CO2 einfangen! Der Midas-Touch eines kohlenstoffarmen Lebens

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Zhiyao Science

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Am 23. August 2021 begann offiziell die 31. Nationale Energieeinsparungs-Förderwoche. Bei dieser Energiespar-Aktionswoche stand das Konzept „Kohlenstoff“ im Mittelpunkt. Als Werbethema wurde nicht nur „Energieeinsparung und CO2-Reduzierung, grüne Entwicklung“ gewählt, sondern auch Konzepte wie „Kohlenstoff-Peak“, „Kohlenstoffneutralität“, „Kohlenstoffhandel“ und „Kohlenstofffixierung“ wurden häufig erwähnt.

Derzeit verbessert mein Land kontinuierlich seine Umweltpolitik und seine CO2-arme Politik sowie sein Marktsystem und strebt danach, den CO2-Höhepunkt vor 2030 und die CO2-Neutralität vor 2060 zu erreichen. Um das Ziel der CO2-Neutralität zu erreichen, müssen die Menschen einerseits einen grünen und CO2-armen Lebensstil pflegen und die CO2-Emissionen reduzieren; Zum anderen müssen ingenieurtechnische Mittel eingesetzt werden, um den emittierten Kohlenstoff fachgerecht zu entsorgen.

Am 17. Juni 2021 veröffentlichte die Nationale Entwicklungs- und Reformkommission die „Mitteilung des Generalbüros der Nationalen Entwicklungs- und Reformkommission zur Anforderung der Einreichung relevanter Informationen zu Projekten zur Abscheidung, Nutzung und Speicherung von Kohlendioxid (CCUS)“, in der die CCUS-Technologie als Schlüsseltechnologie im Zusammenhang mit der „Kohlenstoffrückgewinnung“ bezeichnet wird. Dieses Dokument sorgte unmittelbar nach seiner Veröffentlichung für erhebliches Aufsehen in der Wissenschaft und Industrie.

Was genau ist CCUS-Technologie? Wie nutzt man die CCUS-Technologie? Wie trägt es zur CO2-Neutralität bei?

Die Lebensdauer von recyceltem Kohlenstoff

CCUS, dessen vollständiger Name für Carbon Capture, Utilization and Storage steht, bedeutet Technologie zur Abscheidung, Nutzung und Speicherung von Kohlenstoff. Um die Bedeutung dieser Technologie zu verstehen, schauen wir uns zunächst an, wie Kohlenstoff sein „Leben“ verbringt.

So wie Wasser auf der Erde in gasförmiger, flüssiger und fester Form ständig zwischen Land, Ozean und Atmosphäre zirkuliert, wird das Element Kohlenstoff auf der Erde ständig zwischen Biosphäre, Lithosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre ausgetauscht und zirkuliert mit den Bewegungen der Erde.

Kohlenstoff ist ein gewöhnliches und doch wunderbares Element. Durch die Verbindung untereinander können verschiedene organische Substanzen entstehen und sich dann zu vielfältigen Lebensformen entwickeln. Der Prozess der biologischen Aktivitäten und der Reproduktion wird immer vom Stoffwechselzyklus des Kohlenstoffs begleitet.

Da Elementumwandlungen auf der Erde selten vorkommen, bleibt der Kohlenstoff auf der Erde grundsätzlich erhalten. Bei jedem physikalischen oder chemischen Prozess, bei dem Kohlenstoff im Spiel ist, muss der Kohlenstoff an einem Ort gewonnen und nach dem Prozess an einen anderen Ort übertragen werden.

Als die unzivilisierten Menschen in der Antike erstmals zivilisiertes Feuer auf Holz entzündeten, wurde Kohlendioxid freigesetzt. Irgendwann wurde dieses Kohlendioxid später von einem Wald absorbiert und wurde Teil des Waldholzes. Der Kohlenstoff in diesen Hölzern kann verbrannt werden und wieder in die Atmosphäre gelangen, weiterhin am Fließprozess teilnehmen und zu „mobilem Kohlenstoff“ werden; oder sie werden unter der Erde vergraben und verkohlen allmählich zu fossilen Brennstoffen, gelangen in die Lithosphäre und werden zu „ruhendem Kohlenstoff“. Dies bildet einen einfachen „Kohlenstoffkreislauf“-Prozess.

