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Gibt es "CO2-arme" Kohlekraftwerke?

Kohlekraftwerke gelten gemeinhin als Verursacher großer CO₂-Emissionen. Gleichzeitig produzieren sie einen Großteil der benötigten Energie. CO₂-arme Kraftwerke könnten die Lösung sein. Wie funktionieren sie, welche Voraussetzungen sind nötig und wie tragen sie zum Klimaschutz bei?

Stellenwert der deutschen Kohlekraftwerke

In Deutschland wird fast die Hälfte (44 Prozent) der Stromproduktion durch die Verbrennung von Braun- und Steinkohle erzeugt und damit auch das für den Klimawandel mit verantwortliche Gas Kohlendioxid (CO₂) in die Atmosphäre freigesetzt. Kohlekraftwerke produzieren mehr als ein Drittel aller CO₂-Emissionen in Deutschland. In keinem anderen Bereich, wie zum Beispiel dem Verkehr oder in privaten Haushalten, werden mehr CO₂-Emissionen freigesetzt.

Kohlekraftwerke sind heute in Deutschland zum einen elementar für die Erzeugung von Strom, gleichzeitig spielen sie eine gewichtige Rolle bei der Beschleunigung des Klimawandels. Vor dem Hintergrund der zu erreichenden Klimaschutzziele besteht demnach gerade hier ein hoher Handlungsbedarf. Neben der Verbesserung des Wirkungsgrades ist dabei aktuell vor allem die Errichtung so genannter "CO₂-armer" Kraftwerke in der Diskussion.

Was sind "CO₂-arme" Kohlekraftwerke?

Hinter der Bezeichnung "CO₂-armes" Kohlekraftwerk verbirgt sich eine Reihe von neuen Technologien zur Stromerzeugung, mit deren Hilfe man die Freisetzung des klimaschädlichen Gases Kohlendioxid bei der Verbrennung von Kohle weitgehend vermindern kann . Dies erfolgt je nach Technologie durch die Abtrennung von Kohlendioxid vor oder nach der Verbrennung der Kohle. Das CO₂ wird aus den Rauch-, Brenn- oder Industriegasströmen mit Hilfe verschiedener Verfahren abgetrennt. Anschließend muss es dann langfristig in geeigneten geologischen Lagerstätten (z.B. tief gelegene Salzwasser führende Aquifere) verwahrt werden. Mit dem Ergebnis, dass das bei der Verbrennung von Kohle freigesetzte CO₂ nicht mehr vollständig in die Atmosphäre gelangt, sondern der Großteil unterirdisch gespeichert wird. International werden diese Technologien zur Abtrennung und Speicherung des CO₂ üblicherweise als Carbon Capture and Storage, kurz CCS-Technologien, bezeichnet. Im Folgenden wird detaillierter erläutert, was sich hinter der Bezeichnung CO₂-"armes" Kohlekraftwerk verbirgt.

Wie funktionieren "CO₂-arme" Kohlekraftwerke?

Grundsätzlich lassen sich die Verfahren zur Abscheidung von Kohlendioxid in drei Kategorien unterteilen: Das CO₂ kann vor der Verbrennung (engl.: precombustion) abgetrennt oder nach der Verbrennung (engl.: post-combustion) dem Abgas entzogen werden. Als dritte Variante wird die Verbrennung in reinem Sauerstoff (OxyFuel-Verfahren) diskutiert.

Technische Verfahren
Beim ersten Verfahren erfolgt die Abtrennung von CO₂ vor der Verbrennung des Brennstoffes. Das so genannte "Pre-Combustion-Verfahren" ist sowohl für Kohle- als zum Beispiel auch für Gaskraftwerke geeignet und basiert auf einer integrierten Vergasung. Bei diesem Verfahren wird Kohle in mehreren Schritten zu Kohlendioxid und Wasserstoff vergast. Der Wasserstoff kann dann verstromt werden. Probleme bestehen in der technischen Verfügbarkeit der Anlagen, zudem ist das Verfahren bislang wenig ausgereift. Die Technologie wird bisher in zwei größeren europäischen Anlagen und in den USA kommerziell angewandt. Vorteile dieses Verfahrens liegen in der Flexibilität, neben Kohle können bei der Feststoffvergasung auch Biomasse und Sonderbrennstoffe zur Anwendung kommen. Mithilfe weiterer Verfahrensschritte können aus dem Produkt Gas auch Kraftstoffe wie zum Beispiel Wasserstoff oder synthetische Kraftstoffe hergestellt werden.

