Kohlenstoff einfangen – Sind die Tiefen des Ozeans eine praktikable Lösung?

Kohlendioxid (CO2) ist ein wichtiges und am häufigsten erzeugtes Treibhausgas, das hilft, Wärme in unserer Atmosphäre zu speichern. Dieses wärmespeichernde Gas entsteht aus sowohl menschlichen als auch natürlichen Aktivitäten. 

Natürliche Quellen umfassen Prozesse wie Vulkanausbrüche und das Ausatmen von Kohlendioxid durch Tiere als Abfallprodukt. Gleichzeitig umfassen menschliche Aktivitäten, die zu CO2-Emissionen führen, Waldbrände und die Energieerzeugung, die die Gewinnung und Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Erdgas, Öl und Kohle beinhaltet. Etwa 45 % des vom Menschen emittierten CO2 verbleiben tatsächlich in der Atmosphäre und tragen wesentlich zur globalen Erwärmung bei. 

Ohne Kohlendioxid wäre der Planet Erde extrem kalt und damit unbewohnbar. Allerdings, die erhöhte Konzentration dieses Gases in unserer Atmosphäre erhöht nun die durchschnittlichen globalen Temperaturen.

Im 2019, die USA allein emittierten 5,130 Millionen metrische Tonnen energiebezogenen CO2 während die globalen Emissionen haben 33,621.5 Millionen metrische Tonnen, laut Schätzungen der US Energy (BSIN ) Information Administration.

Folglich gibt es ein wachsendes Interesse an der Kohlenstoffbindung, einem Prozess, der atmosphärisches Kohlendioxid erfasst und speichert. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu senken und den globalen Klimawandel zu mildern.

Bemühungen zur Unterstützung dieses Ziels umfassen den Übergang zu sauberen Energiesystemen und die Dekarbonisierung emissionsintensiver Sektoren wie Verkehr und Bauwesen. Unter diesen Initiativen sticht die Kohlenstoffbindung besonders als eine kooperative Methode mit der natürlichen Umwelt hervor, um den Klimawandel zu bekämpfen.

Kohlenstoffbindung ist eine Schlüsselmethodik zum Entfernen von Kohlenstoff aus der Erdatmosphäre, wobei der Schwerpunkt auf der dauerhaften Speicherung von CO2 liegt. Dieser Prozess kann auf zwei Arten erfolgen: biologisch und geologisch.

Geologische Kohlenstoffbindung beinhaltet die Speicherung von CO2 in unterirdischen Formationen. Laut der landesweiten Bewertung der geologischen Kohlenstoffbindung von 2013 des United States Geological Survey (USGS), gibt es ein geschätztes mittleres Speicherpotenzial von 3,000 metrische Gigatonnen an Kohlendioxid. Laut der Bewertung der Organisation hat die Region der Küstenebenen, einschließlich der Küstenbecken von Texas bis Georgia, das größte Speicherpotenzial für CO2.

Eine der Methoden, wie es durchgeführt wird ist über die Graphenproduktion, die CO2 als Rohstoff benötigt. Graphen ist ein leichtes, flexibles Material mit sehr hoher Widerstandsfähigkeit, was es in den Bereichen Bau, Energie, Elektronik und Gesundheit vorteilhaft macht.

Dann gibt es ingenieurtechnische Moleküle, deren Form verändert wird, um neue Verbindungen zu bilden, indem CO2 aus der Luft eingefangen wird. Carbon Capture and Storage (CCS) hingegen beinhaltet das Einfangen von CO2, das durch industrielle Aktivitäten entsteht, dessen Komprimierung und Transport zu tiefen unterirdischen Anlagen und schließlich die Injektion in Gesteinsformationen zur dauerhaften Speicherung.

Das Injizieren von Kohlendioxid in unterirdische Reservoirs bietet den Vorteil, die Ölförderung zu steigern. Diese Methode ist jedoch nicht ohne Nachteile. Probleme wie die Migration und das Austreten von Kohlendioxid, Grundwasserkontamination und seismische Risiken im Zusammenhang mit der Injektion können auftreten. Zudem fehlen in vielen Teilen der Welt geeignete geologische Strukturen für die Reservoirinjektion.