Der Kreislauf und die Menge des Kohlenstoffs in der Erde (der rote Teil ist der Emissionsanteil unter menschlichem Einfluss, der gelbe Teil ist der Kohlenstoffkreislauffluss in der Natur und die weiße Zahl stellt den gespeicherten Kohlenstoff in Milliarden Tonnen Kohlenstoff dar)

(Bildquelle: Referenz 1)

Im Laufe der Zehntausende von Jahren dauernden Evolution der Erde haben sich mehr als 99,9 % des Kohlenstoffelements in Karbonate, Kohle, Öl, Erdgas und andere Substanzen verwandelt, sind tief unter der Erde oder im Meer vergraben worden und in einen „Ruhezustand“ übergegangen, in dem sie nicht länger am Kreislauf teilnehmen.

Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Gesellschaft steigt jedoch auch der Bedarf der Menschheit an fossilen Brennstoffen von Tag zu Tag. Der tief in der Lithosphäre „ruhende Kohlenstoff“ wurde in großen Mengen abgebaut und genutzt, gelangte wieder in den atmosphärischen Kreislauf und wurde zu „mobilem Kohlenstoff“. Seit 1965 verläuft das Wachstum des globalen BIP weitgehend im Einklang mit der Entwicklung der Kohlendioxid-Emissionen. Es ist ersichtlich, dass der Verbrauch fossiler Energie die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft gefördert hat.

Kohlendioxid-Emissionen und BIP-Wachstumskurve (Bildquelle: Referenz 2)

Mit der beschleunigten Ausbeutung fossiler Brennstoffe steigt jedoch die Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphäre weiter an. Von 1985 bis 2020 ist die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre von 345 ppm auf 412 ppm (Anmerkung: ppm steht für part per million) gestiegen. Dies entspricht einem Anstieg von 20 % und einer jährlichen Wachstumsrate von 0,51 %.

Steigende Treibhausgaskonzentrationen haben zu einem deutlichen Temperaturanstieg beigetragen. Nach Angaben der Weltorganisation für Meteorologie lag die globale Durchschnittstemperatur im Jahr 2020 um 1,2 ± 0,1 °C über dem jährlichen Durchschnittstemperatur-Benchmark von 1850 bis 1900, und die globale durchschnittliche Anstiegsrate des Meeresspiegels erreichte 3,3 ± 0,3 mm/Jahr.

Durch die steigenden Temperaturen ist die Verdunstung des Ozeans verstärkt worden und große Wassermengen sind in die Atmosphäre gelangt, was in einigen Gebieten an Land innerhalb kurzer Zeit zu einem plötzlichen Anstieg der Niederschläge geführt hat. Die anhaltenden starken Regenfälle in Zhengzhou sind ein typisches Beispiel. Durch die Verstärkung des Treibhauseffekts ist die Stabilität der Umwelt gesunken, Wetterextreme sind häufiger geworden und Wetterereignisse, die „einmal in einem Jahrhundert oder einmal in einem Jahrtausend“ auftreten, haben allmählich zugenommen.

Globale industrielle Revolution Durchschnittliche Temperaturdifferenz, basierend auf der Durchschnittstemperatur von 1850 bis 1900 (in °C)

(Bildquelle: Referenz 2)

Um eine Verschlimmerung der Situation zu verhindern, müssen die Menschen zusammenarbeiten, um die Menge an „mobilem Kohlenstoff“ zu reduzieren. Derzeit gibt es zwei Hauptwege: Erstens, die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren und den „mobilen Kohlenstoff“ an der Quelle zu verringern; zweitens: mehr „mobilen Kohlenstoff“ erfassen, nutzen und speichern, damit er verbraucht und recycelt werden kann. Letzteres bezieht sich auf die CCUS-Technologie.

Was ist CCUS: Carbon Capture, Utilization and Storage Technology

Der gesamte Prozess der Kohlenstoffabscheidungs-, -nutzungs- und -speicherungstechnologie (CCUS) lässt sich einfach in vier Worten zusammenfassen: Sammlung, Transport, Speicherung und Nutzung.

