Direct Air Capture

Direct Air Capture (DAC) ist die Bezeichnung für chemisch-technische Verfahren zur Gewinnung von Kohlenstoffdioxid (CO₂) aus der Umgebungsluft.^[1][2][3][4] Grundprinzip ist, dass Umgebungsluft durch einen Abscheideapparat strömt, der einen Teil des CO₂ entzieht. Wie bei Carbon Capture and Utilization ist das Ergebnis des Verfahrens reines CO₂. Dieses kann anschließend für verschiedene Zwecke verwendet werden. Wegen dieser Eigenschaft werden solche Anlagen als „Artificial trees“^[5] („künstliche Bäume“) bezeichnet.^[6][7] Im Gegensatz zu echten Bäumen findet aber keine Carbonfixierung bzw. kein Calvin-Zyklus statt.

Anders als bei Carbon-Capture-Technologien, die CO₂ aus Abgasen, reformierten Gasen oder stationären Quellen entnehmen, wird bei direkter Abscheidung (Direct Air Capture, DAC) das CO₂ direkt aus der Atmosphäre (und nicht an einer Quelle) abgeschieden, um es zu speichern oder zu nutzen. Mobile Carbon-Capture-Technologien fangen CO₂ aus mobilen Quellen ab und speichern das Gas an Bord, um es abzuscheiden oder zu nutzen.

Nutzungsmöglichkeiten des CO₂ sind folgende:

• die stoffliche Nutzung als Rohstoff, z. B. für die Chemieindustrie
• die Herstellung CO₂-neutraler Brennstoffe (EE-Gas und E-Fuels).

Möglich ist auch die Speicherung des Kohlenstoffdioxids im Untergrund, wodurch sich negative Emissionen erzielen lassen. Dies wird als Direct Air Carbon Capture and Storage (DACCS) bezeichnet; es soll dazu dienen, der Atmosphäre das Klimagas Kohlenstoffdioxid zu entziehen und dauerhaft per CO₂-Abscheidung und -Speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) zu speichern, um damit der globalen Erwärmung entgegenzuwirken.

Das DAC-Konzept wurde im Jahr 1999 von dem in den USA tätigen deutschen Physiker Klaus Lackner erstmals vorgeschlagen.^[8] Das Prinzip der technischen CO₂-Entnahme aus der Luft erfuhr in den 2010er-Jahren eine rasche Entwicklung.^[9] Es befindet sich aber noch immer im Entwicklungsstadium.^[10][11]

Die DAC-Technologie steht im Interesse von vielen verschiedenen Industrien, die Power-to-X-Anwendungen forcieren, wo CO₂ als Kohlenstoffquelle benötigt wird. Beispielsweise wird sie in der Chemieindustrie für grüne Grundchemikalien wie E-Methanol benötigt, andererseits ist sie auch von Interesse für die Herstellung von E-Fuels, die sich in Verkehrsbereichen wie Schiffs-, Flug- oder auch Automobilverkehr einsetzen lassen.^[12] Das DAC ist unabdingbar, um eine CO₂-Neutralität der Produkte zu gewährleisten. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, auch Wirtschaftssektoren zu defossilieren, die nicht oder nur bedingt auf eine Elektrifizierung ausweichen können.

Zur Gewinnung von CO₂ sind große Gebläse erforderlich, die Umgebungsluft durch einen Abscheideapparat leiten. Im Apparat befindet sich bei der Aminwäsche ein flüssiges Lösungsmittel aus organischen Aminen. Bei anderen Verfahren wird als CO₂-Absorber^[13] beispielsweise Natriumhydroxid verwendet, das mit CO₂ zu Natriumcarbonat reagiert. Dieses wird erhitzt, um hochreines CO₂ freizusetzen.^[14][15] Natriumhydroxid wird dabei aus Natriumcarbonat rezykliert. Beim Chemisorption-Verfahren bindet sich das CO₂ an ein festes Sorptionsmittel. Im nächsten Schritt wird durch Hitze und Vakuum das CO₂ vom Feststoff desorbiert.^[16] Unter den spezifischen chemischen Prozessen, die untersucht werden, sind drei hervorzuheben:

• Absorption mit Alkali- und Erdalkalihydroxiden
• Karbonisierung^[17]
• organisch-anorganische Hybridsorbentien, die aus Aminen wie Monoethanolamin (MEA), Diethanolamin (DEA) oder Methyldiethanolamin (DMEA) bestehen, die auf Adsorbentien als porösem Träger vorliegen.^[10]

Die Aminwäsche wird auch zum Herausfiltern von reinem CO₂ aus Punktquellen (Abgasen) mit höheren Konzentrationen an CO₂ eingesetzt.

