Carbon sequestration: An option to reduce emissions?

Universität Hamburg
Fachbereich Wirtschaftswissenschaften
Zentrum für Meeres- und Klimaforschung
Prof. Richard Tol
Seminar zur Volkswirtschaftspolitik oder Volkswirtschaftslehre
Sommersemester 2005
Generalthema:
„Issues in Environmental Economics“
Hausarbeit zum Thema Nr. 4:
“Carbon sequestration:
An option to reduce emissions?”
Vorgelegt von:
Jeanette Koslowski
8. Fachsemester
Dipl. Handelslehramt
Matrikelnummer: 5425577
Torsten Krüger
10. Fachsemester
Betriebswirtschaftslehre
Matrikelnummer: 5286364
Schulterblatt 134
20537 Hamburg
Tel.: 040 / 66 90 78 47
[email protected]
Stockkamp 7
22607 Hamburg
Tel.: 0163 / 553 46 02
[email protected]
Hamburg, 05. April 2005
Inhaltsverzeichnis
1.
Einleitung
1
2.
Hintergrundinformationen
2
3.
CO2-Sequestrierung
2
3.1
Capture und Transport von CO2
3
3.2
Storage von CO2
4
3.2.1 Geologische Senken
5
3.2.2 Marine Senken
7
3.2.3 Andere Optionen
9
4.
Chancen und Probleme der Kohlenstoffbindung
10
4.1
Kosten
10
4.2
Potential
12
4.3
Permanenz und mögliche Risiken
13
4.4
Umweltrisiken
14
4.5
Öffentliche Wahrnehmung
15
5.
Kohlenstoffbindung in der internationalen
15
Klimapolitik: LULUCF im Kyoto-Protokoll
6.
Zusammenfassung
Quellenverzeichnis
17
18
I
1. Einleitung
Seit der Industrialisierung hat sich der Kohlenstoffhaushalt der Atmosphäre
drastisch verändert, so dass im Vergleich zu vorindustriellen Werten die Konzentration
von Kohlendioxid weltweit um ein Drittel gestiegen ist (Umweltbundesamt, 2001, S. 1).
International anerkannte Experten prognostizieren eine weitere Steigerung dieser Werte
und einen damit einhergehenden Klimawandel (Kemfert, 2004, S. 1). Einzelne
Wetterextrema,
wie
die
Hitzewelle
des
Sommers
2003
und
das
"Jahrtausendhochwasser" im Jahr 2002 in Europa, lassen bereits vermuten, dass es sich
hierbei um des Klimawandels bedingte Ereignisse handeln könnte. Weltweit ist eine
Zunahme der extremen Naturkatastrophen zu erwarten (Kemfert, 2004, S. 1ff.).
Angesichts dieser dramatischen Entwicklungen wurde 1997 in internationalen
Verhandlungen das Kyoto-Protokoll als erstes rechtlich bindendes Abkommen der
Industriestaaten zur Reduktion der Treibhausgase, insbesondere des Kohlendioxids,
entwickelt (WWF, 2001, S. 1). Aus aktuellem Anlass wird nun wieder darüber
berichtet: Nach sieben Jahren tritt das Kyoto-Protokoll in Kraft, nachdem Ende 2004
Russland als letzter wichtiger Partner diesen Vertrag ratifiziert hat (ZDFheute.de, 2005,
S. 1).
Ursprünglich sahen Klima-Experten nur den Wechsel auf umweltfreundlichere
Energiequellen oder Energieeinsparungen als Möglichkeiten der Reduktion der
Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre (Anderson/Newell, 2003, S. 1). Eine
weitere Option, der Anreicherung von Kohlendioxid entgegenzuwirken, wäre die
Kohlenstoffbindung (oder CO2-Sequestrierung, eng. carbon sequestration) mit so
genannten Carbon Capture and Storage Technologies (im Folgenden als CCSTechnologien bezeichnet), die in dieser Arbeit vorgestellt werden sollen. Des Weiteren
stellt sich die Frage, inwieweit diese Technologien zur Lösung des Emissionsproblems
beitragen können.
Zu Beginn werden das Kohlendioxid, der damit verbundene Treibhauseffekt sowie
natürliche Quellen und Senken als Hintergrundinformationen betrachtet. Darauf folgt
die Vorstellung der CCS-Technologien mit ihren möglichen Problemen bezüglich der
Kosten, des Potentials, der Permanenz und der Umweltrisiken. Im Anschluss daran wird
ein kurzer Überblick über terrestrische Senken im Kyoto-Protokoll gegeben.
1
2. Hintergrundinformationen
Kohlendioxid ist ein zentrales Stoffwechselprodukt und somit für Menschen, Tiere
und Pflanzen unverzichtbar. Ein Grossteil des in der Atmosphäre enthaltenen
Kohlendioxids stammt aus natürlichen Quellen wie Atmung, mikrobiellen Prozessen in
Humusböden, Vulkanen und Mineralquellen. Neben diesen natürlichen gibt es auch
anthropogene, d.h. vom Menschen geschaffene Quellen, die auf die Verbrennung
fossiler Brennstoffe zur Energieerzeugung zurückzuführen sind. Daraus resultierende
Emissionen stammen aus der Industrie, der Gebäudeheizung und den Abgasen. Im
Rahmen des Kohlenstoffkreislaufes der Natur wird das freigesetzte Kohlendioxid von
natürlichen Senken wieder aufgenommen und gespeichert. Man unterscheidet dabei
physikalische Prozesse, wie das Lösen im Ozeanwasser sowie biologische Prozesse, z.
