme dekarbonisiert sind.
• Maßstab: Um einen spürbaren Unterschied zu den globalen CO2-Strömen zu machen, müssen die Pfade das Potenzial haben, schnell zu skalieren. Das Zeitfenster für Klimaschutzmaßnahmen ist klein und der Aufbau einer völlig neuen CO2-Nutzungsindustrie in der benötigten Zeit ist eine nicht-triviale Herausforderung.
• Dauerhaftigkeit: Die wirkungsvollsten Technologien werden diejenigen sein, die das atmosphärische CO2 dauerhaft entfernen oder die CO2-Emissionen dauerhaft verdrängen.

Die 10 Wege und ihre Aussichten…

Nachfolgend vergleichen wir das potenzielle Ausmaß und die Kosten der verschiedenen CO2-Nutzungspfade. Insgesamt hat die CO2-Nutzung das Potenzial, in großem Maßstab und zu geringen Kosten zu funktionieren, was bedeutet, dass sie in der Zukunft ein großes Geschäft sein könnte.

Die Größenordnungen für 2050 stammen aus einem Prozess mit strukturierten Schätzungen, Expertenkonsultationen und umfangreichen Scoping-Reviews. Unsere Kostenschätzungen sind Break-Even-Kosten – das heißt, sie berücksichtigen die Einnahmen – und werden als Interquartilsbereiche aus techno-ökonomischen Studien dargestellt, die aus Scoping-Reviews gesammelt wurden. Das bedeutet, dass die Kosten rückwärtsgerichtet sind und wahrscheinlich die Fähigkeit der Pfade, Skaleneffekte zu erzielen, unterschätzen. Negative Kosten bedeuten, dass der Prozess unter heutigen Annahmen profitabel ist.

CO2-Chemikalien

Die Reduktion von CO2 in seine Bestandteile mit Hilfe von Katalysatoren und die Verwendung chemischer Reaktionen zur Herstellung von Produkten wie Methanol, Harnstoff (zur Verwendung als Düngemittel) oder Polymeren (zur Verwendung als langlebige Produkte in Gebäuden oder Autos) könnte 0.3 bis 0,6 GtCO2 pro Jahr im Jahr 2050 nutzen, bei Kosten zwischen -$80 und $300 pro Tonne CO2.

CO2-Kraftstoffe

Die Kombination von Wasserstoff mit CO2 zur Herstellung von Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen, einschließlich Methanol, Synfuels und Syngas, könnte einen riesigen Markt ansprechen – zum Beispiel über die bestehende Verkehrsinfrastruktur -, aber die heutigen Kosten sind hoch. Zusammengenommen könnten CO2-Kraftstoffe im Jahr 2050 1 bis 4,2 GtCO2 pro Jahr nutzen, aber die Kosten liegen bei bis zu 670 $ pro Tonne CO2.

Mikroalgen

Die Nutzung von Mikroalgen zur CO2-Fixierung mit hohem Wirkungsgrad und die anschließende Verarbeitung der Biomasse zu Produkten wie Kraftstoffen und hochwertigen Chemikalien steht seit vielen Jahren im Mittelpunkt der Forschungsbemühungen. Bei komplexer Produktionsökonomie liegen die Kosten zwischen 230 und 920 $ pro Tonne CO2, und die Nutzungsraten könnten 2050 bei 0,2 bis 0,9 GtCO2 pro Jahr liegen.

Betonbaustoffe

CO2 kann zum „Aushärten“ von Zement oder bei der Herstellung von Zuschlagstoffen verwendet werden. Dadurch wird ein Teil des CO2 langfristig gespeichert und könnte den emissionsintensiven konventionellen Zement verdrängen. Angesichts der beschleunigten globalen Urbanisierung, aber eines herausfordernden regulatorischen Umfelds, schätzen wir ein Nutzungs- und Speicherpotenzial von 0,1 bis 1,4GtCO2 im Jahr 2050, mit heutigen Kosten zwischen -$30 und $70 pro Tonne CO2.

CO2-enhanced oil recovery (EOR)

Die Injektion von CO2 in Ölquellen kann die Ölproduktion erhöhen. Normalerweise maximieren die Betreiber die Öl- und CO2-Förderung aus dem Bohrloch, aber kritischerweise ist es möglich, EOR so zu betreiben, dass mehr CO2 injiziert und gespeichert wird, als beim Verbrauch des endgültigen Ölprodukts entsteht. Wir schätzen, dass im Jahr 2050 0,1 bis 1,8 GtCO2 pro Jahr auf diese Weise genutzt und gespeichert werden könnten, und zwar zu Kosten, die zwischen -$60 und -$40 pro Tonne CO2 liegen.

Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (BECCS)

Bei der Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung fängt der Betreiber CO2 durch den Anbau von Bäumen ab, produziert Strom durch Bioenergie und bindet die dabei entstehenden Emissionen. Bei einer groben Annäherung an die Stromerlöse schätzen wir die Nutzungskosten auf 60 bis 160 $ pro Tonne CO2. Etwa 0,5 bis 5GtCO2 pro Jahr könnten auf diese Weise im Jahr 2050 genutzt und gespeichert werden. Dies ist niedriger als einige zuvor veröffentlichte Schätzungen für BECCS und stellt ein Einsatzniveau dar, das anderen Nachhaltigkeitszielen Rechnung trägt.

Verstärkte Verwitterung

Das Zerkleinern von Gesteinen, wie z.B. Basalt, und das Ausbringen auf Land kann zu einer beschleunigten Bildung von stabilem Karbonat aus atmosphärischem CO2 führen. Es ist wahrscheinlich, dass dies auf landwirtschaftlichen Flächen zu erhöhten Erträgen führen wird. Da sich dieser Weg jedoch noch in einem sehr frühen Stadium befindet, haben wir keine Schätzungen für das Jahr 2050 vorgenommen.

Forstwirtschaft

Holz aus neuen und bestehenden Wäldern ist ein wirtschaftlich wertvolles Produkt, das potenziell CO2 in Gebäuden speichern und dadurch die Verwendung von Zement ersetzen könnte. Wir schätzen, dass bis zu 1,5 GtCO2 im Jahr 2050 auf diese Weise genutzt werden könnten, bei Kosten zwischen -40 und 10 $ pro Tonne CO2.

Bodenkohlenstoffbindung

Landbewirtschaftungstechniken zur Bodenkohlenstoffbindung können nicht nur CO2 im Boden speichern, sondern auch die landwirtschaftlichen Erträge steigern. Wir schätzen, dass das CO2 in Form dieser Ertragssteigerung im Jahr 2050 bis zu 0,9 bis 1,9 GtCO2 pro Jahr betragen könnte, bei Kosten von -$90 bis -$20 pro Tonne CO2.

Biokohle

Biokohle ist „pyrolysierte“ Biomasse: Pflanzenmaterial, das bei hohen Temperaturen unter niedrigem Sauerstoffgehalt verbrannt wurde. Die Ausbringung von Biokohle auf landwirtschaftlichen Böden hat das Potenzial, die Ernteerträge um 10 % zu steigern – aber es ist sehr schwer, ein konsistentes Produkt herzustellen oder die Bodenreaktionen vorherzusagen. Wir schätzen, dass zwischen 0,2 und 1 GtCO2 durch Biokohle im Jahr 2050 genutzt werden könnten, bei Kosten von etwa -$65 pro Tonne CO2.

Kapazität, Kosten im Vergleich

Die folgende Übersichtsgrafik zeigt eine Schätzung, wie viel CO2 durch jeden Pfad genutzt werden könnte (die Breite jeder Säule) und die damit verbundenen Break-Even-Kosten (Höhe der Säulen).

Das niedrige Szenario (Grafik links) und das hohe Szenario (rechts) spiegeln die Bandbreite der Ergebnisse wider, die vom Niveau der Investitionen, der Akzeptanz und der technologischen Verbesserungen bis 2050 abhängen. Die Schattierung bezieht sich auf die technologische Bereitschaft, die von niedrig oder variabel (helle Schattierungen) bis zu hoch (dunklere Schattierungen) reicht. Die Sternchen beziehen sich auf die Dauer der CO2-Speicherung, die von Tagen oder Monaten (einfaches Sternchen) bis zu Jahrhunderten oder mehr (dreifaches Sternchen) reicht.

Die obige Abbildung zeigt, dass die CO2-Nutzung im Jahr 2050 erhebliche CO2-Ströme generieren könnte – und dass einige Pfade für sich genommen profitabel sein dürften. Wir denken, dass dies eine Gelegenheit sein könnte, diese Ströme zum Zwecke des Klimaschutzes zu nutzen.

Die Grafiken betonen jedoch auch die große Unsicherheit über das Ausmaß dieses Potenzials und die wahrscheinlichen Kosten für dessen Erschließung. Damit die CO2-Nutzung erfolgreich im Kampf gegen den Klimawandel eingesetzt werden kann, müssen diese Unsicherheiten neben möglichen – und nicht trivialen – Herausforderungen gelöst werden, von denen die Energieintensität und die Dauerhaftigkeit der Kohlenstoffspeicherung nur zwei sind.

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Dr. Ella Adlen ist Forschungs- und Programm-Managerin an der Oxford Martin School an der University of Oxford

Prof. Cameron Hepburn ist Direktor der Smith School of Enterprise and Environment an der University of Oxford

Dieser Artikel ist unter einer CC-Lizenz von Carbon Brief veröffentlicht