Kann das Absaugen von CO2 aus der Atmosphäre wirklich funktionieren?

Physiker Peter Eisenberger hatte mit Skepsis der Kollegen auf seine Idee gerechnet. Immerhin behauptete er, eine Maschine erfunden zu haben, die die Atmosphäre von überschüssigem Kohlendioxid reinigen, das Gas in Treibstoff umwandeln oder unterirdisch speichern könnte. Und der Wissenschaftler der Columbia University war sich bewusst, dass die Benennung seines zwei Jahre alten Startups Global Thermostat nicht gerade eine Übung in Demut gewesen war.

Doch der Empfang im Frühjahr 2009 sei noch abweisender gewesen, als er erwartet hatte. Zunächst sprach er mit einem Sonderausschuss, der von der American Physical Society einberufen wurde, um mögliche Wege zur Reduzierung des Kohlendioxids in der Atmosphäre durch sogenannte Air Capture zu prüfen, was im Wesentlichen bedeutet, es vom Himmel zu entfernen. Sie hörten sich seine Präsentation höflich an, stellten aber kaum Fragen. Ein paar Wochen später sprach er im National Energy Technology Laboratory des US-Energieministeriums in West Virginia vor einem ähnlich skeptischen Publikum. Eisenberger erklärte, dass die Forschung seines Labors Chemikalien, sogenannte Amine, einschließt, die bereits verwendet werden, um konzentriertes Kohlendioxid abzufangen, das von Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen emittiert wird. Dieselbe auf Amin basierende Technologie, sagte er, zeigte auch Potenzial für die weitaus schwierigere und ehrgeizigere Aufgabe, das Gas aus der freien Luft einzufangen, wo Kohlendioxid in Konzentrationen von 400 Teilen pro Million gefunden wird. Das ist bis zu 300 Mal diffuser als in Kraftwerksschornsteinen. Aber Eisenberger argumentierte, dass er ein einfaches Design hatte, um das Kunststück auf kostengünstige Weise zu erreichen, teilweise wegen der Art und Weise, wie er die Amine recyceln würde. Das sei nicht einmal registriert worden, erinnert er sich. Ich hatte das Gefühl, dass viele Leute auf mich pissen.



CTO und Mitgründer Peter Eisenberger vor der Lufterfassungsmaschine von Global Thermostat.

Am nächsten Tag rief ihn jedoch ein Leiter des Labors aufgeregt an. Die DOE-Wissenschaftler hatten erkannt, dass Aminproben, die im Labor herumlagen, sich bei Raumtemperatur mit Kohlendioxid verbunden hatten – eine Tatsache, die sie bis dahin nicht sehr geschätzt hatten. Es bedeutete, dass Eisenbergers Ansatz zur Luftabscheidung zumindest machbar war, sagt einer der Chemiker des DOE-Labors, Mac Gray.

Fünf Jahre später hat Eisenbergers Unternehmen Investitionen in Höhe von 24 Millionen US-Dollar aufgebracht, eine funktionierende Demonstrationsanlage gebaut und Verträge abgeschlossen, um mindestens einen Kunden mit Kohlendioxid zu beliefern, das vom Himmel geerntet wird. Aber die nächste Herausforderung besteht darin, zu beweisen, dass die Technologie einen transformativen Einfluss auf die Welt haben könnte, der dem Namen seines Unternehmens gerecht wird.

Die Notwendigkeit einer Kohlesaugmaschine ist leicht zu erkennen. Die meisten Technologien zur Minderung von Kohlendioxid funktionieren nur dort, wo das Gas in großen Konzentrationen emittiert wird, wie in Kraftwerken. Aber überall auf der Erde installierte Air-Capture-Maschinen könnten die 52 Prozent der Kohlendioxidemissionen bewältigen, die von verteilten, kleineren Quellen wie Autos, Farmen und Häusern verursacht werden. Zweitens könnte Air Capture, falls es jemals praktikabel wird, die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre allmählich verringern. Da sich die Emissionen beschleunigt haben – sie steigen jetzt um 2 Prozent pro Jahr, doppelt so schnell wie in den letzten drei Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts – haben Wissenschaftler begonnen, die Dringlichkeit zu erkennen, sogenannte negative Emissionen zu erreichen.

