Eine Empa-Forschungsinitiative will überschüssiges CO₂ aus der Atmosphäre einfangen und in Baumaterialien wie Beton speichern. Die Forschenden haben nun erstmals das Potenzial aufgezeigt: Fünf bis zehn Milliarden Tonnen Kohlenstoff könnten jährlich als Betonzuschlagstoffe genutzt werden.
Das Projekt „ Mining the Atmosphere “ der Schweizer Forschungsinstitution Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) sucht nach Wegen, überschüssiges CO₂ in der Erdatmosphäre nicht nur zu binden, sondern daraus wertvolle Rohstoffe herzustellen. Konkret geht es darum, mithilfe überschüssiger erneuerbarer Energie CO₂ aus der Atmosphäre zunächst in gasförmiges Methan oder flüssiges Methanol umzuwandeln. Diese Grundchemikalien lassen sich dann zu unterschiedlichen Kohlenstoff-haltigen Produkten weiterverarbeiten. Es entsteht also fester Kohlenstoff, indem man der Atmosphäre gasförmiges CO₂ entzieht.
Gewaltige Herausforderung
Die Idee, festen Kohlenstoff quasi aus der Luft zu gewinnen, hat der Forschungsinitiative ihren Namen gegeben: „Mining the Atmosphere“. Es wäre eine Umkehrung der bisher normalen Prozesse. Jahrhundertelang haben die Menschen Bergbau betrieben, um Kohle aus unterirdischen Minen abzubauen. Eine Folgeerscheinung davon sind klimaschädliche CO₂-Emissionen in die Atmosphäre. Künftig könnte man nun Kohlenstoff aus dieser „atmosphärischen Mine“ gewinnen, indem man ihr wieder CO2 entzieht.
Im Jahr 1988 überstieg die CO2-Konzentration in der Atmosphäre erstmals den Wert von 350 ppm („parts per million“). Nach Empa-Angaben ist das der Grenzwert für Klimastabilität. Wird er längere Zeit überschritten, droht das Klimasystem der Erde mit teils irreversiblen Folgen zu kippen. Ziel müsste es demnach sein, die CO₂-Konzentration möglichst bald zumindest wieder auf den Wert von 1988 zu senken.
Nach Empa-Berechnungen müsste man dafür rund 1.500 Milliarden Tonnen CO₂ aus der Atmosphäre entfernen. Daraus ließen sich dann theoretisch 400 Milliarden Tonnen fester Kohlenstoff herstellen. „Selbst wenn genügend erneuerbare Energie verfügbar ist, bleibt die zentrale Frage, wie diese riesigen Mengen Kohlenstoff langfristig gelagert werden können“, sagt Pietro Lura, Leiter der Empa-Abteilung Beton und Asphalt.
Eine solche langfristige Lagerung ist zweifellos eine gewaltige Herausforderung, doch sie scheint nicht unlösbar. Die Empa-Forschenden haben berechnet, dass die genannte Kohlenstoff-Menge bis Mitte des nächsten Jahrhunderts in Baumaterialien wie Beton gespeichert werden könnte. „Beton scheint dafür prädestiniert, da er enorme Mengen aufnehmen kann“, bestätigt Pietro Lura.
Der Forscher formuliert aber auch einen wichtigen Vorbehalt: „Unsere Berechnungen basieren auf der Annahme, dass nach 2050 ausreichend erneuerbare Energie verfügbar ist, um CO₂ aus der Atmosphäre zu entfernen – ein sehr energie-intensives Unterfangen.“ Mit der ausreichenden Verfügbarkeit grüner Energie steht und fällt also das ganze Vorhaben.
Vielfältige Nutzungsmöglichkeiten
In der Praxis sind viele unterschiedliche Wege denkbar, wie überschüssiges Atmosphären-CO₂ zu festem Kohlenstoff in Baustoffen wie Beton wird. Man darf sich das nicht unbedingt als direkten Weg vorstellen. Das „Mining the Atmosphere“-Konzept sieht vielmehr vielfältige Zwischenschritte vor.
Am Anfang allerdings steht immer die Herstellung der Grundchemikalien Methan (CH₄) oder Methanol (CH₃OH). Diese Stoffe lassen sich als Synthese aus dem CO₂ (der Atmosphäre oder der Ozeane) und Wasserstoff gewinnen. Letzterer sollte natürlich mithilfe erneuerbarer Energie hergestellt werden.