„Sammlung“ bezieht sich auf die Kohlendioxidabscheidung, also den Prozess der Trennung von Kohlendioxid aus der industriellen Produktion, der Energienutzung oder der Atmosphäre zur anschließenden Behandlung. Es wird hauptsächlich in die Abscheidung vor der Verbrennung, die Abscheidung nach der Verbrennung, die sauerstoffangereicherte Verbrennung, die chemische Kettenabscheidung und die direkte Abscheidung aus der Atmosphäre (DACCS) unterteilt.

„Transport“ bezieht sich auf die Übertragung von Kohlendioxid, also den Prozess des Transports von abgeschiedenem Kohlendioxid zu nutzbaren Orten oder Lagerstätten durch Pipelines, komprimierte Transportmittel usw.

Unter „Speicherung“ versteht man die Speicherung von Kohlendioxid, d. h. die Injektion des abgeschiedenen Kohlendioxids in tiefe geologische Reservoirs, um das Kohlendioxid für lange Zeit von der Atmosphäre zu isolieren und es so in einen „Ruhezustand“ zu versetzen. Die wichtigsten Speichermethoden sind die Lagerung an Land, die Lagerung im Meer und die Lagerung von Karbonatfeststoffen.

„Verwendung“ bezieht sich auf die Nutzung von Kohlendioxid, also den Prozess der Ressourcennutzung des abgeschiedenen Kohlendioxids durch technische Mittel. Dies ist auch ein wichtiger Schritt, um „Kohlenstoff in einen Schatz zu verwandeln“.

Darüber hinaus wurde auch die direkte Nutzung von Bäumen und anderen Organismen zur Fixierung von Kohlendioxid in einem Schritt in den Rahmen der CCUS-Technologie aufgenommen und separat als Biomassenutzungsprozess (BECCS) aufgeführt, der sich von anderen künstlichen Technologien unterscheidet.

Generell kann die CCUS-Technologie Kohlendioxid aus industriellen Prozessen, der Energienutzung oder der Atmosphäre abtrennen und direkt nutzen oder in die Formation einleiten, wodurch Kohlenstoff in eine „Ressource“ oder „ruhend“ umgewandelt wird, um dauerhafte Emissionsreduzierungen zu erreichen.

Schematische Darstellung des technischen CCUS-Prozesses (Bildquelle: Referenz 3)

„Aus Kohlenstoff einen Schatz machen“: Wie kann Kohlendioxid genutzt werden?

Würde das gesamte durch die CCUS-Technologie abgeschiedene Kohlendioxid auf Deponien im Untergrund oder in der Tiefsee deponiert, könnte dies zu einer Verschwendung von Ressourcen führen. Können wir uns eine Möglichkeit vorstellen, es zu verwenden? Was sollen wir tun?

Je nach den unterschiedlichen technischen Mitteln kann der Schritt „Nutzung“ in geologische Nutzung, chemische Nutzung und biologische Nutzung unterteilt werden.

Was die geologische Nutzung betrifft, zielen Chinas Projekte zur geologischen Nutzung und Speicherung von Kohlendioxid hauptsächlich auf die Verbesserung der Ölgewinnung (kohlendioxidgestützte Ölgewinnung, CO2-EOR) ab und werden hauptsächlich rund um mehrere Öl- und Gasbecken durchgeführt, darunter das Songliao-Becken im Nordosten Chinas, das Bohai-Bucht-Becken in Nordchina, das Ordos-Becken im Nordwesten Chinas und das Junggar-Becken. gleichzeitig gibt es auch eine CO2-ECBM-Technologie (Kohlendioxid-Verdrängung von Kohleflözgas), um die Gewinnung von Kohleflözgas zu verbessern.

Kohlendioxid-gestützte Ölgewinnung, CO2-EOR (Bildquelle: Referenz 4)

In Bezug auf die chemische Nutzung sind die Anwendungsszenarien sehr vielfältig, beispielsweise: Injektion in Bier und kohlensäurehaltige Getränke; Herstellung von Trockeneis für den Kühltransport von Lebensmitteln usw.; überkritische Extraktion von Kohlendioxid; Synthese von Feinchemikalien wie organischen kleinen Molekülen oder gängigen Chemikalien wie Harnstoff und Carbonaten; Kohlendioxidsynthese zur Herstellung von Kunststoffen; katalytische Herstellung von Methanol, Olefinen und Synthesegas; Mineralisierungsnutzung von Stahlschlacke und Phosphogips und viele andere Verwendungszwecke.

