Carbon Dioxide Removal (CDR)
Die erste größere Anlage zur kommerziellen Filterung von CO2 aus der Luft ging 2017 in der Schweiz in Betrieb und verfügt über eine nominale Filterkapazität von 900 Tonnen CO2 pro Jahr. Die nominale Kapazität der 2021 errichteten Anlage beträgt mit 4.000 Tonnen mehr als das Vierfache.
CO2-Entfernung als Dienstleistung
Das 2009 gegründete Unternehmen Climeworks entwickelte eine Technologie, mit der CO2 aus der Luft gefiltert wird. 2014 erfolgte die Konzipierung eines modularen CO2-Kollektors und 2017 die Inbetriebnahme der ersten kommerzielle Anlage in der Schweiz. Im selben Jahr begann das Testprojekt Arctic Fox in Island, in dem das gefilterte CO2 in unterirdischen Gesteinsschichten gelagert wird. Als Ergebnis der Lagerung ist das CO2 permanent in Form eines Carbonats gebunden, die CO2-Konzentration in der Atmosphäre sinkt.
Unternehmensentwicklung auf DAC+S fokussiert
Insgesamt wurden mehr als 15 DAC-Anlagen des Unternehmens in Betrieb genommen. Dazu gehören sowohl größere Anlagen als auch kleinere Demonstrationsprojekte. Diese sind in zwei Kategorien unterteilt: DAC+S- und PTX-Projekte.
PTX steht für „Power to X“, das gefilterte CO2 wird erneut der Kreislaufwirtschaft zugeführt, beispielsweise als Pflanzendünger, als Zusatz zu Mineralwasser um Sprudelwasser zu generieren, oder als erneuerbarer Kraftstoff.
In den DAC+S (Direct Air Capture + Storage) Projekten hingegen wird das CO2 permanent aus dem Kreislauf entfernt und unterirdisch eingelagert. Der Schwerpunkt in der Forschung, Entwicklung und der Errichtung weiterer Anlagen liegt auf DAC+S, um die CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu reduzieren und den Klimawandel einzudämmen.
CO2-Entfernung als Dienstleistung
Das 2009 gegründete Unternehmen Climeworks entwickelte eine Technologie, mit der CO2 aus der Luft gefiltert wird. 2014 erfolgte die Konzipierung eines modularen CO2-Kollektors und 2017 die Inbetriebnahme der ersten kommerzielle Anlage in der Schweiz. Im selben Jahr begann das Testprojekt Arctic Fox in Island, in dem das gefilterte CO2 in unterirdischen Gesteinsschichten gelagert wird. Als Ergebnis der Lagerung ist das CO2 permanent in Form eines Carbonats gebunden, die CO2-Konzentration in der Atmosphäre sinkt.
Unternehmensentwicklung auf DAC+S fokussiert
Insgesamt wurden mehr als 15 DAC-Anlagen des Unternehmens in Betrieb genommen. Dazu gehören sowohl größere Anlagen als auch kleinere Demonstrationsprojekte. Diese sind in zwei Kategorien unterteilt: DAC+S- und PTX-Projekte.
PTX steht für „Power to X“, das gefilterte CO2 wird erneut der Kreislaufwirtschaft zugeführt, beispielsweise als Pflanzendünger, als Zusatz zu Mineralwasser um Sprudelwasser zu generieren, oder als erneuerbarer Kraftstoff.
In den DAC+S (Direct Air Capture + Storage) Projekten hingegen wird das CO2 permanent aus dem Kreislauf entfernt und unterirdisch eingelagert. Der Schwerpunkt in der Forschung, Entwicklung und der Errichtung weiterer Anlagen liegt auf DAC+S, um die CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu reduzieren und den Klimawandel einzudämmen.
Die erste größere Anlage zur kommerziellen Filterung von CO2 aus der Luft ging 2017 in der Schweiz in Betrieb und verfügt über eine nominale Filterkapazität von 900 Tonnen CO2 pro Jahr. Die nominale Kapazität der 2021 errichteten Anlage beträgt mit 4.000 Tonnen mehr als das Vierfache.