Biologische Kohlenstoffbindung wird als ‘indirekte’ oder passive Form der Bindung bezeichnet. Bei dieser Methode wird CO2 gespeichert in der natürlichen Umgebung in sogenannten ‘Kohlenstoffsenken’, wie Boden, Wäldern, Grasländern, Ozeanen und anderen Gewässern. 

Wälder gelten tatsächlich als eine der besten Formen der natürlichen Kohlenstoffbindung. Nach schließlich speichern Wälder im Durchschnitt doppelt so viel Kohlenstoff, wie sie emittieren. Während der Photosynthese bindet CO2 an Pflanzen und wird gegen Sauerstoff ausgetauscht. Schätzungsweise ein Viertel der globalen CO2-Emissionen wird zusammen mit Wäldern in anderen vegetativen Formen wie Grasländern, Feldern, Prärien usw. gebunden.

Bezüglich des Bodens: CO2 wird erfasst und als Karbonate gespeichert, die sich über Tausende von Jahren ansammeln, wenn sie sich mit Elementen wie Calcium verbinden. Obwohl CO2 schließlich aus der Erde freigesetzt wird, dauert dieser Prozess Tausende von Jahren.

In aquatischen Umgebungen, einschließlich großer Gewässer, machen diese ein Viertel des aus der Erdatmosphäre entfernten CO2 aus. Primär die oberen Schichten der Ozeane speichern Kohlenstoff, aber übermäßige Mengen können zu einer Versauerung des Wassers führen und die Biodiversität negativ beeinflussen.

Ein wachsender Fokus jetzt liegt auf der Entwicklung von Technologien, die es ermöglichen, dass Kohlenstoffbindung stattfindet in großem Maßstab.

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Ultraschnelle Methode der Kohlenstoffbindung

Forscher der University of Texas at Austin haben eine neue und extrem schnelle Methode zur Speicherung des Kohlenstoffs, der aus der Atmosphäre erfasst wird, entdeckt. Sie ist nicht nur schneller als konventionelle Methoden, sondern funktioniert auch ohne die schädlichen chemischen Beschleuniger, die in herkömmlichen Verfahren oder mechanischer Rührung verwendet werden.

Veröffentlicht in ACS Sustainable Chemistry & Engineering, hat die neue Forschung eine Technik zur ultraschnellen Bildung von Kohlendioxid-Hydraten entwickelt. Diese Materialien sind einzigartig und eisartig, sodass sie CO2 im Ozean vergraben und deren Freisetzung in die Atmosphäre verhindern. ​

„Wir stehen vor einer gewaltigen Herausforderung – einen Weg zu finden, um Gigatonnen von Kohlenstoff sicher aus unserer Atmosphäre zu entfernen – und Hydrate bieten eine universelle Lösung für die Kohlenstoffspeicherung. Damit sie ein bedeutender Teil des Kohlenstoffspeicher-Puzzles werden, benötigen wir die Technologie, sie schnell und im großen Maßstab zu produzieren.“ 

– Vaibhav Bahadur, Professor im Walker Department of Mechanical Engineering

Die Forschung zeigt, dass Hydrate schnell gezüchtet werden können, und das sogar ohne den Einsatz von Chemikalien, die die ökologischen Vorteile der Kohlenstoffbindung neutralisieren. Darüber hinaus sieht das Team darin eine hochwirksame Methode für gigaskalige Kohlenstoffspeicherung. Und wenn einige Probleme und Schwierigkeiten überwunden werden können, könnten Hydrate zu einer bevorzugten Methode werden, Kohlenstoff zu erfassen und zu speichern.

Das Team stellte fest, dass die Erstellung dieser Hydrate zur Kohlenstoffbindung nicht nur ein langsamer Prozess, sondern auch energieintensiv, was bisher verhindert hat, dass diese nicht zur populären Art der Kohlenstoffspeicherung im großen Maßstab wird, bis jetzt.

In der neuen Studie konnten die Forscher eine bis zu sechs‑fache Steigerung der Hydrat-Bildungsrate im Vergleich zu früheren Methoden. Die hohe Geschwindigkeit des Prozesses sowie chemiefrei macht Hydrate geeignet für die großskalige Speicherung von Kohlenstoff.

Aber was tatsächlich die Notwendigkeit von Chemikalien eliminiert, was ermöglicht eine verbesserte Absorption, Energieeffizienz, und Kosteneffektivität, ist Magnesium, das die ‘geheime Zutat’ der Forschung war.