B. die Bindung durch Grünpflanzen (Hessisches Landesamt, 2005).
Die bereits erwähnten anthropogenen Quellen haben seit der Industrialisierung zu
einer globalen Erwärmung der Erdoberfläche geführt. Die auf die Erde fallende
Sonnenstrahlung wird von Treibhausgasen, darunter auch das Kohlendioxid, absorbiert
und es folgt eine Aufwärmung der Erdoberfläche. Diesen Prozess bezeichnet man als
natürlichen Treibhauseffekt, der auf Grund der steigenden Kohlendioxidkonzentration
um den anthropogenen Treibhauseffekt verstärkt wird. Der dadurch ausgelöste
Klimawandel wird unter anderem zu einem steigenden Meeresspiegel, einer
Verschiebung der Niederschlagszonen, zunehmenden extremen Wetterereignissen und
einer Bedrohung der Artenvielfalt führen, wenn nicht entsprechende Maßnahmen
getroffen werden, um dieses zu verhindern (Hessisches Landesamt, 2005).
Mögliche Maßnahmen könnten die im Folgenden betrachteten CCS-Technologien
sein, die in der Wissenschaft zu gespaltenen Meinungen führen, da mögliche
Konsequenzen ihrer Anwendung noch nicht eindeutig absehbar sind.
3. CO2-Sequestrierung
Der Prozess der CO2-Sequestrierung mittels der CCS-Technologien umfasst drei
Vorgänge: capture (dt. Herausfilterung, Erfassung, Abscheidung), Transport und
storage (dt. Lagerung) des Kohledioxids. Während mit dem Herausfiltern und dem
Transport in der Praxis bereits erste Erfahrungen gemacht werden konnten, sind einige
2
Verfahren der Lagerung des Kohlendioxids in geologischen und marinen Senken noch
wenig erprobt oder es fehlt an Informationen, um eindeutige Aussagen über mögliche
Konsequenzen treffen zu können.
Nach einem kurzen Überblick über das Herausfiltern und den Transport von
Kohlendioxid werden wir uns intensiver den geologischen und marinen Senken
widmen.
3.1 Capture und Transport von CO2
Zu Beginn des Prozesses der CO2-Sequestrierung stellt sich die Frage, wo das
Kohlendioxid erfasst werden könnte. Sinnvolle Möglichkeiten bieten sich an den
punktförmigen
Emissionsquellen
wie
Elektrizitätswerken,
Kohle-
und
Gas-
Kraftwerken, Zementwerken, Stahlwerken und Ölraffinerien. Mehr als 40 % der
Emissionen sind dabei auf die Energieerzeugung durch die Verbrennung von fossilen
Brennstoffen zurückzuführen. Des Weiteren tragen aber auch Energieverbrauch und
Energietransport durch Industrie sowie Unternehmen und Haushalte mit Emissionen aus
fossilen Brennstoffen entscheidend dazu bei. Allerdings lassen sich nicht bei allen
dieser Quellen die CCS-Technologien anwenden, um das Kohlendioxid herauszufiltern
(Anderson/Newell, 2003, S. 10f.). Auf Grund des hohen Anteils an den Emissionen
könnte der Großteil des Potenzials für die Erfassung von Kohlendioxid bei den
Elektrizitätswerken liegen (Bode/Jung, 2004, S. 2).
Nachdem nun die Frage bezüglich des „Wo“ geklärt wurde, ergibt sich nun die
Frage nach dem „Wie“. Generell unterscheidet man zwischen den der Verbrennung vorund nachgeschalteten Basisverfahren zur Erfassung bzw. zum Herausfiltern des
Kohlendioxids (Ploetz, 2002, S. 2). Diese beiden Basisverfahren sollen hier kurz
vorgestellt werden1:
• Bei dem der Verbrennung vorgeschaltenen Verfahren wird zunächst mittels
Kohlevergasung bzw. Dampfreformierung aus Kohle oder Erdgas ein
wasserstoffreiches Synthesegas erzeugt. Aus diesem wird anschließend das
Kohlendioxid entfernt.
1
Auf weitere Ausführungen verzichten wir, da es sich dabei um Prozesse handelt deren Erklärung im
Rahmen dieser Arbeit zu aufwendig wäre.
3
• Bei dem der Verbrennung nachgeschalteten Verfahren handelt es sich um
eine Rauchgaswäsche, bei der das Kohlendioxid von den anderen Gasen aus
dem Rauchgasstrom getrennt wird. Hierzu zählen die gängigsten Verfahren,
wie die chemische und physikalische Absorption, die physikalische und
chemische
Adsorption,
die
Gasabscheidung
an
Membranen
und
Niedertemperatur-Destillation.
Diese Verfahren sind bereits aus der Öl- und Chemieindustrie bekannt und könnten
für die CO2- Sequestrierung genutzt werden (IEA, 2001, S. 10).