„Für den erfolgreichen Einsatz der DAC+S Technologie sind zwei Bedingungen entscheidend. Erstere ist die Energiequelle. Der Betrieb der Anlage sollte ausschließlich mit erneuerbaren Energiequellen erfolgen, um eine bessere Klimabilanz zu erzielen. Die zweite ist die Lagermöglichkeit. Nur in einer Umgebung mit speziellen Gesteinsschichten löst das CO2 eine chemische Reaktion aus und kristallisiert zu einem Carbonat. Aus diesem Grund ist der Standort Island so günstig. In der vulkanischen Umgebung stehen erneuerbare geothermische Energiequellen sowie hoch reaktive Basaltgesteinsschichten zur Verfügung. Ein weiterer geeigneter Standort ist der Oman, in dem die Technologie mit einer Anlage getestet werden soll.“
Nathalie Casas
– Head of Technology
bei Climeworks
Climeworks skaliert Lösung zur Eindämmung des Klimawandels
Um die eigene Kapazität auf klimarelevante Massstäbe zu erhöhen, plant das Unternehmen die Errichtung neuer Anlagen, schließt Partnerschaften mit anderen Unternehmen und wirbt neue Mitarbeiter an. Ende 2021 waren 160 Angestellte für Climeworks tätig, bis Ende 2022 soll diese Zahl auf zwischen 250 und 300 Personen steigen. Die Inbetriebnahme der nächstgrößeren Anlage ist in den nächsten zwei bis drei Jahren geplant.
Direct Air Capture and Storage (DAC+S)
Adsorption und Desorption von CO2
Die Anlagen bestehen aus metallischen Boxen, in denen ein Filter mit einem speziellen Filtermaterial, dem sogenannten Sorbent, eingebaut ist. Dieses Sorbent enthält ein Amin und verfügt über die Fähigkeit, CO2 über Adsorption zu binden und via Desorption wieder freizulassen. In der Adsorptionsphase wird mittels eines Ventilators Luft durch die Maschine geblasen und das CO2 vom Sorbent aufgenommen.
Hat das Sorbent eine hohe CO2-Konzentration erreicht, beginnt die Desorptionsphase: Die Anlage wird geschlossen, sodass keine Luft mehr eindringen kann. Überschüssige Luft in der Box wird abgepumpt, und die Anlage erhitzt. Durch die Hitze wird das vom Sorbent angereicherte CO2 wieder freigelassen. Danach wird das CO2 in zwei Folgeschritten aufbereitet, sodass eine CO2-Reinheit von über 95 Prozent erreicht wird. Das CO2 wird mit Wasser vermischt, in unterirdische Basaltgesteinsschichten befördert und permanent eingelagert.
Climeworks ist im Besitz von mehreren Patenten. Dazu gehören unter anderem auch Patentierungen, die den Prozess der Filterung, das Filtermaterial selber, das Verfahren der Wärmezufuhr und die Desorption rechtlich schützen.
Basaltgestein
Basaltgestein
Das Basaltgestein in Island ist ein hoch reaktives Material. Das Gemisch aus CO2 und Wasser löst darin eine chemische Reaktion aus. Dank der Technologie von Climeworks‘ Partner Carbfix, kristallisiert das Gemisch aus CO2 und Wasser in Basaltgesteinschichten zu einem Carbonat. Das Ergebnis: das gefilterte CO2 wird im Gestein eingelagert und die CO2-Konzentration in der Luft wird reduziert.
Basaltgestein
Das Basaltgestein in Island ist ein hoch reaktives Material. Das Gemisch aus CO2 und Wasser löst darin eine chemische Reaktion aus. Dank der Technologie von Climeworks‘ Partner Carbfix, kristallisiert das Gemisch aus CO2 und Wasser in Basaltgesteinschichten zu einem Carbonat. Das Ergebnis: das gefilterte CO2 wird im Gestein eingelagert und die CO2-Konzentration in der Luft wird reduziert.