Niedrigkonzentriertes CO₂ kann auch mit einem Anionenaustauschpolymerharz, genannt Marathon MSA, abgetrennt werden. Dieser Stoff nimmt in trockenem Zustand CO₂ aus der Luft auf und gibt es in feuchtem Zustand wieder ab. Die Technologie erfordert weitere Forschung, um ihre Wirtschaftlichkeit zu bestimmen.^[18][19][20]

Andere Stoffe, die verwendet werden können, sind metallorganische Gerüste (MOFs).^[21]

Membranabscheidungen von CO₂ beruhen auf semipermeablen Membranen, um CO₂ aus der Luft abzutrennen. Diese Methode unterscheidet sich von den beiden anderen dadurch, dass sie wenig Wasser benötigt und eine geringere Grundfläche aufweist.^[13]

Eine der größten Hürden bei der Implementierung von DAC sind die Kosten für die Abtrennung von CO₂ aus der Luft. Einer Studie aus dem Jahr 2011 zufolge würde eine Anlage zur Abscheidung einer Megatonne CO₂ pro Jahr 2,2 Milliarden US-Dollar (USD) kosten.^[14] Andere Studien aus dem gleichen Zeitraum bezifferten die Kosten für DAC dagegen auf 200–1000 USD pro Tonne CO_2.^[22]

In einer von 2015 bis 2018 durchgeführten Wirtschaftlichkeitsstudie einer Pilotanlage in British Columbia, Kanada, wurden die Kosten auf 94 bis 232 USD pro Tonne entferntes CO₂ geschätzt.^[16][23] Diese Studie wurde vom Unternehmen Carbon Engineering durchgeführt, welches finanziell an der Kommerzialisierung der DAC-Technologie interessiert ist.^[15]

Ab 2011 lagen die CO₂-Abscheidungskosten für Verfahren auf Hydroxidbasis bei 150 USD pro Tonne CO₂. Die derzeitige Trennung auf Basis flüssiger Amine kostet 10 bis 35 USD pro Tonne CO₂. Die Kosten für die absorptionsbasierte CO₂-Abscheidung liegen zwischen 30 und 200 USD pro Tonne CO₂. Es ist schwierig, die spezifischen Kosten für DAC zu ermitteln, da jede der Methoden große Unterschiede in Bezug auf die Regeneration des verwendeten Sorptionsmittels und dessen Kosten aufweist.^[14]

Der Bericht „The State of Carbon Dioxide Removal“, den die Universität Oxford seit 2023 herausgibt, schätzt die Kosten für die technische CO₂-Entnahme auf 100 bis 300 USD pro Tonne.^[24]

Carbon Engineering ist ein kommerzielles DAC-Unternehmen, das 2009 gegründet wurde, unter anderem von Bill Gates und Murray Edwards.^[25][26] Seit 2015 betreibt es eine Pilotanlage in British Columbia, Kanada,^[16] die etwa eine Tonne CO₂ pro Tag extrahieren kann.^[11]

In Zusammenarbeit mit dem kalifornischen Energieunternehmen Greyrock wandeln die Anlage einen Teil seines konzentrierten CO₂ in synthetischen Kraftstoff um, einschließlich Benzin, Diesel und Jet-A-Düsentreibstoff.^[16][26]

Das Unternehmen nutzt eine Kaliumhydroxid-Lösung zur Absorption des CO₂, wobei analog zum oben erwähnten auf Natriumhydroxid basierenden Verfahren Kaliumcarbonat gebildet wird.^[25]

Die erste großtechnische DAC-Anlage von Climeworks ging im Mai 2017 in Betrieb. In Hinwil, Kanton Zürich, konnten 900 Tonnen CO₂ pro Jahr gebunden werden. Um den Energiebedarf zu senken, nutzte die Anlage die Wärme einer örtlichen Müllverbrennungsanlage. Das CO₂ wurde verwendet, um die Gemüseerträge in einem nahe gelegenen Gewächshaus zu steigern.^[27] 2022 stellte Climeworks den Betrieb des „Technologiewunders“ ein.^[28]