Der offensichtliche Bedarf an der Technologie hat mehrere andere Bemühungen veranlasst, verschiedene Ansätze zu entwickeln, die praktisch sein könnten. Zum Beispiel fängt Climate Engineering mit Sitz in Calgary Kohlenstoff unter Verwendung einer flüssigen Natriumhydroxidlösung ein, einer gut etablierten Industrietechnik . Eine Firma, die von einem frühen Pionier der Idee, Eisenbergs Columbia-Kollege Klaus Lackner, mitbegründet wurde, arbeitete mehrere Jahre an dem Problem, bevor sie 2012 aufgab.

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Negative Emissionen sind definitiv erforderlich, um die Atmosphäre wiederherzustellen, da wir alle sicheren Grenzwerte für CO2 weit überschreiten werden, falls es einen gibt. Für mich stellt sich die Frage, ob das wirtschaftlich machbar ist?

Ein im April veröffentlichter Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen besagt, dass die Vermeidung des international vereinbarten Ziels von 2 °C globaler Erwärmung wahrscheinlich den weltweiten Einsatz von Strategien zur Entfernung von Kohlendioxid wie der Luftabscheidung erfordern wird. (Siehe Die Kosten der Begrenzung des Klimawandels könnten sich ohne CO2-Abscheidungstechnologie verdoppeln.) Negative Emissionen sind definitiv erforderlich, um die Atmosphäre wiederherzustellen, da wir alle sicheren Grenzwerte für CO2 weit überschreiten werden, falls es einen gibt, sagt Daniel Schrag, Direktor des Harvard University Center for the Environment. Für mich stellt sich die Frage, ob das wirtschaftlich machbar ist?

Die meisten Experten sind skeptisch. (Siehe What Carbon Capture Can’t Do .) Ein Bericht der American Physical Society aus dem Jahr 2011 identifizierte die wichtigsten physikalischen und wirtschaftlichen Herausforderungen. Die Tatsache, dass sich Kohlendioxid an Amine bindet und ein Molekül namens Carbamat bildet, ist in der Chemie bekannt. Aber Kohlendioxid ist immer noch nur eines von 2.500 Molekülen in der Luft. Das bedeutet, dass eine effektive Air-Capture-Maschine große Mengen Luft an Aminen vorbeidrücken müsste, um genügend Kohlendioxid zu erhalten, um an ihnen zu haften, und dann die Amine regenerieren müsste, um mehr einzufangen. Das würde viel Energie erfordern und damit sehr teuer werden, heißt es im Bericht von 2011. Aus diesem Grund kam es zu dem Schluss, dass Air Capture derzeit kein wirtschaftlich tragfähiger Ansatz zur Eindämmung des Klimawandels ist.

Die Mitarbeiter von Global Thermostat verstehen diese beängstigende Wirtschaftlichkeit, bleiben aber trotzig optimistisch. Laut Graciela Chichilnisky, Mitbegründerin von Global Thermostat, Wirtschaftswissenschaftlerin und Mathematikerin an der Columbia University, lässt sich Air Capture rentabel machen, indem man sich die Nachfrage verschiedener Branchen nach Gas zunutze macht. Es gibt bereits einen gut etablierten Milliarden-Dollar-Markt für Kohlendioxid, das zur Verjüngung von Ölquellen, zur Herstellung von kohlensäurehaltigen Getränken und zur Stimulierung des Pflanzenwachstums in kommerziellen Gewächshäusern verwendet wird. Historisch wird das Gas für rund 100 Dollar pro Tonne verkauft. Aber Eisenberger sagt, dass die Prototypmaschine seines Unternehmens eine konzentrierte Tonne des Gases für weit weniger als das fördern könnte. Die Idee ist, Kohlendioxid zunächst an Nischenmärkte wie die Ölförderung zu verkaufen, um schließlich größere Märkte zu schaffen, wie die Verwendung von Katalysatoren zur Herstellung von Kraftstoffen in Prozessen, die von Solarenergie angetrieben werden. Sobald die Abscheidung von Kohlenstoff aus der Luft rentabel ist, werden Menschen, die in ihrem eigenen Interesse handeln, dies möglich machen, sagt Chichilnisky.