Basaltgestein
Partnerschaft mit Carbfix in Island
In Hellisheidi wird aus 50 Bohrungen heißes Wasser und Dampf gewonnen und über Rohre zum Geothermie-Kraftwerk (rechts im Bild) transportiert.
Gefiltertes CO2 permanent unterirdisch gelagert
Reykjavik Energy betreibt das Geothermie- Kraftwerk in Hellisheidi, Island, in dem heißes Wasser und Dampf aus hunderten Metern Tiefe an die Erdoberfläche gefördert wird. Die Tochterfirma Carbfix führt das Wasser mit dem von Climeworks herausgefiltertem und aufbereitetem CO2 vermischt wieder zurück unter die Erde. Die Technologie von Carbfix simuliert dabei den natürlichen Prozess der Mineralisierung: Das mit CO2 angereicherte Wasser ist säurehaltig, sodass es in dem Basaltgestein eine chemische Reaktion auslöst.
In den Steinen enthaltene Katione wie Kalzium, Magnesium, und Eisen werden freigesetzt, vermischen sich mit dem Wasser und bilden ein Carbonat. Aufgrund der hohen Dichte des CO2-haltigen Gemischs im Vergleich zum Grundwasser, sinkt das Gemisch in den porösen Gesteinsschichten nach unten. Laut Studien von Carbfix bilden 95 Prozent des injizierten CO2s nach zwei Jahren ein Carbonat.
Gefiltertes CO2 permanent unterirdisch gelagert
Reykjavik Energy betreibt das Geothermie- Kraftwerk in Hellisheidi, Island, in dem heißes Wasser und Dampf aus hunderten Metern Tiefe an die Erdoberfläche gefördert wird. Die Tochterfirma Carbfix führt das Wasser mit dem von Climeworks herausgefiltertem und aufbereitetem CO2 vermischt wieder zurück unter die Erde. Die Technologie von Carbfix simuliert dabei den natürlichen Prozess der Mineralisierung: Das mit CO2 angereicherte Wasser ist säurehaltig, sodass es in dem Basaltgestein eine chemische Reaktion auslöst.
In den Steinen enthaltene Katione wie Kalzium, Magnesium, und Eisen werden freigesetzt, vermischen sich mit dem Wasser und bilden ein Carbonat. Aufgrund der hohen Dichte des CO2-haltigen Gemischs im Vergleich zum Grundwasser, sinkt das Gemisch in den porösen Gesteinsschichten nach unten. Laut Studien von Carbfix bilden 95 Prozent des injizierten CO2s nach zwei Jahren ein Carbonat.
In Hellisheidi wird aus 50 Bohrungen heißes Wasser und Dampf gewonnen und über Rohre zum Geothermie-Kraftwerk (rechts im Bild) transportiert.
Climeworks bezieht die Energie zum Betrieb der Anlage Orca vom nahegelegenen Geothermie-Kraftwerk in Hellisheidi. Ziel ist es, ausschließlich erneuerbare Energiequellen zu nutzen.
Standortwahl abhängig von Energiequellen und Lagermöglichkeiten
Die geologische Lagerung von CO2 ist fast überall auf der Welt möglich. Laut Forschungserkenntnissen des Carbon Dioxide Removal Primers sind die Lagerkapazitäten groß genug, um das Dreifache aller seit der industriellen Revolution emittierten Treibhausgase aufzunehmen.
Die Zusammenarbeit mit Carbfix und der Standort Island erfüllen für Climeworks wichtige Anforderungen zum Roll-Out der Technologie.
Standortwahl abhängig von Energiequellen und Lagermöglichkeiten
Die geologische Lagerung von CO2 ist fast überall auf der Welt möglich. Laut Forschungserkenntnissen des Carbon Dioxide Removal Primers sind die Lagerkapazitäten groß genug, um das Dreifache aller seit der industriellen Revolution emittierten Treibhausgase aufzunehmen.
Die Zusammenarbeit mit Carbfix und der Standort Island erfüllen für Climeworks wichtige Anforderungen zum Roll-Out der Technologie.