Im Anschluss an das Herausfiltern muss das Kohlendioxid an seine Lagerstätte
transportiert werden. Je nach Transportmittel und zu überwindender Distanz, kann es in
gasförmigem, flüssigem, superkritischem oder festem Zustand, so genanntem
Trockeneis, befördert werden (Ploetz, 2002, S. 6). Als mögliche Transportmittel stehen
Pipelines und Schiffe zur Verfügung, die sowohl einzeln als auch in Kombination
genutzt werden können. Als besonders viel versprechend erweist sich der Transport per
Pipelines, insbesondere wenn es sich um eine Lagerung im Ozean handelt
(Anderson/Newell, 2003, S. 25f.) oder aber wenn das Kohlendioxid direkt am Ort des
Herausfilterns injiziert wird (Ploetz, 2002, S. 6). Die USA verfügen bereits über
Erfahrungen in diesem Bereich und setzen Pipelines für den Transport von
Kohlendioxid ein (IEA, 2001, S. 12). Sind jedoch zwischen dem Ort des Herausfilterns
und der Lagerung größere Distanzen zu überwinden, bietet sich aus Kostengründen die
Beförderung mittels eines Schiffes an (Bode/Jung, 2004, S. 2). Für dieses
Transportmittel liegen bisher keine praktischen Erfahrungen vor, allerdings werden
schon jetzt Tanker eingesetzt, um verflüssigtes Petroleum zu befördern. Ähnliche
Tanker wären möglicherweise auch für den Kohlendioxidtransport denkbar (IEA, 2001,
S. 12).
3.2 Storage von CO2
In diesem Abschnitt beschäftigen wir uns mit den Möglichkeiten der Lagerung des
Kohlendioxids. Man unterscheidet dabei primär die geologischen und marinen Senken,
die als Lagerstätten in Frage kämen. Danach stellen wir kurz einige weitere Optionen
dar, auf die wir aber nicht detailliert beschreiben werden. Anschließend gehen wir auf
4
die möglichen Risiken, Potenziale, Kosten- und Zeitaspekte sowie auf Erfahrungswerte
aus der Praxis und die Ergebnisse aus Modellrechnungen ein.
3.2.1 Geologische Senken
Bei den geologischen Senken handelt es sich um unterirdische Verfahren der
Lagerung des Kohlendioxids. Man unterscheidet vier mögliche Lagerstätten, die wir
nun im Einzelnen vorstellen möchten:
•
Aktive Öl- und Gasquellen
Neben anderen Gasgemischen oder Wasserdampf wird Kohlendioxid in der
Praxis in einem Verfahren, bekannt aus dem Englischen als Enhanced Oil
Recovery (EOR), zur Ölgewinnung aus zu Neige gehenden Quellen genutzt
(Ploetz, 2002, S. 10). Dieses Verfahren erleichtert die Gewinnung, die
ansonsten unter Umständen zu kostspielig oder ganz und gar unmöglich wäre
(Anderson/Newell, 2003, S. 24). Dabei wird das Kohlendioxid in die Ölquelle
gepumpt, der dadurch entstandene Überdruck führt zu einem Auftrieb des
Erdöls (Ploetz, 2002, S. 10). Von dem eingesetzten Kohlendioxid bestehen bis
zu 50% in dem in der Quelle verbleibenden, unbeweglichen Erdöl, der Rest
gerät in einen kreislaufförmigen Prozess und wird wieder verwendet (IEA,
2005a). Die Ölgewinnung kann dadurch um 10 bis 15% erhöht werden. In den
USA wird bereits in mehr als siebzig Projekten dieses Verfahren angewandt.
Bisher stammt ein Großteil des verwendeten Kohlendioxids aus natürlichen
Quellen, der geringere Anteil aus anthropogenen Prozessen (IEA, 2001, S. 14).
Für die Lagerung in Gasreservoirs ist ein dem Enhanced Oil Recovery ähnliches
Verfahren denkbar, bei dem das Gas wie das Öl aus dem Reservoir ausgetrieben
wird (Ploetz, 2002, S. 23).
•
Erschöpfte Öl- und Gasquellen
Die Öl- und Gasreservoirs bestehen aus porösem Gestein, das von einer
undurchlässigen, meist kuppelförmigen Steinkappe bedeckt wird, so dass eine
Lagerung von Kohlendioxid möglich wäre (IEA, 2001, S. 13).
5
Sind auch die Möglichkeiten des Enhanced Oil Recovery ausgeschöpft,
verbleibt das Kohlendioxid in den Lagerstätten, die über Millionen von Jahren
die fossilen Brennstoffe beherbergten (Anderson/Newell, 2003, S. 25f.). Diese
kürzlich erschöpften Öl- und Gasquellen verfügen noch über die Bohrlöcher,
um das Kohlendioxid zu befördern. Weitere versiegte Quellen müssten für die
Beförderung wieder angebohrt werden (Herzog/Drake /Adams, 1997, S. 23).
•
Tiefe Kohleflöze
Kohlendioxid kann nicht nur zur Enhanced Oil Recovery sondern auch zur
Enhanced Coal-Bed Methane Recovery (ECBM) genutzt werden, so dass aus
ehemals ökonomisch unrelevanten und verlassenen Kohleflözen potenzielle
Lagerstätten werden könnten (Herzog/Drake/Adams, 1997, S. 23). Die
Kohlevorkommen befinden sich unterhalb von 1.500 Metern der Erdoberfläche
und können nicht mit den gängigen Förderverfahren abgebaut werden (Ploetz,
2002, S. 9). In den Flözen befindet sich adsorbiertes Methan auf der Oberfläche
der Steinkohle. Mittels des injizierten Kohlendioxids kann dieser fossile
Brennstoff aus den Flözen gedrängt und ökonomisch genutzt werden
(Anderson/Newell, 2003, S. 28). Dieses Verfahren wurde in Feldstudien bereits
getestet (Herzog/Drake/Adams, 1997, S. 23), befindet sich aber noch in der
Entwicklungsphase (Anderson/Newell, 2003, S. 28).
•
Tiefe saline Aquifere
Das Kohlendioxid würde man bei diesem Verfahren in tief gelegenes Salzwasser
injizieren.