Magnesium (Mg), ein glänzendes graues Metall mit niedriger Dichte, niedrigem Schmelzpunkt und hoher chemischer Reaktivität, kommt natürlich in Kombination mit anderen Elementen vor. Das Metall dient hier als Auslöser, der die Notwendigkeit chemischer Mittel entfernt. Die Zugabe von Magnesium wird unterstützt durch das Aufschäumen von Kohlendioxid bei hoher Durchflussrate in einer speziellen Reaktorkonfiguration. Der Reaktor‑Druck ist hier der Hauptfaktor für die Bindungsrate.

Somit resultiert die Verbesserung der CO2-Bindungsrate, die auf dem Netto-Gasverbrauch basiert, aus der hohen Durchflussrate des konstanten Gas‑Ein‑ und -Auslasses in Gegenwart von Magnesium. Diese Methode erhöht die Wachstumsrate, indem sie die Gas‑Wasser‑Hydrat‑Grenzfläche kontinuierlich erneuert.

Was die Technologie leichter umsetzbar macht, ist, dass sie sehr gut mit Meerwasser funktioniert, was bedeutet, dass keine komplexen Entsalzungsprozesse zur Erzeugung von Frischwasser erforderlich sind. Die schnelle Bildung von Schaum mit Salzwasser wird die wirtschaftliche Leistungsfähigkeit der Technologie erheblich steigern, so das Team. Laut Bahadur, der die Forschung leitete:

„Hydrate sind attraktive Optionen zur Kohlenstoffspeicherung, da der Meeresboden stabile thermodynamische Bedingungen bietet, die sie vor Zersetzung schützen.“ 

Auf diese Weise ist die Kohlenstoffspeicherung im Wesentlichen für jedes Land mit Küstenlinie einsatzbereit. Daher macht diese Methode der Kohlenstoffspeicherung „zugänglicher und machbarer im globalen Maßstab und bringt uns näher an die Erreichung einer nachhaltigen Zukunft“, fügte er hinzu.

Laut den Forschern werden die Schäume neue Ansätze zum Transport und zur Bindung von CO2 ermöglichen. Doch die Auswirkungen dieses Fortschritts gehen über die reine Kohlenstoffbindung hinaus. Die ultraschnelle Bildung von Hydraten kann sogar in der Gastrennung und Speicherung und Entsalzung.

Auf diese Weise bietet die neue Technologie eine vielseitige Lösung für verschiedene Branchen. Deshalb, die Forscher haben ein Paar Patente im Zusammenhang mit der Technologie angemeldet, und erwägen sogar ein Startup, um sie zu kommerzialisieren.

Nicht alle Initiativen sind erfolgreich 

Angesichts der Bedeutung der Dekarbonisierung der Umwelt untersuchen Wissenschaftler und Weltführer verschiedene Wege und neue Technologien, um die Klimaziele zu erreichen. 

Letztes Jahr, Wissenschaftler entdeckten ein Mikroorganismus vor der Küste einer vulkanischen Insel in der Nähe von Sizilien, der CO2 „erstaunlich schnell“ verzehrt. Die Mikroben, ursprünglich im September 2022 gefunden, sind „hyper‑effizient beim Verbrauch von CO2 durch Photosynthese“, schneller als andere bekannte Cyanobakterien. Wissenschaftler erklärten, dass mikrobielle Prozesse weitaus kapital‑effizienter sind als technologische Interventionen und ebenfalls „von Natur aus skalierbar“ sind, da sie „in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden können, von offenen Teichen bis zu Bioreaktoren.“

Vor ein paar Monaten entwickelten die Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) meldeten die Entwicklung von Testgeräten mit hoher Genauigkeit zur Messung der Leistung von Materialien (Sorbentien), die zum Einfangen und Entfernen von Kohlenstoff aus der Luft verwendet werden. Das Gerät ermöglicht es NIST, Forschungs‑Qualitäts‑Testmaterial (RGTM) Sorbentien für die Direct‑Air‑Capture (DAC) Industrie zu erzeugen. Es erlaubt Unternehmen, ihre Sorbentien zu testen und ihre Wirksamkeit zu verifizieren, bevor sie skaliert werden.