Climeworks bezieht die Energie zum Betrieb der Anlage Orca vom nahegelegenen Geothermie-Kraftwerk in Hellisheidi. Ziel ist es, ausschließlich erneuerbare Energiequellen zu nutzen.
„Island ist vulkanisch und das Gestein ist sehr reaktiv, was es zu einem idealen Standort macht. Besonders wichtig sind der Zugriff zu einer erneuerbaren Energiequelle und reaktive Gesteinsschichten als geeignete Speicherorte für das gefilterte CO2. Die Logik dahinter ist klar: würden andere Energiequellen genutzt, wäre die Klimabilanz der Anlagen viel schlechter. Verschiedene Standorte erfüllen diese Anforderungen und wenn genug CO2 aus der Luft gefiltert werden soll, um den Klimawandel zu begrenzen, kann sich der Einsatz der Technologie nicht auf Island beschränken. Derzeit ist die Lieferung einer Anlage in den Oman geplant, der ebenfalls geeignete Rahmenbedingungen hinsichtlich der Energiequelle und Lagermöglichkeiten bietet.“
Nathalie Casas
– Head of Technology
bei Climeworks
Vision: Black Factory
Die Kollektoren der Anlage Orca unterscheiden sich von denen der Pilotanlage Arctic Fox. Die Struktur der Kollektoren, die Stabilität der Hardware sowie die Lebensdauer des eingesetzten Filtermaterials wurden für den Anlagenbetrieb am Standort Island optimiert. Ziel ist die Entwicklung einer standardisierten Anlage zur Filterung von CO2, die unabhängig von rauen Umgebungsbedingungen funktionsfähig ist.
Erkenntnisse aus Vorgängerprojekt Arctic Fox für ORCA umgesetzt
Arctic Fox ist der Vorläufer der bisher größten Anlage Orca in Island, mit einer nominalen Filterkapazität von 50 Tonnen CO2 pro Jahr. Die Inbetriebnahme der Anlage diente der Erprobung der DAC+S Technologie unter den rauen Umgebungsbedingungen Islands und markierte den Beginn der Partnerschaft mit Carbfix zur unterirdischen Lagerung des gefilterten CO2s. Die aus dem Testprojekt gewonnenen Erfahrungen sind für die Umsetzung weiterer Projekte von entscheidender Bedeutung, erklärt Nathalie Casas:
Erkenntnisse aus Vorgängerprojekt Arctic Fox für ORCA umgesetzt
Arctic Fox ist der Vorläufer der bisher größten Anlage Orca in Island, mit einer nominalen Filterkapazität von 50 Tonnen CO2 pro Jahr. Die Inbetriebnahme der Anlage diente der Erprobung der DAC+S Technologie unter den rauen Umgebungsbedingungen Islands und markierte den Beginn der Partnerschaft mit Carbfix zur unterirdischen Lagerung des gefilterten CO2s. Die aus dem Testprojekt gewonnenen Erfahrungen sind für die Umsetzung weiterer Projekte von entscheidender Bedeutung, erklärt Nathalie Casas:
Die Kollektoren der Anlage Orca unterscheiden sich von denen der Pilotanlage Arctic Fox. Die Struktur der Kollektoren, die Stabilität der Hardware sowie die Lebensdauer des eingesetzten Filtermaterials wurden für den Anlagenbetrieb am Standort Island optimiert. Ziel ist die Entwicklung einer standardisierten Anlage zur Filterung von CO2, die unabhängig von rauen Umgebungsbedingungen funktionsfähig ist.