Bei dem "Post-Combustion–Verfahren" wird das CO₂ nach der Verbrennung mittels chemischer Rauchgaswäsche abgetrennt. Diese Technik ist zwar größtenteils ausgereift, aber sie ist zugleich verhältnismäßig teuer, verbraucht eine höhere Menge Energie als konventionelle Kohlekraftwerke und erfordert einen erheblichen Mehrbedarf an zur Verfügung stehender Industriefläche. Für die Rauchgasbehandlung bei diesem Verfahren werden zudem sehr große Mengen umweltrelevanter chemischer Substanzen zum Herauswaschen des CO₂ benötigt.

Im Rahmen des "Oxyfuel–Verfahrens" erfolgt die Verbrennung von Kohle in reinem Sauerstoff anstatt in Luftumgebung. Dieses Verfahren befindet sich derzeit noch in der Erprobung. Die Vorteile des Verfahrens bestehen in geringeren Energieverlusten, höheren Abscheideraten, nicht nur von CO₂, sondern auch der Stickoxidemissionen und in der Vereinfachung der Abtrennung des CO₂ aus den Rauchgasen mittels Kondensation, da der gesamte Bedarf an Luftstickstoff entfällt. Ein Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass vor der eigentlichen Verbrennung der Kohle eine so genannte Luftzerlegungsanlage zur Bereitstellung von reinem Sauerstoff installiert werden muss, die zusätzliche Kosten verursacht.

Bei der Weiterentwicklung dieser drei genannten und weiterer möglicher Verfahren gilt es vor allem den hohen Energiebedarf der Anlagen, der speziell für die CO₂-Abtrennung notwendig ist, sowie die Kosten zu senken. Die Forschung und Entwicklung an diesen Technologien ist noch nicht abgeschlossen. Der Einsatz dieser Anlagen im großen Maßstab wird für das Jahr 2020 vorausgesagt.

Transport des abgetrennten CO₂
Das aus den Rauchgasen abgesonderte CO₂ kann grundsätzlich von den Kraftwerksstandorten per Pipeline zu den Speichern transportiert werden. Weitere Transportoptionen bestehen eher theoretisch oder nur für kleinere Versuchsanlagen durch große Schiffstanker (See- und Binnenschifffahrt) sowie den Schienen- und Straßenverkehr (LKW). Der Transport per Pipeline sorgt für eine kontinuierliche Beförderung von CO₂ in sehr großen Mengen, die zudem relativ umweltverträglich ist und zu akzeptablen Kosten erfolgen kann.

Ein Nachteil des Pipelinetransports ist, dass erst ein neues Pipelinenetz verlegt werden muss. Dieses Netz kann in der Bevölkerung, vor allem dort wo Personen und Städte oder Gemeinden auf regionaler Ebene betroffen sind, möglicherweise mit Blick auf den unvermeidlichen Restrisiken auf Ablehnung stoßen. Unter bestimmten Voraussetzungen ist die Nutzung bestehender Pipelinetrassen möglich. Zur Verringerung der Gefahren ist in jedem Fall eine umsichtige Trassenplanung notwendig. Senken sollten weitgehend gemieden werden, da CO₂ (weil es schwerer als Luft ist) dort zu Gesundheitsrisiken führen kann, wenn es plötzlich und in großen Mengen austritt.

Schiffe als Transportmöglichkeit sind dagegen flexibler einsetzbar und schneller verfügbar, benötigen allerdings eine Lade- und Entladeinfrastruktur. Je nach Standort des Kraftwerks muss auf weitere Transport- und Zwischenspeichermöglichkeiten zurückgegriffen werden, um das abgeschiedene CO₂ zum Schiff zu transportieren.

