Direct Air Capturing – Technologie zur CO2-Abscheidung

Direct Air Capturing (DAC) beschreibt Verfahren, bei denen CO2 direkt aus der Umgebungsluft abgeschieden wird. DAC gilt als eine Möglichkeit, um die Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre zu reduzieren und so dem Klimawandel entgegenzuwirken. Im Folgenden werden die Vor- und Nachteile dieser Technologie und die aktuellen Kosten von DAC-Technologien und mögliche Kostensenkungspotenziale erläutern.

Definition von Direct Air Capturing

Direct Air Capture (DAC) bezeichnet den Einsatz chemischer oder physikalischer Prozesse zur Extraktion von Kohlendioxid (CO2) direkt aus der Umgebungsluft. Dieser Prozess unterscheidet sich von der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS), die CO2 aus punktuellen Quellen wie Zementfabriken oder Bioenergieanlagen einfängt.

Nach der Abscheidung erzeugt Direct Air Capturing einen konzentrierten CO2-Strom zur Speicherung oder Nutzung oder zur Produktion von kohlenstoffneutralem Kraftstoff und Windgas.

Direct Air Capturing-Verfahren bestehen in der Regel aus drei Schritten:

Zunächst wird die Umgebungsluft mittels Ventilatoren auf ein Sorptionsmittel geleitet. Anschließend muss das CO2 aus der Umgebungsluft durch absorbierende oder adsorbierende Substanzen gebunden werden. Schließlich wird das CO2 durch Zufuhr von thermischer oder elektrischer Energie wieder vom Sorptionsmittel getrennt, so dass dieses für einen neuen Zyklus bereitsteht.

Direct Air Capturing kann an jedem Ort eingesetzt werden und ist nicht auf bestimmte CO2-Quellen beschränkt. Es kann auf nicht landwirtschaftlich nutzbarem Land gebaut werden, um Konflikte mit der Nahrungsmittelproduktion zu vermeiden. Die Wassernutzung hängt von den klimatischen Bedingungen ab und kann durch Standortflexibilität minimiert werden.

Direct Air Capturing ist jedoch energieintensiver als traditionelle Abscheidungsmethoden von punktuellen Quellen aufgrund der geringen CO2-Konzentration in der Umgebungsluft. 

Die theoretisch minimale Energie, die benötigt wird, um CO2 aus der Umgebungsluft zu extrahieren, beträgt etwa 250 kWh pro Tonne CO2, während die Abscheidung aus Erdgas- und Kohlekraftwerken etwa 100 bzw. 65 kWh pro Tonne CO2 erfordert. Direct Air Capturing kann auch als Mechanismus zur Entfernung von CO2 dienen, wenn es mit langfristiger CO2-Speicherung kombiniert wird, bekannt als Direct Air Carbon Capture and Storage (DACCS). DACCS kann als eine „negative Emissionstechnologie“ (NET) fungieren, obwohl es bis 2022 noch nicht rentabel war, da die Kosten pro Tonne CO2 mehrere Male über dem Kohlenstoffpreis liegen.

Praktische Anwendungen von Direct Air Capturing umfassen unter anderem die Verbesserung der Ölgewinnung und die Produktion von synthetischen Kraftstoffen. Diese Anwendungen erfordern unterschiedliche Konzentrationen des aus dem eingefangenen Gas gebildeten CO2-Produkts. Formen der Kohlenstoffspeicherung wie die geologische Speicherung erfordern reine CO2-Produkte (Konzentration > 99%), während andere Anwendungen wie die Landwirtschaft mit verdünnteren Produkten (~ 5%) funktionieren können

Vorteile von Direct Air Capturing

• Reduktion des CO2-Gehalts in der Atmosphäre: DAC ermöglicht es, CO2 gezielt aus der Luft zu filtern und der Atmosphäre somit aktiv Kohlenstoffdioxid zu entziehen. Dies kann helfen, die Treibhausgaskonzentration zu senken.
• CO2 als Rohstoff: Das abgeschiedene CO2 kann als Rohstoff weiterverwendet werden, beispielsweise in der chemischen Industrie oder für die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen. So kann DAC zur Dekarbonisierung der Industrie beitragen.
• Negative Emissionen: Wird das abgeschiedene CO2 dauerhaft in geologischen Formationen gespeichert (Carbon Capture and Storage), können negative Emissionen erzielt werden. Dies könnte helfen, bereits emittiertes CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen.
• Skalierbarkeit: DAC-Anlagen sind prinzipiell beliebig skalierbar. Es könnten also große Mengen an CO2 aus der Luft gefiltert werden, wenn ausreichend Anlagen gebaut würden.
• Standortunabhängigkeit: Da die Umgebungsluft überall CO2 enthält, sind DAC-Anlagen standortunabhängig einsetzbar. Sie könnten somit überall auf der Welt errichtet werden.