Was die biologische Nutzung betrifft, so ist die Fixierung und Umwandlung von Kohlendioxid durch biologische Methoden, soweit es den gesamten Kohlenstoffkreislauf der Erde betrifft, die natürlichste Art der Nutzung auf der Erde. Kohlendioxid kann zum Anbau von Pflanzen oder Algen mit kurzen Wachstumszyklen verwendet werden, um Biokraftstoffe herzustellen. Derzeit werden Mikroalgen und andere Organismen hauptsächlich dazu verwendet, Kohlendioxid zu fixieren und in Biokraftstoffe und Chemikalien umzuwandeln, die dann zu Biodüngern, Lebensmittelzusatzstoffen usw. weiterverarbeitet werden können.

Da Mikroalgen gleichzeitig häusliches, industrielles und landwirtschaftliches Abwasser als Quelle für Stickstoff, Phosphor und andere Nährstoffe nutzen können, ist es möglich, die drei Prozesse der Abwasserbehandlung, Kohlendioxidfixierung und Biokraftstoffsynthese zu koppeln und so den wirtschaftlichen und ökologischen Nutzen des Prozesses zu maximieren.

Panorama der CCUS-Technologie in China (Bildquelle: Referenz 3)

CCUS-Technologie fördert kohlenstoffarmes Leben

Welche Rolle kann die CCUS-Technologie auf dem Weg meines Landes zur „Kohlenstoffneutralität“ spielen? Mit anderen Worten: Welche Ziele erwarten wir durch den Einsatz der CCUS-Technologie zu erreichen?

Daten der Internationalen Energieagentur zeigen, dass CCUS bis 2050 voraussichtlich etwa 14 % zur weltweiten Reduzierung der Kohlendioxidemissionen beitragen wird. Was ist dieses Konzept? Schauen wir uns einige Zahlen an:

Gesamte globale Kohlenstoffemissionen: 32,28 Milliarden Tonnen im Jahr 2020;

Chinas gesamter Kohlenstoffausstoß: 9,894 Milliarden Tonnen im Jahr 2020.

Unter der Annahme, dass die CCUS-Technologie 14 % zur Emissionsreduzierung beiträgt, kann die Welt ihre Emissionen um 4,5 Milliarden Tonnen pro Jahr reduzieren, was etwa der Hälfte der Emissionen Chinas entspricht. China kann seine Emissionen um 1,4 Milliarden Tonnen pro Jahr reduzieren, was in etwa den Gesamtemissionen der gesamten chinesischen Stahlindustrie entspricht.

CCUS-Nachfragepotenzial zur Reduzierung der CO2-Emissionen in verschiedenen Branchen von 2025 bis 2060 (Bildquelle: Referenz 3)

Vielleicht werden wir eines Tages Erdgas, das durch CO2-ECBM-Technologie erzeugt wird, zum Befeuern von Erdgasherden verwenden, Trockeneis, das durch CCUS-Technologie erzeugt wird, zum Kühlen von Lebensmitteln nutzen und Dosenbier und Cola, das durch DACCS-Technologie erzeugt wird, trinken und so einen kohlenstoffarmen Lebensstil wirklich in unseren Alltag integrieren. Bis dahin werden Sie feststellen, dass CCUS nicht weit von Ihnen und mir entfernt ist.

Quellen:

(1) Wikipedia-ZH, Kohlenstoffkreislauf.

(2) Wang Jingjie. Der Entwicklungspfad des globalen Marktes für den Handel mit CO2-Emissionen[N]. Futures Daily, 21.07.2021(003).

(3) Ministerium für Ökologie und Umwelt der Volksrepublik China, Jahresbericht 2021 zur Abscheidung, Nutzung und Speicherung von Kohlendioxid (CCUS) in China.

(4) Nationaler Forschungsrat, Abteilung für Erd- und Biowissenschaften, Gremium für Geowissenschaften und Ressourcen, Ausschuss für Seismologie und Geodynamik, Ausschuss für Geologie und Geotechnik, Ausschuss für Erdressourcen, Ausschuss für induziertes Seismizitätspotenzial in Energietechnologien. Induziertes Seismizitätspotenzial in Energietechnologien [M]. National Academies Press: 14.09.2013.