Erst diesen Monat schlugen australische Forscher vor, Solarenergie zu nutzen, um Kohlenstoff in Bergbauabfällen zu erfassen und zu speichern. Sie führen derzeit die erste Bewertung und Analyse der Nutzung konzentrierter Solarwärme für die Serpentininaktivierung durch, um aktiviertes Ausgangsmaterial für Kohlenstoffabscheidungs‑ und -speicherungsprozesse mittels mineralischer Karbonisierung zu produzieren.

Wissenschaftler entdecken sogar Wege, Treibhausgase direkt in feste Brennstoffe umzuwandeln, die verwendet werden können um Häuser zu heizen oder Industrien zu betreiben. Zum Beispiel entwickelten Forscher am MIT und der Harvard University entwickelten und demonstrierten den Prozess des Einfangens und der elektrochemischen Umwandlung des Gases in Pulver. Das feste Formiat wird dann in einem Labor verwendet, um Strom über eine Brennstoffzelle zu erzeugen.

Es ist also eindeutig ein stärkerer Fokus auf das Einfangen und Speichern von Kohlenstoff erkennbar, wobei viel Forschung und Finanzierung in solche Bemühungen investiert wird. Allerdings waren nicht alle Initiativen erfolgreich. Ein prominentes Beispiel dafür ist das US‑basierte Klima‑Start‑up Running Tide.

Im Kohlenstoffentfernungsprozess von Running Tide entwickelt ein Netzwerk schwimmender Holzbojen „Mikrowälder“ aus Algen, um „Kohlenstoff aus Luft und Wasser zu verschlingen“ und Kalkstein, um „als Antazid für die Oberflächenschicht des Meeres zu dienen.“ Die Algen werden anschließend geschnitten, um zu sinken, wo sie CO2 absorbieren und für Tausende von Jahren tief vergraben bleiben.

Das Unternehmen hat laut seiner Website angeblich 25.000 Tonnen Kohlenstoff durch zwei Wege entfernt:

• Erhöhung der Ozeanalkalinität
• Biomasseabsenkung

Running Tide verkauft außerdem Kohlenstoffgutschriften, die eine Tonne entfernten Kohlenstoff aus dem schnellen Zyklus repräsentieren. Vor etwa einem Jahr lieferte das Start‑up die ersten Kohlenstoffentfernungsgutschriften aus einem offenen Ozeanprojekt, die im Voraus an den E‑Commerce‑Riesen Shopify verkauft wurden. Später kaufte Microsoft (MSFT ) ebenfalls Kohlenstoffgutschriften vom Start‑up.

Im Juni kündigte das Start‑up an, dass es geschlossen wird. Gründer und CEO von Running Tide, Mark Odlin, in einem LinkedIn‑Beitrag:

„Leider beginnen wir heute mit dem Schließungsprozess der globalen Aktivitäten von Running Tide, weil wir nicht die passende Finanzierung sichern können, um unsere Arbeit mit der erforderlichen Dringlichkeit fortzusetzen.“

Laut dem Beitrag ist der Kohlenstoffmarkt freiwillig und es gibt nicht „die Nachfrage, die nötig ist, um großflächige Kohlenstoffentfernung“ hinzufügend, „unsere Integrität wird danach beurteilt, ob wir das Erfolgsziel erreichen und nichts anderes.“

In dem Beitrag behauptete er, das Start‑up habe „das größte erfolgreiche Kohlenstoffentfernungsprojekt im offenen Ozean“ durchgeführt, und das „zu den niedrigsten Kosten, in den härtesten Umgebungen, mit den höchsten Qualitätsstandards“.

Berichten zufolge hat das Unternehmen einige 19.000 Tonnen Holzspäne in die Küstengewässer Islands gesenkt. Diese riesige Ablagerung war „völlig unbeaufsichtigt“, erklärte die isländische Wochenzeitung, Heimildin, die ebenfalls auf den Mangel an Aufsicht über die Operationen hinwies, und den Mangel an Verifizierung der Unternehmensbehauptungen, dass es 25.000 Tonnen Kohlenstoff auf dem Meeresgrund gespeichert habe.