Dieses
Salzwasser
befindet
sich
in
den
Poren
von
harten
Gesteinsschichten umschlossenen Kalk- oder Sandstein (IEA, 2005b). Die sich in
mehr als 800 Metern Tiefe liegenden Aquifere sind hydraulisch von den flacheren
Salzwasserströmen und von dem für die Trinkwasserversorgung genutztem
Grundwasser getrennt (Herzog/Drake/Adams, 1997, S. 24).
Man vermutet, dass das Kohlendioxid das Wasser erst verdrängen würde
(Anderson/Newell, 2003, S. 27), sich dann in ihm auflöst und in dem Reservoir
verteilt (IEA, 2005b). Idealerweise könnten chemische Reaktionen zwischen dem
absorbierten Kohlendioxid und dem umliegenden Gestein sogar zu einer Formation
6
von sehr stabilen Karbonaten führen, die eine längere Lagerzeit ermöglichen würden
(Anderson/Newell, 2003, S. 27).
In der Nordsee wird das so genannte Sleipner Projekt als erstes kommerzielles
Projekt zur Kohlendioxidinjektion in saline Aquifere durchgeführt. Dieses Aquifer
liegt in einer Tiefe von 800 Metern unter dem Meeresboden (Ploetz, 2002, S. 11).
3.2.2 Marine Senken
In der Literatur werden zwei Wege zur Kohlendioxidbindung im Ozean
beschrieben: zum einen die Düngung, zum anderen die Direkteinleitung.
•
Düngung
Algen binden große Mengen Kohlendioxid aus der Atmosphäre und spielen
deshalb eine wichtige Rolle bei der Regulation dieses Treibhausgases. Die
Möglichkeit
der
Düngung
resultiert
aus
der
Tatsache,
dass
sauerstoffproduzierende Algen aus Kohledioxid Zuckermoleküle bilden.
Gelöste Substanzen tragen, im Gegensatz zu partikulären Substanzen nicht
direkt zum vertikalen Kohlenstofftransport in die Tiefsee bei. Bestimmte von
Algen gebildete Zuckermoleküle, die sauren exopolymeren Polysaccharide,
verbinden sich zu größeren Komplexen, welche sich dann wie partikuläre
Substanzen verhalten und absinken. Dieses geschieht schneller als die
bakterielle Zersetzung der gelösten Zuckermoleküle (was zur Oxidierung der
Polysaccharide
führen
würde)
(Engel/Thoms/Riebesell/Rochelle-
Newall/Zondervan, 2004). Des Weiteren würde ein Teil dieser Kohlenstoffe
später wieder in Kohlendioxid umgewandelt, wenn das Phytoplankton (Algen)
von Zooplankton und anderen Organismen konsumiert wird; doch ein nicht
unbeträchtlicher Teil der organischen Stoffe würde sich auf dem Grund des
Ozeans ablagern.
Es werden drei mögliche Ansätze zur Düngung diskutiert:
1. Eisendüngung
2. Nitrat-/Phosphat-Düngung
3. Kombination von Eisen- und Nitrat/Phosphat-Düngung
7
Welche Politik verfolgt wird, ist abhängig von der Ausstattung des Wassers. So
würde in so genannten „HNLC-areas“ (high nitrogen low chlorophyll) mit
Eisen gedüngt werden. Weiterhin wird zwischen LNLC-areras (IEA, 2002, S.
22) und LNHC-areas differenziert.
Entsprechende Konzepte sehen hierzu eine Eisendüngung vorwiegend polarer
Gebiete (auch äquatorialer Pazifikregionen [Ploetz, 2002, S.15]) vor, da diese
einen Mangel an dem für das Algenwachstum notwendigen Element aufweisen
(HNLC-area). Tatsachlich konnten Fe-Wachstumsbeziehungen bei Algen
empirisch nachgewiesen werden (Coale, 1996). Der Vorschlag sieht vor, in den
Ozeanen das Phytoplankton (Algen), dessen Wachstum durch Eisenmangel
gebremst wird, mit löslichem Eisen zu düngen. Das vermehrte Wachstum des
Phytoplanktons würde der Atmosphäre Kohlendioxid in beträchtlichem Umfang
entziehen und in Kohlenhydrate binden.
•
Direkte Eintragung von Kohlendioxid
In der Literatur werden drei Möglichkeiten zu Einleitung von Kohlendioxid
diskutiert (Ploetz, 2002, S. 14). Erstere sieht vor von Schiffen aus Trockeneis
im Meer zu deponieren. Dieses würde aufgrund des Temperaturunterschiedes in
den gasförmigen Zustand übergehen und sich im Wasser lösen. Zweitens die
Möglichkeit mittels Pipeline flüssiges Kohlendioxid in Tiefen bei 1.000 bis
1.500 (IEA, 2002, S. 5) m zu injizieren und drittens die Injektion von flüssigem
CO2 in Tiefen > 3.000 Metern.
Deponierung in Tiefen bei 1.000 bis 1.500 Metern würde zu Bildung von
Kohlendioxid-„Wolken“ führen, dieses Kohlendioxid würde sich zum Teil lösen
und mit der Tiefenströmung verteilt werden. Bei der Option der Tiefeninjektion
(>3.000 m) verbindet sich Kohlendioxid mit dem Meerwasser und bildet unter
hohem Druck eine sich im Volumen erheblich vergrößernde ice-like
combination (IEA, 2002, S. 11).
8
3.2.3 Andere Optionen
•
Salzstöcke / Kavernen
Theoretisch bieten diese geologischen Senken, laut Herzog, Drake und Adams
(1997, S. 23), eine lange Speicherkapazität. Dagegen sieht IEA (2001, S. 17) darin
eher eine kurzfristige Lösung. In der Praxis wurden sie bereits zur Speicherung von
Petroleum, natürlichem Gas und komprimierter Luft genutzt (Herzog/Drake/Adams,
1997, S. 23). Das Steinsalz ist ein nahezu gasundurchlässiges Gestein und bietet
damit eine gesicherte Option der Kohlendioxideinlagerung (Gerling/May, 2001, S.