Das Unternehmen gab an, dass die Abscheidung einer Tonne CO₂ aus der Luft rund 600 US-Dollar kostete.^[29][13]

Climeworks ist eine Partnerschaft mit Reykjavik Energy eingegangen. Im Jahr 2007 wurde das CarbFix-Projekt gestartet. Im Jahr 2017 wurde das CarbFix2-Projekt gestartet^[30] und erhielt Mittel aus dem Forschungsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union. Das CarbFix2-Pilotprojekt läuft neben einem geothermischen Kraftwerk in Hellisheidi, Island. Bei diesem Ansatz wird CO₂ in einer Tiefe von 700 Metern unter der Erde verpresst. Dort mineralisiert es basaltisches Grundgestein zu Karbonatmineralien. In der DAC-Anlage wird Abwärme aus dem Geothermiekraftwerk genutzt, wodurch mehr CO₂ eingespart wird, als produzieren.^[11][31]

Global Thermostat ist eine private Firma, die im Jahr 2010 in Manhattan (New York) gegründet wurde. Das zugehörige Werk liegt in Huntsville (Alabama).^[25] Global Thermostat verwendet Amin-Sorbentien auf Kohlenstoffbasis, die an Kohlenstoffschwämme gebunden sind, um CO₂ aus der Atmosphäre zu entfernen. In seinen Projekten gewinnt das Unternehmen bis zu 50.000 Tonnen pro Jahr.^[32]

Das Unternehmen gibt an, in seiner Anlage in Huntsville CO₂ für 120 USD pro Tonne entfernen zu können.^[25]

Global Thermostat hat Verträge mit einem Getränkehersteller (der mit DAC CO₂ für seine kohlensäurehaltigen Getränke gewinnen will) und einem Ölkonzern abgeschlossen, der mit der Technologie von Global Thermostat Pionierarbeit in Sachen DAC-to-Fuel leisten will. Dabei geht es um die Herstellung von Kraftstoffen mit dem aus DAC gewonnenen Kohlenstoff.^[25]

• Infinitree – früher bekannt als Kilimanjaro Energy and Global Research Technology und Teil der US-amerikanischen Carbon Sink (Demonstration eines Vor-Prototyps mit wirtschaftlich rentabler DAC-Technologie im Jahr 2007).^[15][33]
• SkyTree – ein Unternehmen in den Niederlanden,^[31]
• UK Carbon Capture and Storage Research Centre,^[26]
• Antecy – ein niederländisches Unternehmen, das 2010 gegründet wurde.^[34]

DAC gilt als vielversprechende Klimaschutz-Technologie.^[22][16][20] Wenn DAC mit einem CCS-System kombiniert wird, kann diese Technologie negative Emissionen produzieren und somit helfen, die Ziele des Pariser Klimaabkommen zu erreichen. Gleichzeitig weisen Wissenschaftler darauf hin, dass DACCS kein Ersatz für schnelle Klimaschutzmaßnahmen sein kann, da nicht sichergestellt ist, dass DACCS langfristig in ausreichendem Maß zum Einsatz kommen kann. Entwicklung und Umsetzung von DACCS-Anlagen sollen nicht dazu führen, dass gegenwärtige Klimaschutzbemühungen in der Hoffnung auf zukünftige Erfolge der DACCS-Technologie abgeschwächt werden. Die Entwicklung von DACCS solle gefördert werden, aber das dürfe nicht dazu führen, dass DACCS anstelle anderer Klimaschutzoptionen eingesetzt wird, sondern zusammen mit diesen.^[35]