„Die neue, in der Anlage Orca verbaute Technologie ist im Vergleich zum Projekt Arctic Fox viel effizienter als zuvor. Die Struktur, das Filtermaterial, und die Hardware wurden optimiert und an die Klimabedingungen in Island angepasst. Ein Beispiel: Die Luft in Island ist sehr schwefelhaltig. Buntmetallkomponenten der Schalldämpfer an der Anlage Arctic Fox sind innerhalb von drei Wochen oxidiert. Andere Komponenten wiederum benötigen Schutz bei langanhaltendem Schneefall. Erkenntnisse wie diese ermöglichen Anpassungen, welche die Risiken und Fehleranfälligkeit bei der Errichtung weiterer Anlagen verringern.“
Nathalie Casas
– Head of Technology
bei Climeworks
Prozessdaten der Orca Anlage werden mittels Sensoren erfasst. Zu den Messungen gehören Temperatur, Druck, Ventildaten, Qualität des aufbereiteten CO2s, Wetterdaten, Energieverbrauch und Funktionalität des Sorbents.
Climeworks setzt auf Remote-Steuerung und -Wartung
Eine Prozesssteuerungssoftware ist in der Anlage Orca im Einsatz. Sensoren überwachen verschiedene Messwerte sowie den Zustand der eingesetzten Komponenten. Das detaillierte Monitoring ermöglicht vorausschauende Wartung. Die Funktionalität zur Remote-Steuerung soll in Zukunft noch ausgeweitet werden, erklärt Nathalie Casas:
Climeworks setzt auf Remote-Steuerung und -Wartung
Eine Prozesssteuerungssoftware ist in der Anlage Orca im Einsatz. Sensoren überwachen verschiedene Messwerte sowie den Zustand der eingesetzten Komponenten. Das detaillierte Monitoring ermöglicht vorausschauende Wartung. Die Funktionalität zur Remote-Steuerung soll in Zukunft noch ausgeweitet werden, erklärt Nathalie Casas:
Prozessdaten der Orca Anlage werden mittels Sensoren erfasst. Zu den Messungen gehören Temperatur, Druck, Ventildaten, Qualität des aufbereiteten CO2s, Wetterdaten, Energieverbrauch und Funktionalität des Sorbents.
„Die Anlage Orca ist die erste ihrer Art, daher sind immer noch Mitarbeiter zur Beobachtung vor Ort. Die Steuerung erfolgt jedoch von der Schweiz aus. Ziel ist es, die Anlagen als Black Factories zu betreiben. Das bedeutet, dass keine Mitarbeiter vor Ort sind und die Steuerung vollständig remote stattfindet. Aus diesem Grund wird in Laborumgebungen der Datenkommunikationsstandard OPC UA getestet. Dieser soll in der nächsten Anlage zur Steuerung eingesetzt werden.“
Nathalie Casas
– Head of Technology
bei Climeworks
Skalierung der DAC+S Lösung
In den nächsten Jahren will Climeworks die Kapazität seiner Anlagen um einen Faktor von fünf bis zehn alle zwei bis drei Jahre steigern. Gleichzeitig wird die Maschine zur CO2-Filterung weiter optimiert, erklärt Nathalie Casas:
„Die Entwicklung von PTX-Projekten wird fortgesetzt, Anlagen wie Orca stehen jedoch klar im Fokus der Entwicklungsarbeit. Die Maschinen, Anlagen und Prozesskomponenten sind modular konzipiert, sodass der Austausch oder das Einfügen gewisser Teile leicht möglich ist, je nachdem ob es sich für den jeweiligen Standort lohnt oder nicht. Dies betrifft zum Beispiel Module zur Wärmeund Energierückgewinnung im CO2-Kollektorsystem der Anlagen.“
Nathalie Casas
– Head of Technology
bei Climeworks
Zielsetzung: Die Eindämmung des Klimawandels
CO2-Emissionen steigen 2021 auf Rekordhoch
Welche Bereiche verursachen die meisten CO2-Emissionen?
Der größte Anteil der Gesamtemissionen ist auf den Energie- und Stromverbrauch in Gebäuden (17,5 % der Gesamtemissionen), der Industrie (24,2 %) und beim Transport (16,2 %) zurückzuführen. Insbesondere der Straßenverkehr (11,9 %), Privathaushalte (10,9 %) und die Eisen- und Stahlindustrie (7,2 %) tragen dazu bei. Der Energieverbrauch insgesamt macht 73,2 % der Gesamtemissionen aus. Ein weiterer nennenswerter Verursacher ist die Lebensmittelversorgung.
