Heute wird der größte Anteil (etwa dreiviertel) der Energie in Deutschland aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Bei Umwandlung von Mineralöl, Erdgas, Braun- und Steinkohle wird das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid freigesetzt, welchem eine maßgebliche Beteiligung am anthropogenen Klimawandel zugeschrieben wird. Um dem ent-gegenzuwirken, wird immer mehr auf regenerative Energien gesetzt, und es wird versucht, durch effizientere Geräte den CO2-Ausstoß möglichst gering zu halten.
Allerdings könnte man die fossilen Brennstoffe auch weiter zur Energiegewinnung nutzen, wenn man das Kohlenstoffdioxid nicht in die Atmosphäre entweichen lassen würde. Diese Maßnahmen zur CO2-Abscheidung und -Speicherung (engl. „Carbon Capture and Storage“: CCS) könnten in der Zukunft eine wichtige Rolle spielen, da sie nach derzeitigem Kenntnis-stand eine vielversprechende Möglichkeit zur Reduzierung der CO2-Emission darstellt. Be-sonders interessant ist die Lagerung des CO2 im Meer, da es dort als weniger störend empfun-den werden kann als an Land.
In dieser Facharbeit soll der Versuch unternommen werden aufzuzeigen, inwiefern die For-schungen für die Lagerung von Kohlenstoffdioxid im Meer sinnvoll sind und ob das CCS-Verfahren zu einer Lösung des Klimaproblems führen könnte.
Zunächst wird der Zusammenhang zwischen CO2 und dem Klimawandel erläutert. Im dritten Kapitel geht es um die Trennung des CO2 von anderen Gasen, dabei wird auf drei Verfahren näher eingegangen. Im vierten Teil der Facharbeit werden die verschiedenen Möglichkeiten zum Transport von CO2 erörtert. Im fünften Kapitel wird die Lagerung im Meer analysiert, wobei dann auf die indirekte Ozeanspeicherung, auf ökologische Aspekte, den rechtlichen Rahmen und eine besondere Art der Speicherung eingegangen wird. Danach werden im sechsten Kapitel Alternativen zur Ozeanspeicherung angesprochen.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. CO2 und der Klimawandel
3. CO2-Abscheidung
3.1 Post-Combustion Capture
3.2 Pre-Combustion Capture
3.3 Oxy-Combustion
4. Transport
4.1 Transport mit Pipelines
4.2 Weitere Transportmöglichkeiten
5. Lagerung im Meer
5.1 Indirekte Ozeanspeicherung
5.2 Ökologische Aspekte
5.3 Rechtlicher Rahmen
5.4 Austausch mit Methanhydrat
6. Alternativen zur Ozeanspeicherung
7. Fazit und Ausblick
Literaturverzeichnis
Anhang
1. Einleitung
Heute wird der größte Anteil (etwa dreiviertel) der Energie in Deutschland aus fossilen Brennstoffen gewonnen (siehe Abbildung 1). Bei Umwandlung von Mineralöl, Erdgas, Braun- und Steinkohle wird das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid freigesetzt, welchem eine maßgebliche Beteiligung am anthropogenen Klimawandel zugeschrieben wird. Um dem entgegenzuwirken, wird immer mehr auf regenerative Energien gesetzt, und es wird versucht, durch effizientere Geräte den CO2-Ausstoß möglichst gering zu halten.
Allerdings könnte man die fossilen Brennstoffe auch weiter zur Energiegewinnung nutzen, wenn man das Kohlenstoffdioxid nicht in die Atmosphäre entweichen lassen würde. Diese Maßnahmen zur CO2-Abscheidung und -Speicherung (engl. „Carbon Capture and Storage“: CCS) könnten in der Zukunft eine wichtige Rolle spielen, da sie nach derzeitigem Kenntnisstand eine vielversprechende Möglichkeit zur Reduzierung der CO2-Emission darstellt. Besonders interessant ist die Lagerung des CO2 im Meer, da es dort als weniger störend empfunden werden kann als an Land.