Aufwärmen

Eisenberger und Chichilnisky waren 2008 Kollegen bei Columbia, als sie feststellten, dass sie komplementäre Interessen hatten: seine in Energie und ihre in Umweltökonomie, einschließlich der Arbeit zur Mitgestaltung des Kyoto-Protokolls von 1991, des ersten globalen Abkommens zur Reduzierung von Emissionen. Die Nationen hätten große Kürzungen zugesagt, sagt Chichilnisky, aber die wirtschaftlichen und politischen Realitäten hätten keine Möglichkeit geboten, sie umzusetzen. Das Paar beschloss, ein Unternehmen zu gründen, um die CO2-Herausforderung anzugehen.

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Sie konzentrierten sich auf die Luftabscheidung, die zuerst von Nazi-Wissenschaftlern entwickelt wurde, die flüssige Sorptionsmittel verwendeten, um Ansammlungen von CO2 in U-Booten zu entfernen. Im Winter 2008 zog sich Eisenberger in ein ruhiges Haus mit großen Glasfenstern und Blick auf den Ozean im kalifornischen Mendocino County zurück. Dort studierte er die vorhandene Literatur zur Kohlenstoffabscheidung und traf eine Schlüsselentscheidung. Wissenschaftler, die Techniken zur Abscheidung von CO2 entwickeln, haben bisher versucht, mit hohen Konzentrationen des Gases zu arbeiten. Aber Eisenberger und Chichilnisky konzentrierten sich auf einen anderen Term in diesen Gleichungen: Temperatur.

Ingenieure haben zuvor Amine eingesetzt, um CO2 aus Rauchgasen zu waschen, deren Temperaturen rund 70 °C betragen, wenn sie Kraftwerke verlassen. Die anschließende Entfernung des CO2 aus den Aminen – die Regenerierung der Amine – erfordert in der Regel Reaktionen bei 120 °C. Im Gegensatz dazu berechnete Eisenberger, dass sein System bei etwa 85 °C arbeiten würde und weniger Gesamtenergie benötigen würde. Es würde relativ billigen Dampf für zwei Zwecke verwenden. Der Dampf würde die Oberfläche erhitzen, das CO2 von den zu sammelnden Aminen austreiben und gleichzeitig CO2 von der Oberfläche wegblasen.

Selbst wenn sich die Luftabscheidung eines Tages als rentabel erweisen sollte, ist eine andere Frage, ob sie ausgeweitet werden sollte.

Das Ergebnis? Mit weniger Wärmemanagement-Infrastruktur als bei Aminen in den Schornsteinen von Kraftwerken erforderlich, könnte die Konstruktion eines Wäschers einfacher und daher billiger sein. Unter Verwendung von Daten aus ihrem Prototyp geht Eisenbergers Team davon aus, dass der Ansatz zwischen 15 und 50 US-Dollar pro Tonne aus der Luft abgeschiedenem Kohlendioxid kosten könnte, je nachdem, wie lange die Aminoberflächen halten.

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Wenn Global Thermostat auch nur annähernd die Preise erzielen kann, die es anpreist, winken eine Reihe von Nischenmärkten. Das Startup hat sich mit einem in Carson City, Nevada, ansässigen Unternehmen namens Algae Systems zusammengetan, um Biokraftstoffe aus Kohlendioxid und Algen herzustellen. Inzwischen steigt die Nachfrage nach Kohlendioxid zur Injektion in erschöpfte Ölquellen, eine Technik, die als Enhanced Oil Recovery bekannt ist. Eine Studie schätzt, dass die Anwendung bis 2021 jährlich bis zu 3 Milliarden Tonnen Kohlendioxid erfordern könnte, was einer fast zehnfachen Steigerung gegenüber dem Markt von 2011 entspricht.