Speicherung des CO₂

kann in verschiedenen Speicherstrukturen unterhalb der Erdoberfläche gelagert werden. Mögliche Speicheroptionen sind leere Öl- und Gasfelder, tiefe saline Aquifere (poröse salzwasserführende Gesteinsschichten, die das CO₂ aufnehmen können), stillgelegte Kohleflöze und Kohlebergwerke sowie Salzkavernen (Hohlräume, die durch den Abbau von Salz entstanden sind). Eine weitere zusätzliche Option bei der Speicherung von CO₂ in Ölfeldern stellt eine Technik dar, mit deren Hilfe man durch das Einpressen von CO₂ die Ausbeute von Ölfeldern erhöhen kann. Dieses so genannte "Enhanced Oil Recovery" (EOR) wird heute schon teilweise praktiziert. Eine unterirdische Speicherung in Salzwasser führenden Kavernen erfolgt seit einigen Jahren zum Beispiel in Norwegen und Algerien.

Die Einlagerung von CO₂ in der Tiefsee wird zurzeit unter Wissenschaftlern aufgrund der noch nicht genügend erforschten Auswirkungen auf das Ökosystem Meer sehr kritisch diskutiert und von den Umweltverbänden deutlich abgelehnt.

Neben den so genannten geologischen Speichervarianten besteht als zusätzliche Option die Nutzung des CO₂ durch eine industrielle Weiterverwertung, beispielsweise zur Trockeneisherstellung für die Ammoniaksynthese oder zur Kohlensäureproduktion. Die Mengen CO₂, die durch diese industrielle Nutzung gebunden werden, sind jedoch sehr gering. Andere Verfahren, mit denen eine CO₂-Bindung möglich ist, zum Beispiel durch den Anbau von Biomasse oder die Mineralisierung des CO₂, stehen beim heutigen Stand der Forschung und Technik noch relativ am Anfang der Erforschung und Entwicklung oder sind mit einem zu hohen Energie- bzw. Kostenaufwand verbunden.

Was können "CO₂-arme" Kolekraftwerke zum Klimaschutz beitragen

Neben der Effizienzsteigerung im technischen Bereich, der Energieeinsparung im Allgemeinen, dem Brennstoffwechsel insbesondere von Kohle zum weniger Kohlenstoff intensiven Erdgas und dem Ausbau erneuerbarer Energien wird auch von den CCS-Technologien von verschiedenen Akteuren ein maßgeblicher Beitrag zur CO₂-Emissionsminderung erwartet. Die Europäische Union sieht in einem aktuellen Szenario mittelfristig das größte Emissionsminderungspotenzial in der Erhöhung der Energieeffizienz. An zweiter Stelle sieht man den Umstieg von Kohle auf Erdgas, da hier frühe positive Effekte bei der Minderung von CO₂-Emissionen erwartet werden. An dritter Stelle steht der Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energietechnologien, wie zum Beispiel der Wind- und Sonnenenergie. Am Ende dieser Maßnahmenliste sind die großtechnischen Lösungen zu nennen, wie die Kernenergie mit einem insgesamt relativ geringen Beitrag sowie die Technik der "CO₂-armen" Kohlekraftwerke (siehe CO₂-Speicherung Abbildung 1).

Langfristig kommt dann vor allem dem Ausbau erneuerbarer Energien eine zentrale Bedeutung zu. Von den CCS-Technologien wird aufgrund begrenzter Speicherpotenziale ohnehin nur eine Brückenfunktion erwartet. Die Verringerungen der Emissionen durch die CCS-Technologien werden nach den aktuellen Schätzungen der EU im Jahre 2035 ihr Maximum erreicht haben, um dann von den erneuerbaren Energien im Volumen ihres Minderungsbeitrages überholt zu werden.

Um den positiven klimawirksamen Nutzen der CCS-Technologien verzeichnen zu können, muss neben den technischen Voraussetzungen noch eine Vielzahl von wirtschaftlichen, rechtlichen, gesellschaftlichen und ökologischen Voraussetzungen geschaffen werden.

Wirtschaftliche Voraussetzungen
Verglichen mit anderen Maßnahmen zum Klimaschutz (zum Beispiel Energieeinsparung, Kraft-Wärme-Kopplung) sind die Kosten für das Verfahren der Abscheidung, des Transportes und der Speicherung des CO₂ sehr hoch. Forschungsprojekte untersuchen derzeit, inwieweit es gelingen kann, die Kosten dieser Technologie so zu reduzieren, dass CCS prinzipiell eine konkurrenzfähige Klimaschutzoption werden könnte. Strukturell nachteilig wirkt sich der hohe Energiebedarf der Technologie aus, so dass steigende Energieträgerpreise sich hier direkt negativ niederschlagen.