In dieser Facharbeit soll der Versuch unternommen werden aufzuzeigen, inwiefern die Forschungen für die Lagerung von Kohlenstoffdioxid im Meer sinnvoll sind und ob das CCS-Verfahren zu einer Lösung des Klimaproblems führen könnte.
Zunächst wird der Zusammenhang zwischen CO2 und dem Klimawandel erläutert. Im dritten Kapitel geht es um die Trennung des CO2 von anderen Gasen, dabei wird auf drei Verfahren näher eingegangen. Im vierten Teil der Facharbeit werden die verschiedenen Möglichkeiten zum Transport von CO2 erörtert. Im fünften Kapitel wird die Lagerung im Meer analysiert, wobei dann auf die indirekte Ozeanspeicherung, auf ökologische Aspekte, den rechtlichen Rahmen und eine besondere Art der Speicherung eingegangen wird. Danach werden im sechsten Kapitel Alternativen zur Ozeanspeicherung angesprochen.
2. CO2 und der Klimawandel
Eine zentrale Rolle im anthropogenen Treibhauseffekt spielt Kohlenstoffdioxid, denn es hat mit 60 % den größten Anteil aller Treibhausgase am anthropogenen Treibhauseffekt (siehe Abbildung 2).[1] Das sich in der Atmosphäre befindliche Kohlenstoffdioxid lässt zwar, wie auch andere Treibhausgase, die kurzwelligen Sonnenstrahlen in die Atmosphäre eindringen, aber es lässt die nach dem Auftreffen auf die Erde umgewandelte langwellige Wärmestrahlung nicht mehr in den Weltraum entweichen, sodass sich die Erde wie ein Treibhaus aufheizt (siehe Abbildung 2). Dieses ist eine natürliche und für uns lebenswichtige Gegebenheit, da sonst die globale mittlere Temperatur auf der Erde -16 C° statt der im Moment herrschenden +15 C° liegen würde.[2] [3] Schon daran kann man sehen, welche weitreichenden Folgen der Treibhauseffekt hat, da ohne ihn auf der Erde so kein Leben möglich wäre.
Seit der industriellen Revolution nimmt der Ausstoß von CO2 durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern zu, dadurch wird der natürliche Treibhauseffekt durch den anthropogenen Treibhauseffekt verstärkt. Der natürliche Treibhauseffekt wird durch Ereignisse wie Vulkanausbrüche, beeinflusst, sodass es auch Temperaturschwankungen gibt. Allerdings gab es in den letzten 150 Jahren so große Schwankungen wie normalerweise in 1000 Jahren. Das deutet stark darauf hin, dass auch der Mensch großen Einfluss auf das Klima hat.[4]
Kohlenstoffdioxid ist ein relativ „schwaches“ Treibhausgas, beispielsweise 30-mal schwächer als Methan. Da es aber bei der Verbrennung von allen fossilen Energieträgern entsteht, wird davon vergleichsweise viel vom Menschen produziert, sodass Kohlenstoffdioxid circa 60 % des vom Menschen verursachten Treibhauseffekts ausmacht.[5] [6]
3. CO2-Abscheidung