Aus Methanol kann man zum Beispiel unterschiedliche Kunststoffe herstellen. Am Ende von deren Lebenszeit ließe sich wieder fester Kohlenstoff gewinnen, der dann in Beton oder anderen mineralischen Baustoffen gespeichert werden könnte. Auf diese Weise ließe sich das CO₂ aus der Atmosphäre also sehr lange Zeit in nützlichen Produkten speichern – zunächst in Polymeren, später dann in massiven Baustoffen. Erst wenn die Baumaterialien irgendwann ausgedient haben, und das Material nicht mehr recycelt werden kann, würde der Weg auf die Deponie führen. Doch auch dort bliebe das Kohlendioxid dauerhaft in den mineralischen Abfällen gebunden.
Etwas anders sähe die Nutzungskaskade aus, wenn Methan die Ausgangschemikalie ist. Aus diesem Gas lässt sich sehr gut Wasserstoff und damit ein sauberer Brennstoff für die Energiewende herstellen. Bei dieser Umwandlung entsteht zudem fester Kohlenstoff, der wiederum in Baumaterialien speicherbar wäre.
Die hier skizierten Nutzungsmöglichkeiten des atmosphärischen CO₂ sind nur Beispiele. Es sind noch viel mehr Verwertungen denkbar. Manche sind bereits heute realisierbar, andere werden vielleicht demnächst erst erfunden. Das Empa-Konzept erschöpft sich nicht nur mit der Reduktion von CO₂, es geht auch um den Aufbau einer kohlenstoffbindenden Wirtschaft, die nicht nur ökologische, sondern auch ökonomische Vorteile bietet. Und ein Plus an Sicherheit: Die Einbindung von CO₂ in stabile Materialien erscheint jedenfalls weitaus weniger gefährlich als die ebenfalls diskutierte unterirdische Speicherung von Kohlendioxid-Gas.
„Kohlenstoff aus der Atmosphäre kann beispielsweise für die Herstellung von Bitumen für Asphalt oder keramischen Materialien wie Siliziumkarbid genutzt werden“, nennt Pietro Lura weitere Optionen. „Außerdem könnten weitere hochwertige Materialien wie Carbonfasern , Kohlenstoffnanoröhren und Graphen den gesamten Prozess wirtschaftlich tragfähig machen – wobei Beton eindeutig den größten Anteil am Kohlenstoffspeicher ausmachen wird.“
Wie lange dauert das?
Wie lange würde es dauern, das gesamte überschüssige CO₂ aus der Atmosphäre zu entfernen und in Baustoffen zu speichern? Auch dazu hat die Empa Berechnungen angestellt. Im optimalen Szenario könnten Baumaterialien wie Beton jährlich bis zu 10 Mrd. Tonnen Kohlenstoff binden. „Die weltweit benötigte Masse an Baumaterialien übersteigt den überschüssigen Kohlenstoff in der Atmosphäre bei weitem“, sagt Empa-Forscher Lura. „Es bleibt jedoch eine Herausforderung, schnell und effizient Kohlenstoff in diese Materialien einzubringen, ohne deren Eigenschaften zu verschlechtern.“
Die Empa glaubt, dass es innerhalb von 50 bis 150 Jahren gelingen könnte, so viel CO₂ in Baumaterialien zu speichern, dass die CO2-Konzentration der Atmosphäre wieder auf das angestrebte Niveau von 350 ppm sinkt. Dabei wird natürlich vorausgesetzt, dass die Menschheit die bereits beschlossenen Beschlüsse der Weltklimakonferenzen weiterhin verfolgt, die CO2-Neuemissionen also weiter abnehmen. Die Forscher glauben zudem, dass das volle Potenzial des Speichermediums Beton erst ab 2050 voll ausgeschöpft wird, weil erst dann genügend erneuerbare Energie vorhanden sein dürfte.
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Ein Schlüssel zu den optimistischsten Szenarien der Empa liegt übrigens in der Herstellung von Siliziumkarbid, das als Füllstoff in Baumaterialien genutzt werden kann. „Siliziumkarbid bietet enorme Vorteile, da es den Kohlenstoff praktisch für immer bindet und mechanisch hervorragende Eigenschaften besitzt“, erläutert Pietro Lura.
Siliziumkarbid lässt sich aus Kohlenstoff und Silizium herstellen – ein Prozess, der allerdings ebenfalls sehr energieintensiv ist. Allein mit Kohlenstoff in Form von poröser Gesteinskörnung würde es nach Empa-Angaben aber mehr als 200 Jahre dauern, den gesamten anthropogenen Kohlenstoffüberschuss zu beseitigen. Die Kombination von porösem Kohlenstoff und Siliziumkarbid wäre also besser. Aber auch für diese Lösung gilt, dass sie sich wohl erst dann nachhaltig umsetzen lässt, wenn erneuerbare Energien im Überfluss vorhanden sind.