3). Auf Grund der relativ hohen Kosten (Herzog/Drake/Adams, 1997, S. 23), die
eine Einlagerung des Kohlendioxids erfordern würde, werden sie jedoch nicht
favorisiert.
•
Stillgelegte Kohlebergwerke
Stillgelegte Kohlebergwerke bieten sich angesichts der historisch bedingten Nähe zu
Kraftwerken oder Stahlwerken, und damit minimierbaren Transportkosten, als
mögliche Lagerstätte an. Aus praktischer Sicht jedoch sprechen einige Gründe
dagegen: Stillgelegt Bereiche lassen sich nicht immer von den aktiven Bereichen
trennen, die Deckenschichten könnten streckenweise nicht über die erforderliche
Dicke verfügen oder aber Standorte historische Stollen sind nicht mehr bekannt.
(Gerling/May, 2001, S. 3). International spricht man dieser Speicheroption wenig
Bedeutung zu (Ploetz, 2002, S. 9).
•
Direkter Gebrauch
In der Lebensmittel- und der Chemieindustrie könnte man aus natürlichen
Formationen stammendes Kohlendioxid als feedstock für plastische oder nichtorganische Karbonate nutzen (Anderson/Newell, 2003, S. 31).
9
•
Umwandlung in Karbonate
Eine weitere Möglichkeit wäre die Reaktion zwischen Kohlendioxid und natürlichen
Mineralen, z. B. Magnesiumsilikate, zu Karbonaten, die permanent für lange Zeit
lagerbar wären. Nachteilig sind jedoch die weitaus höheren Kosten als die anderer
Optionen (IEA, 2001, S. 17).
•
Biologische Umwandlung zum Brennstoff
Flüssige kohlendioxidhaltige Gase aus industriellen Prozessen könnten in Gewässer
mit hohem Bestand an Mikroalgen, die Sonnenenergie in Biomasse wandeln
können, geleitet werden. Beim Wachstum der Biomasse bewirkt diese Methode eine
Möglichkeit zur Umwandlung in einen Brennstoff. Das Potenzial dieses Verfahrens
ist jedoch sehr gering und die erwähnten Gewässer liegen meist nicht in
unmittelbarer Nähe der Elektrizitätswerke (Anderson/Newell, 2003, S. 33).
4. Chancen und Probleme der Kohlenstoffbindung
Die vorgestellten Optionen der Kohlenstoffbindung bergen sowohl Chancen für die
Reduzierung der Kohlendioxidemissionen als auch Probleme in ihrer Umsetzung. Sie
verfügen über unterschiedliche Charakteristiken bezüglich des zeitlichen Aspekts und
der Speicherkapazität. Auch die damit verbunden Kosten spielen in der Wirtschaft eine
entscheidende Rolle für die Durchführung. Weitaus wichtiger sind jedoch die
möglichen Risiken für die Umwelt: Was nützt eine Reduzierung der Emissionen, wenn
diese nicht sicher ist und eventuell zu weiteren Umweltschäden führt?
4.1 Kosten
Ein entscheidender Aspekt für den Einsatz von CCS-Technologien sind die
anfallenden Kosten, die aus den Vorgängen capture, Transport und storage resultiert.
Die Kosten des Herausfilterns hängen dabei von den unterschiedlichen Charakteristika
der punktförmigen Emissionsquellen und dem verwendeten Verfahren ab. Die
Transportkosten für den Einsatz von Pipelines variieren gemäß der zu überwindenden
10
Distanz
sowie
der
transportierten
Menge,
des
Kohlendioxiddrucks,
des
Pipelinedurchmessers und den Landesvorschriften. Bezüglich des Schiffstransports
ermittelten Freund und Davidsen (2002) einen Kostenvorteil auf längeren Strecken.
(Bode/Jung, 2004, S. 6). Die Kosten der Lagerung schwanken entsprechend der
Lagerstätten.
Der größte Anteil der Kosten liegt beim Herausfiltern des Kohlendioxids und ist
damit „der entscheidende kostenbestimmende Schritt der CO2-Sequestrierung“ (Ploetz,
2002, S. 5); allein die Kapitalkosten einer Emissionsquelle könnten sich bei Einsatz
eines Capture-Verfahrens bis zu 80% erhöhen (IEA, 2001, S. 22). Die Kosten liegen
hierbei je nach Berechnung unterschiedlicher Experten zwischen 24 und 52 €/tCO2
(Bode/Jung, 2004, S. 5). Die Transportkosten erscheinen dagegen minimal: laut Freund
und Hendriksen (2002) liegen sie pro 100km Pipeline zwischen 1 und 6 €/tCO2
(Bode/Jung, 2004, S. 6).
Für die Lagerung des Kohlendioxids in geologische Formationen schwanken die
berechneten Kosten zwischen -10 und 30 €/tCO2. Diese weit auseinander liegenden
Werte resultierenden zum einen aus den unterschiedlichen Tiefen der Lagerstätten, zum
anderen aus deren geografischen Lage. Befindet sich die Lagerstätte unterhalb des
Meeresbodens auf hoher See, steigen die Kosten entsprechend (Bode/Jung, 2004, S. 6).