Das ist immer noch ein Tropfen auf den heißen Stein in Bezug auf die Mengen, die benötigt werden, um die CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu reduzieren oder sogar zu stabilisieren. Aber Eisenberger sagt, dass es wirklich keine Alternativen zum Air Capture gibt. Das einfache Abfangen von CO2-Emissionen aus Kohlekraftwerken, sagt er, erweitert nur die Abhängigkeit der Gesellschaft von CO2-intensiver Kohle.

Saug es auf

Es ist ein warmer Dezembernachmittag im Silicon Valley, als Eisenberger und ich uns auf den Weg durch das Betonforschungszentrum von SRI International machen. In diesen niedrigen Gebäuden demonstrierten Ingenieure erstmals ARPAnet, Apples Siri-Software und unzählige andere technologische Fortschritte. Etwa eine Viertelmeile vom Eingang entfernt kommt ein 40 Fuß hoher Turm aus Ventilatoren, Stahl- und Silberrohren in Sicht. Dies ist die Demonstrationsanlage von Global Thermostat. Es ist imposant und sauber. Eisenberger blickt auf die stille Szene rund um den Turm, zu der auch ein hoher Baum gehört. Er macht genau das, was der Baum macht, sagt Eisenberger. Aber dann korrigiert er sich. Nun, eigentlich macht es es viel besser.

Nachdem Eisenberger 1967 in Harvard in Physik promoviert hatte, folgten Stationen bei Bell Labs, Princeton und Stanford. Bei Exxon leitete er in den 1980er Jahren Arbeiten zur Solarenergie und war dann Direktor von Lamont-Doherty, dem geowissenschaftlichen Labor in Columbia. Dort hat er ein langjähriges Seminar mit dem Titel „Das System Erde/Mensch“ geleitet. In diesem Seminar hörte Eisenberger 2007 mit Lackner als Gastdozent zum ersten Mal von Air Capture. Nach ungefähr einem Jahr der Vorbereitung wandten er und Chichilnisky sich an den Milliardär Edgar Bronfman Jr.. Manchmal, wenn man etwas hört, das zu gut sein muss, um wahr zu sein, liegt es daran, dass es so ist, war Bronfmans Reaktion, so sein Sohn, der anwesend war bei der Versammlung. Aber der Spross flehte seinen Vater an: Wenn sie Recht haben, ist dies eine der größten Chancen da draußen. Die Familie investierte 18 Millionen Dollar.

Diese Großzügigkeit hat es dem Unternehmen ermöglicht, seine Demonstration aufzubauen, obwohl es im Grunde keine staatliche Unterstützung für die Lufterfassungsforschung gibt. (Global Thermostat wählte SRI als Standort aufgrund der früheren Erfahrung der Einrichtung mit Kohlenstoffabscheidungstechnologie.) Der rechteckige Turm verwendet Ventilatoren, um Luft über abwechselnd 10 Fuß breite Oberflächen, die als Kontaktoren bekannt sind, anzusaugen. Jeder besteht aus 640 Keramikwürfeln, in die das Amin-Sorbens eingebettet ist. Der Turm hebt einen Schütz an, während ein anderer abgesenkt wird. Dadurch können die Würfel des einen CO2 aus der Umgebungsluft sammeln, während das Gas des anderen durch die Anwendung von Dampf bei 85 °C entzogen wird. Im Moment wird dieses Gas einfach abgelassen, aber je nach Kunde könnte es in den Boden injiziert, per Rohr transportiert oder zur industriellen Nutzung in eine Chemiefabrik geleitet werden.

Eine zentrale Herausforderung für das Unternehmen ist die Robustheit der Amin-Sorbens-Oberflächen. Sie neigen dazu, schnell zu zerfallen, wenn sie oxidiert werden, und ein häufiger Austausch der Sorptionsmittel könnte den Prozess viel weniger kosteneffektiv machen als Eisenberger-Projekte.