Rechtliche Voraussetzungen
Da die CCS-Technologien noch in der Entwicklungs- und Erprobungsphase sind, gibt es bislang noch keine eindeutigen gesetzlichen Rahmenbedingungen. Die Rechtssicherheit ist vor allem für die potenziellen Betreiber der Technologie bedeutsam, um Investitionsentscheidungen treffen zu können. Wichtig ist auch die Klärung der Haftungsfragen für die mit der Speicherung verbundenen Risiken. Hier besteht ansonsten die Gefahr, dass Risiken der Allgemeinheit und insbesondere zukünftigen Generationen aufgebürdet werden. Zudem ist zu klären, wie wirtschaftliche Anreize zum Beispiel durch die Einbindung von "CO₂-armen" Kohlekraftwerken in die Kyoto-Instrumente geschaffen werden können.

Gesellschaftliche Voraussetzungen
CCS ist ein in der breiten Öffentlichkeit noch relativ unbekanntes technisches Verfahren, was bedeutet, dass die Meinungsbildung zu dieser Technologie noch am Anfang steht. Experten gehen davon aus, dass unter anderem vor dem Hintergrund der heute schon zu beobachtenden wachsenden Ablehnung gegenüber Kohlekraftwerken auch eine gesteigerte Sensibilität der Bevölkerung hinsichtlich der CCS-Technologien zu erwarten ist. Vor allem dann, wenn die Informationen, die an die Bevölkerung herangetragen werden, nicht ausgewogen und sachlich sind. Es gilt daher, dem Thema "Kommunikation" zukünftig mehr Bedeutung beizumessen, damit der Informationsstand der Bevölkerung auf ein Niveau angehoben wird, auf dem eine Meinungsbildung zu CCS stattfinden kann.

Ökologische Voraussetzungen
Insbesondere die Speicherstandorte für die Lagerung des abgetrennten CO₂ sind sorgfältig auszusuchen, denn nur so ist eine stabile Langzeitspeicherung ohne potenzielle Gefahren (zum Beispiel Aufstiegspfade durch Bruchstellen im Gestein) weitestgehend zu vermeiden. Zudem sind wichtige Forschungsarbeiten zu den Auswirkungen des eingespeicherten CO₂ auf das umgebende Medium noch nicht abgeschlossen (beispielsweise die Folgen für das maritime Ökosystem durch CO₂-Ablagerungen am Meeresgrund). Erheblicher Forschungsbedarf besteht auch hinsichtlich des Ausbreitungsverhaltens des CO₂ im Untergrund und der Verdrängungseffekte des Salzwassers.

Fazit

Eine dauerhafte Lösung des Klimaproblems ist mit den CCS-Technologien nicht zu erreichen. Ihnen könnte allenfalls eine wichtige Brückenoption zukommen. Ergänzend zum weiteren Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien und einer verstärkten Ausschöpfung der Energieeinsparmaßnahmen könnte mit CCS aber ein durchaus wichtiger Beitrag zur Verringerung der energiebedingten Treibhausgasemissionen erreicht werden. Vorausgesetzt man geht davon aus, dass die offenen Fragen geklärt und die Technologie ökonomisch und ökologisch verträglich zum Einsatz kommen kann. Dies gilt vor allem für den globalen Einsatz. Durch die anhaltende Industrialisierung ist ein stetig steigender Energiebedarf zu erwarten, der in vielen Ländern (zum Beispiel China, Indien) ganz maßgeblich weiter durch die Nutzung fossiler Energieträger gestillt wird und gleichzeitig zur Beschleunigung des Klimawandels beiträgt. Die Notwendigkeit, nachhaltige Konzepte zur Energieerzeugung auf den Weg zu bringen, bleibt also eine wichtige Aufgabe.

Literatur

CEC (2007): Commission Staff Working Document, Accompanying document to the Communication from the Commission to the Council, the European Parliament, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions: Limiting Global Climate Change to 2 degrees Celsius. The way ahead for 2020 and beyond. Impact Assessment, Brussels 10 January 2007.