Des Weiteren könnten bei den Verfahren Enhanced Oil Recovery und Enhanced CoalBed Methane Recovery mögliche Nettogewinne entstehen. Bei Einsatz der
konventionellen Ölgewinnung bleiben bis zu 75% des Rohstoffes in dem Reservoir, so
dass der Mehrgewinn einen ökonomischen Anreiz zur Nutzung solcher Erdölquellen als
Kohlenstoffsenke darstellen könnte. (Anderson/Newell, 2003, S. 25, 28).
Markels und Barber (2001) ermittelten für die Düngung des Ozeans Kosten von
etwa 7 $/tC (~ 2 €/tCO2), was jedoch von Adhiya und Chisholm (2001) angezweifelt
wird. Für die Direkteinleitung des Kohlendioxids geht Herzog (1997) von 3,7 bis 22
$/tC (~ 1 bis 6 €/tCO2) aus. (Ploetz, 2002, S.15, 17).
Die Höhe der Kosten richtet sich insbesondere nach der Distanz und der Tiefe der
Injektion.
11
4.2 Potential
Anhand der nachstehenden Tabelle2 erkennt man, dass in unterschiedlichen
Veröffentlichungen
unterschiedliche
Meinungen
bezüglich
der
globalen
Speicherkapazität existieren. Ebenfalls sind die Daten auch auf verschiedene
Berechnungen zurückzuführen; einige gehen beispielsweise von einer Speicherkapazität
des Kohlenstoffs (C) aus, andere von der des Kohlendioxids (CO2). In einem Punkt sind
sie sich jedoch einig: die größtmögliche Lagerstätte könnte der Ozean sein. Was die
geologischen Senken betrifft, wird vor allem auf die tiefen saline Aquifer gesetzt; aber
auch die erschöpften Öl- und Gasquellen könnten von Relevanz sein.
IEA GHG R&D
Programme
(2001b/2005c) in
Gt CO2
920
Herzog (2001) in
Gt C aus
Johnston/Santillo
2003
100s
Tiefe saline
Aquifer
400 – 10.000
Kohleflöze
Speicheroption
Erschöpfte Ölund Gasquellen
Ozean
Grimston (2001)
in Gt C aus
Ploetz 2002
IPCC (2001) in
Gt C aus Ploetz
2002
130 – 500
100 (Erdöl)
400 (Erdgas)
100s – 1.000s
30 – 650
> 1.000
> 15
10s – 100s
80 – 260
40
> 4.000
1.000s
1.000 – 10.000
> 1.000
Tabelle 1: Globale Speicherkapazität im Vergleich
Laut Chargin und Socolow (1997) verfügt der Ozean praktisch über eine
unbegrenzte Aufnahmekapazität, somit könnten etwa 90 % der heutigen
Emissionen dort gelagert werden. In absoluten Zahlen wären dies zwischen 1.000
und 10.000 GtC (Anderson und Newell, 2003, S. 29). Körtzinger geht ebenfalls von
davon aus, dass etwa 85 % der anthropogenen CO2-Emissionen durch Meerwasser
aufgenommen werden können, der Ozean aber bei Betrachtung des gestörten
Kohlenstoffkreislaufs dies bisher nicht erreicht (Körtzinger/Wallace, 2002, S. 65).
Chisholm, Falkowski und Cullen (2001) äußern sich zum Potential des Ozeans
mittels Düngung und schätzen eine Aufnahme von etwa 10 – 15 % der
menschlichen CO2- Emission. Dieses setze jedoch die Düngung der gesamten
Antarktisregion voraus (Chisholm, 2001).
2
Wir beschränkten uns nur auf die als relevant anzusehenden Senken.
12
4.3 Permanenz und mögliche Risiken
Viele der vorgestellten Lagerstätten bieten keine dauerhafte Lösung; nach der
Injizierung gelangt das Kohlendioxid wieder in die Atmosphäre. Genaue Daten sind
bisher jedoch noch unbekannt (Bode/Jung, 2004, S. 9). Ebenfalls gibt es
unterschiedliche Betrachtungsweisen: laut Hawkins (2004, S. 1574) liegt zwar die Rate
des sich verflüchtigenden Kohlendioxids aus der Lagerstätte nur bei 0,1%, was aber in
den nächsten zweihundert Jahren bei einer stetig steigenden Lagermenge zu einer
immensen Menge führen wird. Herzog, Caldeira und Reilly (2003) dagegen betrachten
dieses Problem aus einer anderen Sichtweise. Sie gehen davon aus, dass alle möglichen
Senken nur temporär wären. Folglich wäre es für den Einsatz von CCS-Technologien
eher entscheidend, ob diese auf Dauer ökonomisch sinnvoll wären (Bode/Jung, 2004, S.
10).
Anderson und Newell (2003) sehen in Öl- und Gasquellen die beste kurzfristige
Möglichkeit der Lagerung, wie auch schon 10 Jahre vor ihnen Herzog
(Herzog/Drake/Adams, 1997, S. 23). Über lange Zeit haben sie zwar die Fähigkeit
Rohstoffe zu lagern unter Beweis gestellt, dennoch gibt es bei einer großen Menge von
gebohrten
Zugängen
keine
Garantie
für
eine
langfristige
Lagermöglichkeit
(Johnsten/Santillo, 200, S. 11). Aus langfristiger Sicht könnten die tiefen saline
Aquifere eine bessere Wahl sein. Theoretisch ist ein Eintritt des Kohlendioxids in
Trinkwasserquellen möglich, das Risiko ist jedoch als gering zu betrachten
(Anderson/Newell, 2003, S. 26).
Um Aussagen über die Speicherdauer des Kohlendioxids nach Einsatz von
Düngung treffen zu können, fehlt es an Forschungsergebnissen. Für die
Durchführung eines Experiments gehen Markels und Barber (2001) von einer
langfristigen Speicherdauer von 1600 Jahren aus (Plotz, 2002, S. 17).