Die Schließung von Running Tide und Fragen zu seinen Operationen zeigen dass, obwohl alle Bemühungen und Forschungen Begeisterung wecken, Initiativen nicht immer zum Erfolg führen und mehr staatliche Unterstützung sowie technologische Durchbrüche nötig sind, um tatsächlich einen Wandel zu bewirken.

#1. ExxonMobil (XOM)

Die ozeanbasierte Kohlenstoffbindungstechnologie kann ExxonMobil (XOM ) dabei helfen, seine technologische Führungsposition zu stärken und regulatorische Kosten im Zusammenhang mit Kohlenstoffemissionen zu senken.

Finanziell könnte es erhebliche Summen einsparen, indem potenzielle CO2‑Steuerverpflichtungen gesenkt und neue Einnahmequellen durch den Verkauf von Kohlenstoffgutschriften geschaffen werden. Darüber hinaus können diese Fortschritte die ESG‑Bewertungen von ExxonMobil verbessern und das Unternehmen für umweltbewusste Investoren attraktiver machen. Es meldete einen Umsatz von 413,7 Milliarden $ im Jahr 2023​​.

#2. Occidental Petroleum (OXY)

Occidental Petroleum (OXY ) ist ein führendes Unternehmen bei der Entwicklung großskaliger CCS‑Projekte, insbesondere solcher, die erfasstes Kohlendioxid in Enhanced‑Oil‑Recovery‑ (EOR‑) Prozesse integrieren. Durch die Übernahme ozeanbasierter Kohlenstoffbindung kann Occidental seine CCS‑Initiativen weiter diversifizieren und seine Nachhaltigkeitspraktiken verbessern. 

Finanziell bietet diese Technologie doppelte Vorteile: Sie hilft, CO2‑Steuerverpflichtungen zu reduzieren und generiert zusätzliche Einnahmen durch Kohlenstoffgutschriften. Darüber hinaus kann die Nutzung von erfasstem Kohlendioxid im EOR die Ölrückgewinnungsraten verbessern und somit die Produktionseffizienz und Rentabilität steigern. Das Unternehmen meldete einen Umsatz von 28,92 Milliarden $ im Jahr 2023.

Abschließende Gedanken

Die Verhinderung einer weiteren Erwärmung der Erdatmosphäre und die Bekämpfung des Klimawandels sind globale Prioritäten. Verschiedene Maßnahmen, einschließlich des Ausstiegs aus kohlenstoffemittierenden Brennstoffen und der Festlegung rechtlich bindender Ziele für Netto‑Null‑Emissionen, wurden eingeführt. Das Einfangen und Speichern von CO2 ist eine weitere wichtige Lösung zur Dekarbonisierung unseres Planeten.

Diese Kohlenstoffbindung kann auf verschiedene Weise erreicht werden, wobei die Ozeantiefe einen attraktiven Standort dafür bietet. Der Ozean ist ein Kohlenstoffsenke, die mittels einer biologischen Kohlenstoffpumpe – Phytoplankton – CO2 von der Oberfläche über die Nahrungskette zum Meeresgrund transportiert, wo es langfristig gespeichert wird. Physikalische Pumpen, angetrieben durch die Ozeanzirkulation, helfen ebenfalls, gelösten Kohlenstoff zu binden.

Angesichts seiner enormen Speicherkapazität und natürlichen Fähigkeit, CO2 zu absorbieren, kombiniert mit der Isolation von der Atmosphäre, ist der tiefe Ozean eine beliebte Methode zur Kohlenstoffspeicherung. Techniken reichen von der direkten CO2-Injektion in den tiefen Ozean über die Zugabe von Nährstoffen zur Anregung des Phytoplanktonwachstums bis hin zur Nutzung von hohem Druck und niedrigen Temperaturen, um feste Hydrate zu bilden.

Dieser Ansatz ist jedoch nicht ohne Herausforderungen, wie der Fall Running Tide zeigt, und es entstehen Probleme wie Versauerung, Kosten, Überwachung, Verifizierung und Nachhaltigkeit.

Nur durch kontinuierliche Forschung und Entwicklung, wie sie von den Forschern der University of Texas durchgeführt wird, können wir Lösungen finden, die Kohlenstoff speichern, ohne die Umwelt zu schädigen. Insgesamt stellen die Ozeantiefe eine vielversprechende, aber unsichere Option für die Kohlenstoffbindung dar.

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