Um Kohlenstoffdioxid lagern zu können, ist die CO2-Abscheidung wichtig, d. h., dass die anderen bei der Verbrennung entstehenden Stoffe von dem CO2 getrennt werden müssen. Stickstoff bildet den größten Teil des Abgases, und es wäre nicht sinnvoll, diesen für die Umwelt ungefährlichen Stoff zu speichern.[7] Grundsätzlich wird bei CCS das CO2 in den Verbrennungsgasen auf eine höhere Konzentration gebracht, danach das Volumen verringert und zu Lagerstätten gebracht. Durch die Abscheidung wird allerdings der Wirkungsgrad verringert, sodass letztendlich mehr CO2 für die gleiche Energiemenge entsteht. Deshalb muss hier zwischen dem abgeschnittenen CO2 und dem vermiedenen CO2-Ausstoß unterschieden werden (siehe Abbildung 3).[8]
Bei den heutigen anfallenden Rauchgasen liegt der Anteil von CO2 bei 5-15 Vol.-%. Um aber CCS effizient durchführen zu können, sollte der Anteil 90 % betragen. Im Moment gibt es drei mögliche Abscheidungsverfahren, um diesen Anteil zu erhöhen, bei denen besonders der Punkt der Abscheidung variiert. Diese Verfahren lassen sich in drei Gruppen einteilen: in die nachgeschaltete Abscheidung (Post-Combustion Capture), die vorgeschaltete Abscheidung (Precombustion Capture) und die Sauerstoffverbrennung (Oxy-Combustion, siehe Abbildung 4).[9] Diese drei Grundtypen können auf die verschiedensten Weisen und Stellen in ein Kraftwerk eingebaut werden.[10] Kraftwerke sind derzeit die einzigen ökonomisch sinnvollen Einsatzplätze für die Abschneidung, da diese Technik zum Beispiel für normale Häuser oder Autos zu platzintensiv wäre.
3.1 Post-Combustion Capture
Beim Post-Combustion-Prozess wird der fossile Energieträger normal mit Luft verbrannt, dann wird aus dem Rauchgas das CO2 herausgetrennt, indem durch eine Aminwäsche die sauren Gase chemisch absorbiert werden. Mit dieser Technik kann das CO2 auf eine 85 %-90%ige Konzentration gebracht werden.[11] Dies ist zurzeit die einzige Methode, die auch in großindustriellem Maßstab funktioniert. Außerdem lassen sich fast alle Kraftwerke theoretisch nachrüsten, da man diese Methode direkt vor dem Schornstein einsetzt. Allerdings wird viel Energie für die Reinigung des Waschmittels benötigt, und es gibt besonders bei älteren Kraftwerken hohe Leistungseinbußen, sodass es sich hierbei zwar um die weltweit am weitesten ausgereifte Methode zur CO2-Abscheidung handelt, aber auch um die energetisch ungünstigste.[12]
3.2 Pre-Combustion Capture
Bei Precombustion-Prozess wird der fossile Energieträger erst partiell mit reinem Sauerstoff oxidiert:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Danach wird das CO mit Wasserdampf zu CO2 und H2 umgewandelt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Diese Reaktion wird auch als Wassergas-Shift-Reaktion bezeichnet. Der entstandene Wasserstoff kann zur Energieerzeugung verwendet werden. Mit dieser Methode lässt sich die Konzentration von CO2 auf 85 % - 95 % steigern. Wegen der vorgeschalteten Abscheidung ist bei dieser Methode die Art des fossilen Brennstoffes weitgehend egal.[13] Könnte man die Umwandlung von Kohle in Brenngas in großen Mengen bewerkstelligen, wäre dies wohl aufgrund der hohen CO2-Konzentration und des geringen Energieverlusts die am besten geeignete Variante der Abscheidung. Diese Variante ist allerdings weniger erforscht und ausgereift als die Post-Combustion-Technik.