Bei der Deponierung in Tiefen des Ozeans von 1.000 bis 1.500 Metern würde
das Kohlendioxid nach etwa 500 bis 1.000 Jahren (Ploetz, 2002, S. 15; IEA, 2002,
S. 5; Körtzinger/Wallace, 2002, S. 65) wieder zur Oberfläche gelangen und
verstoffwechselt (siehe Düngung), bzw. an die Atmosphäre abgegeben werden. Die
Speicherdauer richtet sich Herzog (1997) zu Folge vor allem nach der globalen
Zirkulation und ist daher standortspezifisch (Ploetz, 2002, S 15). Im Gegensatz
dazu geht die Union of Concerned Scientists von Jahrzehnten bis Jahrhunderten mit
der Begründung aus, dass die Tiefenströmungen der Ozeane zu ungenau erforscht
13
seien um Genaues vorhersagen zu können (Ploetz, 2002, S. 15). Laut IEA (2002,
S.21) bietet die Tiefsee eine Möglichkeit der Langzeitspeicherung.
4.4 Umweltrisiken
Die Nutzung geologischer Senken birgt neben der Option Kohlendioxid zu
lagern auch Gefahren. Im Falle eines Lecks kann das Kohlendioxid in unterirdische
Wasservorkommen eintreten und zu einer Verunreinigung des Grundwassers führen
(Anderson/Newell, 2003, 26). Werden größere Mengen des Gases in die Luft,
welche leichter ist, freigesetzt, könnte sich ein Kohlendioxidsee bilden, der
Erstickungen von Menschen und Tieren in unmittelbarer Nähe zu Folge hätte
(Ploetz, 2002, S. 13). Solche ein Vorfall kann durch seismischtektonische
Bewegungen, die Wege für das Kohlendioxid erzeugen könnten, ausgelöst werden
(Ploetz, 2002, S. 13). In Erdbebengebieten sollten daher keine Lagerungen in
geologischen Senken vorgenommen werden.
Für die Ozeandüngung haben neuere Untersuchungen gezeigt (Coale, 2004;
Bishop, 2004), dass die Reagibilität des Algenwachstums auch von dem Gehalt an
Kieselsäure im Wasser abhängt. Buesseler (Buesseler, 2004) kommt zu dem
Schluss, dass obwohl ein Absinken von Kohlenstoffen zu beobachten ist, der Effekt
nicht ausreicht, um den Kohlendioxidgehalt der Luft signifikant zu senken.
Weiterhin weist Lawrence (Lawrence, 2002) auf Zusammenhänge zwischen von
Phytoplankton freigesetzten Gasen und Wolkenbildung sowie Ozonschicht hin. Des
Weiteren
würde
eine
erhöhte
Oberflächenwassertemperatur
Photosynthese
führen.
Bezüglich
zu
einer
Erhöhung
der
Auswirkung
auf
der
die
Artenvielfalt wurden von Coale (2004) Annahmen der Union of Concerned
Scientists (Union of Concerned Scientists, 2001) bestätigt, es wurde hierbei eine
signifikante Änderung der Artenvielfalt nachgewiesen.
Bei jeglicher Einleitung von CO2 wird eine PH-Wert-Senkung als Folge der
CO2-Sequestrierung unabhängig von der Differenzierung zwischen Düngung bzw.
direkter Einleitung in das Meerwasser angegeben (Ploetz, 2002, S.15; Union of
Concerned Scientists, 2001).
14
4.5 Öffentliche Wahrnehmung
Die CCS-Technologien sind in die Internationale Klimapolitik bisher nur
beschränkt integriert (Bode/Jung, 2004, S. 25). Unter den Experten werden zwei
Meinungen bezüglich des Einsatzes vertreten: Bode und Jung kommen zu der
Ansicht, dass die CCS-Technologien uns oder besser gesagt zukünftige
Generationen in einen Teufelskreis führen könnten (2004, S. 25). Treten die
angesammelten Mengen kurz- oder langfristig wieder aus, befände sich eine enorme
Konzentration von Kohlendioxid in der Luft. Das Problem der Emissionen wäre
somit nicht gelöst, sondern nur aufgeschoben. Anderen Veröffentlichungen zu
Folge ist der Raum für neue Technologien geben (IEA, 2002, S. 21). Die CCSTechnologien bieten Platz für Jahre von Emissionen mit sehr geringen Risiken.
Insbesondere
der
Ozean
verfüge
über
eine
großes
Potential
für
eine
Langzeitspeicherung in der Tiefsee. Für mögliche Umweltrisiken aus kurzfristiger
Sicht gäbe es andere Techniken, um diese zu reduzieren; aus langfristiger Sicht
seien nur weitere Forschungen nötig
Offen bleibt dabei auch die Frage bezüglich der Eigentumsverhältnisse und
somit auch wer z.B. wie viel Kohlendioxid an welcher Stelle im Meer einleiten
darf, wenn dieses denn eine ökonomisch attraktive Option ist. Dementsprechend
stellt sich weiterhin die Frage wer die (nur schwer messbare) CO2-Reduktion in
welcher Höhe angerechnet bekommen würde.
5. Kohlenstoffbindung in der internationalen Klimapolitik: LULUCF
im Kyoto-Protokoll
Eine weitere Option zur Reduzierung der atmosphärischen CO2-Konzentration
stellen so genannte terrestrische Senken dar. Diese fungieren sowohl als CO2Quelle, als auch als CO2-Senke (Körtzinger/Wallace, 2002).