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Falsche Hoffnung

Keines der Tausenden von Kohlekraftwerken auf der Welt ist für die vollständige Abscheidung ihrer Kohlenstoffverschmutzung ausgestattet. Und wenn es für den Einsatz in Kraftwerken mit ihrer konzentrierten Kohlendioxidquelle nicht wirtschaftlich ist, scheinen die Aussichten, es aus der Luft zu gewinnen, vielen Experten schlecht. Es gibt wirklich kaum eine Chance, CO2 aus der Umgebungsluft billiger abzuscheiden als aus einem Kohlekraftwerk, wo das Rauchgas 300-mal konzentrierter ist, sagt Robert Socolow, Direktor des Princeton Environment Institute und Co-Direktor der Initiative zur Kohlenstoffminderung der Universität .

Zu der Skepsis gegenüber der Machbarkeit von Air Capture kommt hinzu, dass es andere, billigere Möglichkeiten gibt, die sogenannten negativen Emissionen zu erzeugen. Ein praktischerer Weg, dies zu tun, wäre laut Schrag die Gewinnung von Brennstoffen aus Biomasse – die der Atmosphäre beim Wachstum CO2 entzieht. Wenn dieses Ausgangsmaterial in einem Reaktor fermentiert wird, um Ethanol zu erzeugen, entsteht ein Strom aus reinem Kohlendioxid, das aufgefangen und unterirdisch gespeichert werden kann. Es handelt sich um eine bewährte Technik, die an einer Handvoll Standorten weltweit getestet wurde.

Selbst wenn sich die Lufterfassung eines Tages als rentabel erweisen sollte, sei es sollen skaliert werden, ist eine andere Frage. Angenommen, ein Solarkraftwerk wird außerhalb eines bestehenden Kohlekraftwerks gebaut. Soll die Energie, die das neue Solarkraftwerk produziert, verwendet werden, um Kohlenstoff aus der Atmosphäre zu saugen, oder um das Abschalten des Kohlekraftwerks zu ermöglichen, indem seine Energieleistung ersetzt wird? Letzteres sei viel sinnvoller, sagt Socolow. Er und andere haben eine weitere Sorge in Bezug auf die Lufterfassung: dass Behauptungen über ihre Machbarkeit Selbstgefälligkeit hervorrufen könnten. Ich möchte nicht, dass wir den Menschen die falsche Hoffnung machen, dass die Luftabscheidung das Problem der Kohlenstoffemissionen lösen kann, ohne sich stark auf die [Verringerung des Verbrauchs] fossiler Brennstoffe zu konzentrieren, sagt er.

Eisenberger und Chichilnisky halten es für wichtig, CO2 aus der Atmosphäre zu saugen, anstatt sich ausschließlich darauf zu konzentrieren, es aus Kohlekraftwerken abzuscheiden. 2010 entwickelten die beiden eine Version ihrer Technologie, die Luft mit Rauchgas aus einem Kohle- oder Gaskraftwerk mischt. Dieser Ansatz stellt eine Dampfquelle bereit und fängt gleichzeitig sowohl atmosphärischen Kohlenstoff als auch neue Emissionen ein. Es könnte auch die Kosten senken, indem es eine höhere CO2-Konzentration für die Abscheidung durch die Maschine bereitstellt. Es ist ein sehr beeindruckendes System, ein Triumph, sagt Socolow, der glaubt, dass die wissenschaftlichen Fortschritte bei der Luftabscheidung letztendlich hauptsächlich in Kohle- und Gaskraftwerken zum Einsatz kommen werden.

Eine solche Anwendung könnte eine entscheidende Rolle bei der Beseitigung von Treibhausgasemissionen spielen. Aber Eisenberger hat noch höhere Ziele offenbart. Ein Patent, das ihm und Chichilnisky im Jahr 2008 erteilt wurde, beschrieb die Air-Capture-Technologie unter anderem als einen globalen Thermostat zur Steuerung der Durchschnittstemperatur der Atmosphäre eines Planeten.

Eli Kintisch ist Korrespondent für Wissenschaft Zeitschrift.

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