Voraussetzung für das Erzeugen negativer Emissionen ist jedoch, dass eine kohlenstofffreie Energiequelle für den Betrieb der DACCS-Anlagen vorhanden ist. Die Verwendung von mit fossilen Brennstoffen erzeugter elektrischer Energie würde dagegen letztlich mehr CO₂ an die Atmosphäre abgeben, als gleichzeitig eingefangen würde.^[36] Ein Nachteil von DACCS ist der hohe Energieverbrauch der Technologie.^[37] DAC erfordert aufgrund der niedrigen Konzentration von CO₂ in der Luft einen viel größeren Energieeinsatz im Vergleich zur herkömmlichen Gewinnung aus Punktquellen wie Rauchgas.^[14][36] Die theoretische Mindestenergie, die zur CO₂-Gewinnung aus der Umgebungsluft benötigt wird, beträgt ca. 250 kWh pro Tonne CO₂. Die Abscheidung aus Erdgas- und Kohlekraftwerken erfordert ca. 100 bzw. 65 kWh pro Tonne CO₂.^[22] Aufgrund dieses impliziten Energiebedarfs haben einige Geo-Engineering-Befürworter vorgeschlagen, „kleine Kernkraftwerke“ für die Energieversorgung von DAC-Anlagen zu verwenden, was möglicherweise eine ganze Reihe neuer Umweltauswirkungen mit sich brächte.^[37]

DAC, das sich auf die Absorption auf Aminbasis stützt, hat zudem einen erheblichen Wasserbedarf. Es wurde geschätzt, dass für die Abscheidung von 3,3 Gigatonnen CO₂ pro Jahr 300 km³ Wasser erforderlich sind oder 4 % des Wasserbedarfs für Bewässerung. Andererseits benötigt die Verwendung von Natriumhydroxid viel weniger Wasser, aber die Substanz ist hoch ätzend und gefährlich.^[11] Insgesamt liegt der Wasserbedarf von DACCS dennoch etwa um den Faktor 10 oder mehr unter dem Wasserverbrauch von BECCS. Zudem ist der Flächenverbrauch von DACCS, gerade im Vergleich zur flächenintensiven Nutzung von BECCS, minimal und liegt bei 0,001 ha/Tonne CO₂eq und Jahr.^[38] Wie BECCS erfordert DACCS zudem das Vorhandensein von sicheren geologischen CO₂-Speichern, auch in Hinblick auf das Risiko von Leckagen und induzierten Erdbeben.^[37]

Die Entfernung von atmosphärischem Kohlenstoffdioxid durch DACCS-Anlagen ist aufgrund des hohen materiellen Aufwands wahrscheinlich deutlich teurer als traditionelle Klimaschutzoptionen zur Dekarbonisierung der Wirtschaft. Selbst mit erheblichen Kostensenkungen würden DACCS-Anlagen wahrscheinlich erst dann errichtet werden, wenn praktisch alle nennenswerten Punktquellen fossiler Kohlendioxidemissionen die Freisetzung von CO₂ eingestellt haben.^[14]

• The State of Carbon Dioxide Removal
• TA-SWISS: Chancen und Risiken von Methoden zur Entnahme und Speicherung von CO2 aus der Atmosphäre

1. ↑ Peter Viebahn, Alexander Scholz, Ole Zelt: The Potential Role of Direct Air Capture in the German Energy Research Program—Results of a Multi-Dimensional Analysis. In: Energies. Band 12, Nr. 18, Januar 2019, S. 3443, doi:10.3390/en12183443. 
2. ↑ geoengineeringmonitor.org – Geoengineering Technologie‑Briefing. In: boell.de. Heinrich Böll Stiftung, Januar 2021, abgerufen am 8. Dezember 2023. 
3. ↑ Simon Block, Peter Viebahn: Direct Air Capture (DAC) in Germany: resource implications of a possible rollout in 2045:. In: Annales des Mines – Responsabilité et environnement. N° 105, Nr. 1, 12. Januar 2022, S. 78–82, doi:10.3917/re1.105.0078. 
4. ↑ Wohin mit dem ganzen CO2? Neue Technologien sollen helfen, Kohlendioxid zu binden. 9. Februar 2022, abgerufen am 8. Dezember 2023. 
5. ↑ David Biello: 400 PPM: Can Artificial Trees Help Pull CO2 from the Air?, 16. Mai 2013; Abrufdatum 2. Oktober 2019
6. ↑ Bernd Schlupeck: Künstliche Bäume gehen in Serie
7. ↑ Können Wälder mit künstlichen Bäumen das Klima retten?
8. ↑ Lackner, Klaus; Ziock, Hans-Joachim; Grimes, Patrick: Carbon dioxide extraction from air: Is it an option? 1999 (osti.gov). 
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