Bewährte Verfahren für CO₂-Transport und -Speicherung

Abscheidung, Nutzung und Speicherung von CO₂ (Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS) entwickelt sich zunehmend zu einer gängigen Strategie, um industrielle Emissionen zu verwalten und die Abgabe von schädlichen CO₂-Treibhausgasen (Greenhouse Gas, GHG) an die Atmosphäre zu verhindern. Diese Methoden sind aus zwei wesentlichen Gründen besonders attraktiv:

• Gesetzeskonformität: CCUS-Verfahren ermöglichen es Branchen mit höheren Emissionen, wie z. B. die Zement- oder Stahlindustrie, gesetzliche Ziele effektiv zu erfüllen
• Verringerung von Beschränkungen: Die Implementierung von CCUS-Verfahren ist besonders sinnvoll, wenn die Möglichkeiten zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen durch einfachere Methoden – wie z. B. grundlegende Verbesserungen der Prozesseffizienz oder die Umstellung auf erneuerbare Energiequellen – begrenzt oder technisch nicht realisierbar sind

Zwar liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung von effizienten Methoden zur Kohlenstoffabscheidung, allerdings sind auch in den nachgelagerten Prozessen umfangreiche Maßnahmen nötig, um das abgeschiedene CO₂ zu verarbeiten. Die wichtigsten Schritte in diesem Prozess sind:

• Verdichtung: Nach der Abscheidung muss das gasförmige CO₂ verdichtet werden, manchmal bis hin zum flüssigen Zustand
• Transport: Danach wird das CO₂ sicher an einen sorgfältig ausgewählten Standort transportiert, wo es entweder verwendet oder gespeichert wird
• Logistik: Hierbei sind zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen, so u. a. Entfernung, Geographie, bestehende Infrastruktur, Umweltauswirkungen und Transportkosten

Derzeit dominieren drei Transportmittel die industrielle Landschaft. Jede Transportmethode bietet – je nach Umfang und geographischer Lage des Projekts – spezifische Vorteile:

• Pipelines: Die am besten etablierte und oftmals wirtschaftlichste Option für den Transport großer Mengen an CO₂ über große Entfernungen, insbesondere über Land. Bestehende Erdgasleitungen können umgewidmet werden, um Kosten und Umweltbelastung zu reduzieren. Dies erfordert jedoch aufgrund der korrosiven Eigenschaften und höheren Druckanforderungen von CO₂ eine sorgfältige Prüfung. Während Erdgasleitungen typischerweise bis ca. 90 bar (1.300 psi) arbeiten, kann der CO₂-Transport Drücke von bis zu 150 bar (2.175 psi) erfordern.
• Schiffe: Ideal für den Überseetransport zu weit entfernten Nutzungs- und Speicherstätten.
• Überland per Lkw & Bahn: Bietet Flexibilität für kleinere Mengen oder kürzere Entfernungen, bei denen die Pipeline-Infrastruktur begrenzt ist. Lkws und Bahn ermöglichen den Transport zwischen Abscheidestätten, Speicherstätten oder Sammelstellen, wird jedoch über große Entfernungen hinweg kostspielig und führt – im Falle von Lkw – zu mehr Verkehr und höheren Dieselemissionen.

Für einen sicheren und effizienten Transport von Kohlendioxid müssen gesetzliche Vorschriften und Reinheitsstandards eingehalten werden. Jede Region hat zwar ihre eigene Gesetzgebung, Kohlendioxid in hohen Konzentrationen wird jedoch prinzipiell als Gefahrstoff eingestuft. Für den Transport gelten ähnlichen Vorschriften wie für Erdgas. Diese Vorschriften sind für die Unversehrtheit der Pipeline, Vermeidung von Lecks und Notfallprotokolle entscheidend.

Darüber hinaus ist die CO₂-Reinheit sowohl für Endanwendungen als auch für die Transportsicherheit von kritischer Bedeutung. Verunreinigungen wie Wasser, Schwefelwasserstoff und Stickoxide können erhebliche Risiken darstellen, die möglicherweise chemische Reaktionen, Korrosion, Produktdefekte und Schäden an der Infrastruktur verursachen.

Um diese Risiken bewältigen zu können, benötigen Sie Gewissheit in Echtzeit. Endress+Hauser liefert eine zuverlässige, genaue Instrumentierung, wie sie zur Überwachung von Durchflussrate, Druck, Temperatur, Qualität und Zusammensetzung erforderlich ist. Dies unterstützt Sie dabei:

• Konform zu bleiben
• Verunreinigungen sofort zu erkennen
• Die langfristige Unversehrtheit Ihres gesamten Transportsystems sicherzustellen

Nach der Abscheidung und Lieferung muss das CO₂ entweder in einem industriellen Prozess verwendet oder sicher gespeichert werden, um eine Freisetzung in die Atmosphäre zu verhindern. Als Speicherorte werden meist Hohlräume in geologischen Formationen gewählt; aber auch die Sequestrierung unter dem Meeresboden stößt auf wachsendes Interesse.