3.3 Oxy-Combustion
Bei der Oxy-Combustion wird der Energieträger mit reinem Sauerstoff verbrannt, dadurch entstehen hauptsächlich CO2 und Wasser und kaum Stickstoff wie bei der Verbrennung mit Luft. Durch den Sauerstoff gibt es eine größere Wärmeentwicklung, welche aber durch Zugabe von Kohlenstoffdioxid wieder gehemmt wird. Allerdings wird für die kryogene Luftzerlegung (LINDE-Verfahren) zur Bereitstellung des Sauerstoffes sehr viel Energie benötigt.[14] Mit dieser Methode kann 20 % bis 40 % und teilweise auch mehr CO2 im Rauchgas erzeugt werden. Hier ist deshalb der Unterschied zwischen abgeschiedenem und vermindertem CO2 groß.[15]
4. Transport
Meistens liegen die Kraftwerke, bei der das CO2 abgeschieden wird, nicht nah genug an den Lagerstätten im Meer, sodass ein langer Transportweg bewältigt werden muss. Die einzigen ökonomisch sinnvollen Möglichkeiten sind der Transport mit Schiff oder Pipeline. Bei beiden Transportarten muss das CO2 verflüssigt und stark komprimiert werden, damit das Volumen möglichst gering wird. Dafür wird allerdings besonders für die Kompression und die Kühlung viel Energie in Form von Strom benötigt. Schon die CO2-Verdichtung würde gegenwärtig bei Gaskraftwerken einen Wirkungsgradverlust von 2 % bedeuten, bei Kohlekraftwerken sogar 3,5 %.[16] Insgesamt macht der Transport den geringsten Teil (10 % - 15 %) der Gesamtkosten des CCS aus. Eine durch CCS vermiedene Tonne CO2 kostet ca. 35 € bis 45 €. Die Transportkosten belaufen sich je nach Menge und Transportweg per Pipeline 4,50 € pro Tonne CO2 und mehr.[17]
[...]
[1] Vgl. http://www.goergens-miklautz.de/klimaxjs/klimawandel.html, Zugriff: 04.02.2012.
[2] Vgl. Zellner, Reinhard. Chemie über den Wolken. 1.Auflage. Essen: Wiley-VCH Verlag 2011. S. 16.
[3] Vgl. Bennett, Jeffrey / Donahue, Megan / Schneider, Nicolas, et al. Astronomie die kosmische Perspektive. 5. Auflage. München: Pearson Studium 2010. S. 416
[4] Vgl. http://www.goergens-miklautz.de/klimaxjs/klimawandel.html, Zugriff: 04.02.2012.
[5] Vgl. Duda, Carolin. Meeresökosysteme (ohne Tiefsee) am Beispiel der Antarktis. 1.Auflage. Norderstedt: Grin Verlag 2006. S.16.
[6] Vgl. http://www.goergens-miklautz.de/klimaxjs/klimawandel.html, Zugriff: 04.02.2012.
[7] Vgl. Blohm, Michael / Erdmenger, Christoph / Ginzky, Harald, et al. Climate Change, Technische Abscheidung und Speicherung von CO2 – nur eine Übergangslösung. Dessau: Umweltbundesamt 2006. S. 16.
[8] Vgl. Radgen, Peter, Clemens Cremer, Sebastian Warkentin, et al. Climate Change, Verfahren zur CO2-Abscheidung und -Speicherung. Dessau: Umweltbundesamt 2006. S. 16.
[9] Vgl. Radgen et al. 2006, S. 11.
[10] Vgl. Blohm et al. 2006, S. 16.
[11] Vgl. Möbius, Sigrid Annett. Charakterisierung perowskitischer Hochtemperaturmembranen zur Sauerstoffbereitstellung für fossil gefeuerte Kraftwerksprozesse. Aachen: Forschungszentrum Jülich 2010. S. 6.
[12] Vgl. Blohm et al. 2006, S. 16.
[13] Vgl. Blohm et al. 2006, S. 18.
[14] Vgl. Möbius 2010, S. 7.
[15] Vgl. Blohm et al. 2006, S. 19.
[16] Vgl. Beising, Rüdiger. Klimawandel und Energiewirtschaft. 4. Auflage. Essen: VGB PowerTech 2010. S. 200.
[17] Vgl. http://www.iz-klima.de/ccs-prozess/transport/co2-pipeline/, Zugriff: 10.02.2012.
- Quote paper
- Ehler Benjes (Author), 2012, CO2-Lagerung im Meer - Lösung des Klimaproblems?, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/198737