Land- und Forstwirtschaft tragen zu 18,4 % zu den Gesamtemissionen bei, Tierhaltung zu 5,8 %. Die Lebensmittelindustrie inklusive Anbau und Landnutzung sowie Kühlung, Verarbeitung und Transport von Lebensmitteln machen insgesamt 26 % der CO2-Emissionen aus.
CO2-Emissionen steigen 2021 auf Rekordhoch
Laut Studie der International Energy Agency (IEA) erreichte die Gesamtmenge des emittierten CO2s 2021 einen neuen Höchststand. Mit insgesamt 36,3 Gigatonnen CO2 haben die Emissionen 2021 die coronabedingte Emissionsreduktion im Jahr 2020 mehr als ausgeglichen. Der Trend steigender CO2-Emissionen wird fortgesetzt.
Energie-Emissionsanstieg fast sektorübergreifend gestiegen
Mit Ausnahme des Transportsektors sind die CO2-Emissionen von Strom und Heizung, in der Industrie sowie von Gebäuden 2020 und 2021 insgesamt gestiegen. Der Energieverbrauch dieser Sektoren trägt zu 73 Prozent zu den Gesamtemissionen bei.
Nutzung fossiler Brennstoffe steigt an
Etwa 40 Prozent der globalen Emissionen gehen auf die Verbrennung von Kohle zurück. Schätzungen des Mercator Research Institute on Global Commons and Climate Research (MCC) zufolge verbleiben nur noch knapp 8 Jahre, um die Emissionen der fossilen Brennstoffe einzudämmen und die Erderwärmung auf 1,5 Grad Celsius zu begrenzen.
Welche Bereiche verursachen die meisten CO2-Emissionen?
Der größte Anteil der Gesamtemissionen ist auf den Energie- und Stromverbrauch in Gebäuden (17,5 % der Gesamtemissionen), der Industrie (24,2 %) und beim Transport (16,2 %) zurückzuführen. Insbesondere der Straßenverkehr (11,9 %), Privathaushalte (10,9 %) und die Eisen- und Stahlindustrie (7,2 %) tragen dazu bei. Der Energieverbrauch insgesamt macht 73,2 % der Gesamtemissionen aus. Ein weiterer nennenswerter Verursacher ist die Lebensmittelversorgung.
Land- und Forstwirtschaft tragen zu 18,4 % zu den Gesamtemissionen bei, Tierhaltung zu 5,8 %. Die Lebensmittelindustrie inklusive Anbau und Landnutzung sowie Kühlung, Verarbeitung und Transport von Lebensmitteln machen insgesamt 26 % der CO2-Emissionen aus.
CO2-Emissionen steigen 2021 auf Rekordhoch
Laut Studie der International Energy Agency (IEA) erreichte die Gesamtmenge des emittierten CO2s 2021 einen neuen Höchststand. Mit insgesamt 36,3 Gigatonnen CO2 haben die Emissionen 2021 die coronabedingte Emissionsreduktion im Jahr 2020 mehr als ausgeglichen. Der Trend steigender CO2-Emissionen wird fortgesetzt.
Energie-Emissionsanstieg fast sektorübergreifend gestiegen
Mit Ausnahme des Transportsektors sind die CO2-Emissionen von Strom und Heizung, in der Industrie sowie von Gebäuden 2020 und 2021 insgesamt gestiegen. Der Energieverbrauch dieser Sektoren trägt zu 73 Prozent zu den Gesamtemissionen bei.
Nutzung fossiler Brennstoffe steigt an
Etwa 40 Prozent der globalen Emissionen gehen auf die Verbrennung von Kohle zurück. Schätzungen des Mercator Research Institute on Global Commons and Climate Research (MCC) zufolge verbleiben nur noch knapp 8 Jahre, um die Emissionen der fossilen Brennstoffe einzudämmen und die Erderwärmung auf 1,5 Grad Celsius zu begrenzen.
CO2-Emissionen steigen 2021 auf Rekordhoch