Nachteile von Direct Air Capturing

• Hoher Energiebedarf: Der Betrieb von DAC-Anlagen ist sehr energieintensiv. Bei ungünstigem Strommix können dadurch indirekt zusätzliche CO2-Emissionen entstehen.
• Hohe Kosten: Aufgrund der aufwendigen Technik und des Energiebedarfs sind DAC-Anlagen derzeit noch sehr teuer. Die Abscheidungskosten pro Tonne CO2 liegen derzeit bei 100-1000 US-Dollar.
• Effizienz: Da der CO2-Gehalt in der Luft sehr gering ist (ca. 0,04%), ist der Wirkungsgrad der Anlagen derzeit noch relativ niedrig. Es müssen sehr große Luftmengen bewegt werden, um relevanten Mengen CO2 abzuscheiden.
• Skalierbarkeit: Trotz prinzipieller Skalierbarkeit ist es unter realen Bedingungen eine große Herausforderung, DAC in dem Umfang hochzuskalieren, der für eine signifikante Reduktion des atmosphärischen CO2-Gehalts nötig wäre.
• Infrastruktur: Für Transport, Lagerung und Nutzung des abgeschiedenen CO2 ist zusätzliche Infrastruktur erforderlich. Der Aufbau dieser Infrastruktur ist komplex und teuer.
• Akzeptanz: Die Akzeptanz in der Bevölkerung für den Bau von DAC-Anlagen und die unterirdische CO2-Speicherung ist derzeit noch unsicher.

Aktuelle Kosten von Direct Air Capturing

Die Kosten für den Betrieb von DAC-Anlagen liegen derzeit zwischen 250 und 600 Euro pro Tonne abgeschiedenes CO2. Dies ist deutlich teurer als die Vermeidung von CO2-Emissionen durch Effizienzsteigerungen oder den Einsatz erneuerbarer Energien.

Die hohen Kosten ergeben sich aus dem energieintensiven Betrieb der Anlagen sowie den Investitionskosten für die aufwendige Technik. DAC-Anlagen benötigen große Mengen an elektrischer Energie, um die Umgebungsluft durch die Filter zu bewegen und das CO2 abzuscheiden. Zusätzlich wird Wärmeenergie benötigt, um das CO2 wieder aus dem Filtermaterial zu lösen.

Weitere Kostenfaktoren sind die Anschaffung teurer Spezialfilter, die Wartung der Anlagen sowie die Aufbereitung und Lagerung des abgeschiedenen CO2. Die Investitionskosten für den Bau von DAC-Anlagen liegen derzeit bei etwa 400 bis 600 Euro pro Tonne jährlicher CO2-Abscheidungskapazität.

Kostensenkungspotenziale

Es gibt verschiedene Ansatzpunkte, um die Kosten von DAC-Technologien in Zukunft zu senken:

• Skaleneffekte: Mit zunehmender Anlagengröße und Massenproduktion der Komponenten können die Investitions- und Betriebskosten gesenkt werden.
• Energiekosten: Durch günstige erneuerbare Energien lassen sich die Betriebskosten deutlich reduzieren.
• Effizienzsteigerung: Weiterentwicklungen der Filtermaterialien und Prozesse können den Energiebedarf und damit die Betriebskosten senken.
• Wärmerückgewinnung: Die Prozesswärme lässt sich teilweise zurückgewinnen, um den Energiebedarf zu verringern.
• Koppelprodukte: Wenn neben CO2 auch andere Produkte gewonnen werden, lassen sich zusätzliche Erlöse erzielen.
• Förderung: Staatliche Förderprogramme und CO2-Preise können DAC wirtschaftlicher machen.

Studien gehen davon aus, dass sich die Kosten bis 2030 auf 100 bis 200 Euro pro Tonne CO2 senken lassen könnten bei großskaligem Einsatz der Technologie. Weitere Kostensenkungen auf unter 100 Euro pro Tonne bis 2050 erscheinen möglich.

Fazit zu Direct Air Capturing

DAC birgt großes Potenzial, könnte der Atmosphäre aktiv CO2 entziehen und so den Klimawandel begrenzen. Allerdings gibt es noch große Herausforderungen zu überwinden, insbesondere bei Kosten, Energiebedarf und Skalierbarkeit. DAC sollte daher nur als Ergänzung zu konsequenten CO2-Reduktionsmaßnahmen gesehen werden, nicht als Ersatz. Insgesamt ist mehr Forschung und Entwicklung nötig, um DAC in Zukunft großtechnisch einsetzen zu können. Die Technologie sollte dabei immer im Kontext nachhaltiger Energieversorgung und verantwortungsvoller CO2-Nutzung oder -Speicherung betrachtet werden.