Die Speicherung von CO₂ in geologischen Formationen erfolgt durch die Einleitung des CO₂ in sorgfältig ausgewählte und überwachte Standorte tief unter der Erde, oft mehr als einen Kilometer unter dem Grundwasserspiegel. Geeignete Standorte sind üblicherweise bereits vorhandene unterirdische Speicher, beispielsweise erschöpfte Öl- und Gasfelder, tiefe salzhaltige Grundwasserleiter (saline Aquifere) und Kohleflöze, die nicht weiter abgebaut werden können. Diese porösen Gesteinsformationen sind in der Regel mit einem nicht porösen Deckgestein verschlossen, das ein Entweichen des CO₂ verhindert.

Die unterirdische Speicherung stellt ein sicheres Verfahren zur CO₂-Sequestrierung über tausende von Jahren dar. Nach Schätzungen des U.S. Geological Survey (USGS) verfügen die Vereinigten Staaten über geologische Formationen, in denen etwa 3.000 Gigatonnen CO₂ gespeichert werden können. Die Auswahl geeigneter Speicherstätten erfordert jedoch umfangreiche geologische Untersuchungen und Modellerstellungen, um die Integrität der Speicherstätten sicherzustellen. Mit diesem Prozess sollen darüber hinaus potenzielle Risiken wie eine induzierte Seismizität und Auswirkungen auf die Grundwasserressourcen minimiert werden.

Obwohl die geologische Speicherung in der nächsten Zukunft noch immer die praktikabelste Option ist, suchen Forscher doch weiterhin nach Alternativen. Die mineralische Karbonisierung ahmt beispielsweise natürliche geologische Prozesse nach, bei denen CO₂ mit Elementen im Erdreich reagiert und stabile Carbonatminerale bildet, die Kohlenstoff über lange Zeiträume binden. Obwohl die Langzeitspeicherung vielversprechend ist, erfordert dieses Verfahren einen hohen Energieaufwand und stößt auf Hindernisse in Bezug auf Kosten, Skalierbarkeit und Ressourcenzugang.

Alternativ kann Kohlendioxid auch in Gesteinsformationen unter dem Meeresboden eingeleitet werden. Die europäische Nordsee bietet beispielsweise das Potenzial, etwa 100 Mrd. Tonnen CO₂ in mächtigen Sandsteinschichten zu speichern. Das entspricht fast den gesamten weltweiten Emissionen über drei Jahre.

Genaue Messungen und die Überwachung mit geeigneten Messgeräten sind in der gesamten CCUS-Kette unerlässlich, um Prozesseffizienz, Sicherheit und Umweltschutz zu gewährleisten. Während des Transports müssen Druck, Temperatur, Durchfluss und Qualität des CO₂ in den Pipelines und an den Terminals gemessen werden, um einen sicheren Transport sowie einen korrekten eichpflichtigen Verkehr zu gewährleisten.

Unabhängig vom gewählten Speicherverfahren ist eine umfassende Überwachung unerlässlich, um die langfristige Beständigkeit des Standorts zu gewährleisten und ein Entweichen von CO₂ in die Atmosphäre zu verhindern. Die effektive Überwachung von Kohlendioxid in Speicherstätten erfordert fortschrittliche Technologien und intelligente Gasdetektionssysteme. Dadurch bleiben die Bediener über Bewegung und Verhalten tief unter der Erde informiert. Kontinuierliche und zuverlässige Messungen sind von entscheidender Bedeutung für die frühzeitige Erkennung von potenziellen Anomalien und Undichtigkeiten und ermöglichen eine schnelle Benachrichtigung des Personals, damit es sofort eingreifen und Umweltrisiken minimieren kann.

Nach der Abscheidung müssen Entscheidungen über den Bestimmungsort des CO₂ und über die Mittel getroffen werden, wie es dorthin gelangen soll. Weitere Forschung und erhebliche öffentliche und private Investitionen sind unerlässlich, um die für die Reduzierung der Treibhausgasemissionen benötigte Transport- und Speicherinfrastruktur aufzubauen. Dies wird die technologischen Fähigkeiten und die Wirtschaftlichkeit von CCUS-Verfahren verbessern und ihre breite Einführung in der Industrie erleichtern.

Die Abscheidung von CO₂ aus den Strömen industrieller Produktionsprozesse ist ein entscheidender erster Schritt in der CCUS-Wertschöpfungskette. Langfristig hängt der Erfolg jedoch von der Entwicklung sicherer, effizienter und nachhaltiger Lösungen für Transport, Nutzung und dauerhafte Speicherung ab. Bewährte Transportmöglichkeiten sind Pipelines, Überlandfahrzeuge und der Seetransport. Für die Speicherung sind geologische Formationen am besten geeignet.

Um die Effizienz zu steigern und noch weitere Optionen zu entwickeln, bedarf es der Abstimmung zwischen Regierungen, Prozessindustrie, Forschern und der Öffentlichkeit, um die technischen, wirtschaftlichen, regulatorischen und sozialen Herausforderungen zu bewältigen. Voraussichtlich werden Investitionen in diese Bereiche die positiven Auswirkungen von CCUS-Verfahren auf die Reduzierung von Treibhausgasen in den kommenden Jahrzehnten verstärken. Dies wird die Industrie dabei unterstützen, ehrgeizige Netto-Null-Ziele für eine nachhaltigere Zukunft zu erreichen.