Trotz des Pariser Klimaabkommens und aller Energiesparmaßnahmen nimmt der weltweite Kohlendioxidausstoß zu. Die bisherigen Klimaschutzbemühungen, wie der Ausbau der Photovoltaik und der Windenergie, reichen nicht aus, um diesen Trend zu stoppen. Seit mehreren Jahren drängen Klimaexperten deshalb darauf, das CO2 direkt zu bekämpfen, es aus der Atmosphäre zu entfernen und langfristig unschädlich zu machen.
Im Fokus steht dabei eine Methode, die einen natürlichen Prozess nachahmt, der seit Milliarden von Jahren die CO2-Konzentration in der Atmosphäre kontrolliert: die chemische Bindung durch sogenannte Karbonate. Karbonate, die man etwa als Backpulver kennt, gelangen durch die Verwitterung von kalkhaltigem Gestein in die Natur. Der Regen spült sie in die Flüsse und ins Meer, wo sie mit dem CO2 reagieren. Das Klimagas bleibt so für lange Zeit chemisch gebunden und der Atmosphäre entzogen.
Forschende des Hereons ist es jetzt gelungen, einen Prozess nach diesem Prinzip im industriellen Maßstab marktreif zu machen. Künftig könnten damit pro Jahr viele Millionen Tonnen Kohlendioxid gebunden und unschädlich gemacht werden.
CO2 im Wasser langfristig binden
„Unser Verfahren basiert im Grunde auf einer Reaktion, die man noch aus dem Chemieunterricht kennt: der Neutralisierung einer Lauge durch eine Säure“, erklärt Prof. Helmuth Thomas, Leiter des Hereon-Instituts für Kohlenstoffkreisläufe. Der Klassiker aus der Schule ist die Reaktion von Natronlauge mit Salzsäure, bei der Kochsalz entsteht. Ähnlich verhält es sich mit CO2. CO2 aus der Luft reagiert im Wasser zu Kohlensäure. Lässt man die Kohlensäure dann mit einer Lauge, also einer „alkalischen“ Flüssigkeit, reagieren, entsteht Hydrogenkarbonat, welches das CO2 langfristig im Wasser bindet. Die Idee besteht nun darin, statt Karbonat aus Gesteinen für die Reaktion mit der Kohlensäure zu nutzen, alkalische Industrieabwässer zu verwenden.
„Diese alkalischen Abwässer fallen in großen Mengen an – in der Zement- oder in der Stahlproduktion zum Beispiel“, sagt Thomas. Bislang werden sie mit Schwefelsäure oder Salzsäure vermischt, um die Lauge zu neutralisieren. Erst dann dürfen die Abwässer in die Flüsse eingeleitet werden. Mit anderen Worten bleibt das Potenzial der Abwässer, CO2 binden zu können, bislang ungenutzt.
Doch was wäre, wenn man die alkalischen Abwässer künftig mit CO2 beziehungsweise Kohlensäure neutralisieren würde, statt mit Schwefelsäure? So ließen sich große Mengen des Klimagases in industriellem Maßstab im Hydrogenkarbonat binden. Die Frage war, wie viel Kohlendioxid sich mit diesem Prozess tatsächlich binden ließe. Um dies zu ermitteln, nutzte Helmuth Thomas seine Chemieexpertise. Er rechnete den Kohlendioxid-Umsatz für bestimmte Industrieanlagen exakt aus.
Das Ergebnis: Es lohnt sich, auf diese Weise CO2 zu neutralisieren – vor allem auch, weil der Energieverbrauch der Anlagen gering ist. Durch die automatische Anpassung der eingeleiteten Abwässer an die ursprünglichen Gegebenheiten des Flusses werden Umweltschutzvorgaben, insbesondere hinsichtlich des pH-Wertes, direkt berücksichtigt.
Vom Konzept zur sofort verfügbaren Technik
Die Fachwelt diskutiert schon länger darüber, wie sich Kohlendioxid mit Karbonaten chemisch binden lässt. Eine Idee ist es, Gesteinsmehl aus den Bergen mit Zügen und Lkws ans Meer zu transportieren, es auf Schiffe zu verladen und auf See ins Wasser zu streuen. Doch der logistische Aufwand wäre immens. Zudem ist unklar, wie gut und wie schnell die Karbonate aus dem Gesteinsmehl mit dem CO2 im Wasser reagieren und ob sie nicht im Meer versinken, bevor die Reaktion stattgefunden hat.
Bei einer Industrieanlage findet die gesamte Reaktion dagegen auf dem Industriegelände statt und die Massenbilanz lässt sich exakt berechnen. „Das Großartige daran ist, dass die Anlagentechnik bereits verfügbar ist“, sagt Thomas. Es könne sofort losgehen, anders als bei vielen anderen Konzepten zur Verringerung des atmosphärischen CO2. Würde man alle alkalischen Industrieabwässer zusammenrechnen, könnten mit diesem Verfahren künftig weltweit pro Jahr 30 Millionen t CO2 gebunden werden.
Forschung für eine Welt im Wandel
Das Ziel der Wissenschaft am Helmholtz-Zentrum Hereon ist der Erhalt einer lebenswerten Welt. Dafür erzeugen rund 1.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Wissen und erforschen neue Technologien für mehr Resilienz und Nachhaltigkeit – zum Wohle von Klima, Küste und Mensch. Der Weg von der Idee zur Innovation führt über ein kontinuierliches Wechselspiel zwischen Experimentalstudien, Modellierungen und Künstlicher Intelligenz bis hin zu digitalen Zwillingen, die die vielfältigen Parameter von Klima und Küste oder der Biologie des Menschen im Rechner abbilden. Damit wird interdisziplinär der Bogen vom grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis komplexer Systeme hin zu Szenarien und praxisnahen Anwendungen geschlagen.
Als aktives Mitglied in nationalen und internationalen Forschungsnetzwerken sowie im Verbund der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt das Hereon durch den Transfer der gewonnenen Expertise Politik, Wirtschaft und Gesellschaft bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft.