Seit der Formulierung des Kyoto-Protokolls im Jahre 1997 führte die
Diskussion um die Landnutzung, Landnutzungsänderung und die Anrechenbarkeit
des Waldes (LULUCF) bzw. Aufforstung und Erhalt des Waldes zu erheblichen
Meinungsdifferenzen.
Die
Aufnahme
erfolgte
dann
auch
als
politische
15
Entscheidung, nachdem z.B. Australien, das seine Ziele mit diesen Maßnahmen
erreichen kann, entsprechend interveniert hatte.
Einerseits resultiert dieses aus dem Lebenszyklus von Pflanzen, die über die
Photosynthese CO2 aus der Luft filtern und Sauerstoff abgeben. Zum späteren
Zeitpunkt, nach deren Ableben, wird durch biologische Prozesse der Kohlenstoff
wieder
zu
CO2
verstoffwechselt
(Prozesse
wie
Verkohlung
bleiben
unberücksichtigt). Somit hängt die Netto-CO2-Bilanz terrestrische Senken
(langfristig) von der Änderung des Verhältnisses Naturland/Nutzland ab. Hieraus
ergibt sich, dass über die Art und Intensität der Landnutzung die Wirkung als CO2Senke gesteuert werden kann.
Aus der Implementierung biologischer Senken im Kyoto-Protokoll ergibt sich
die Relevanz entsprechender Maßnahmen (Buchmann, 2003, S.1).
Jedoch bedarf es einer gezielten Landnutzungspolitik um die Möglichkeiten der
CO2-Reduzierung auszunutzen (Kirschbaum, 2003). Zum einen könnte über
bestimmte Techniken die Biodiversität erhöht werden, da Ökosysteme mit höherer
Artenvielfalt regelhaft über höhere CO2-Bindungskapazitäten verfügen als
Monokulturen (Buchmann, 2003, S.2ff). Weiterhin wird in der Literatur diskutiert,
inwiefern durch Variation der Bewirtschaftungsintensität von landwirtschaftlichen
Nutzflächen der Humus- und somit der Kohlenstoffgehalt im Boden erhöht werden
kann (Lal, 2004a und b; Schneider, 2004, S.2).
Offen bleibt allerdings die Frage nach der Permanenz dieser Maßnahmen, so
beeinflusst
die
Landnutzung
in
der
Zukunft
ebenso
den
Wert
der
Kohlendioxidreduktion in der Luft gegenwärtig ebenso wie spätere Waldbrände den
aufgenommenen Kohlenstoff in Form von CO2 wieder freisetzen. Dieses wird
neben der schwierigen Messbarkeit als wesentlicher Nachteil der terrestrischen
Senken angesehen (Michaelowa, Greiner, Dutschke 2001, S.5). Demgegenüber
werden als Vorteile die geringen Kosten der Sequestrierung (Schätzungen für
Entwicklungsländer: 0.1 – 20 $/tC; Industrieländer: 20 – 100 $/tC [climate-change])
und die positiven Nebeneffekte angesehen. So beschreibt Lal (Lal, 2004 a und b)
die Verringerung der Bodenerosion und die verbesserte Ertragssituation an
Feldfrüchten.
16
6. Zusammenfassung
Stellt man sich nun die Frage nach der optimalen Lösung für den anthropogenen
Treibhauseffekt, erkennt man, dass bei der Vielfalt der Möglichkeiten sowie deren
Chancen und Probleme sich ein eindeutiges Ergebnis nur schwer finden lässt. Vielmehr
sehen wir eine Lösung in einer sinnvollen Kombination mehrerer Optionen. Im Rahmen
dieser Kombination könnten die CCS-Technologien eine Partiallösung bieten.
Für
die
CCS-Technologien
lassen
sich
kostenminimale
Lösungen
nur
standortindividuell ermitteln, da die Möglichkeiten durch geologische und marine
Gegebenheiten determiniert sind und man keine pauschale Aussage bezüglich des
kostenattraktivsten Verfahrens treffen kann. Aus diesem Grunde haben wir uns auf die
kostenmäßige Abbildung von Beispielen unterschiedlicher Quellen beschränkt.
Bezüglich möglicher Nettogewinne könnten EOR und ECBM für die Betreiber der
Ressourcenquellen ökonomisch attraktiv sein.
Ausgehend von dem Potential der geologischen und marinen Senken scheint der
Ozean eine vielversprechende Option zu sein, betrachtet man nur die geologischen
Möglichkeiten bieten die tiefen salinen Aquifere eine hohe Speicherkapazität.
Aus Sicht der Permanenz sprechen die langfristigen Speicherdauern des Ozeans
und der tiefen salinen Aquifere ebenfalls für ihren Einsatz. Hierbei ist jedoch
einzuwenden, dass mögliche Umweltrisiken bezüglich der marinen Senken bisher noch
nicht absehbar sind und daher das Risiko möglicherweise groß sein kann. Bei den
geologischen Formationen, insbesondere den tiefen salinen Aquifere, wird das Risiko
indes eher gering eingeschätzt, weshalb wir dort ein Einsatzpotential vermuten.
Allgemein gesehen, schließen wir uns der Meinung von Bode und Jung an. Der
bereits erwähnte Teufelskreis könnte zukünftige Generationen vor größere Probleme
stellen. Daher sollte eine emissionsärmere oder emissionsfreie Energieerzeugung weiter
unterstützt werden. CCS-Technologien können dabei ein Hilfsmittel sein, um den
Kohlendioxidgehalt zeitlich befristet in der Atmosphäre zu reduzieren.
17
Quellenverzeichnis
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