CCS aus Stanford: Günstige CO2-Speicherung mit Gestein

Wohin nur mit all dem CO₂, das unseren Klimawandel triggert? Die Bildung als Abgas zu vermeiden, ist eine viel genutzte Möglichkeit, zum Beispiel durch erneuerbare Energieträger. Die Freisetzung zu vermeiden, CO₂ beziehungsweise den darin enthaltenen Kohlenstoff (C) langfristig zu binden, ob durch Speicherung oder Nutzung, ist eine andere Methode des CO2-Entzugs. CCS (Carbon Capture & Storage) oder CCU (Carbon Capture & Usage) heißt diese Technologiefamilie. Toll wäre, ginge das alles einfach, schnell und kostengünstig.

Für diese Aufgabe haben nach eigenen Angaben jetzt zwei Forscher der Stanford University in Kalifornien eine Lösung parat. „Die Erde verfügt über einen unerschöpflichen Vorrat an Mineralien, die in der Lage sind, CO₂ aus der Atmosphäre zu entfernen, aber sie reagieren einfach nicht schnell genug, um den menschlichen Treibhausgasemissionen entgegenzuwirken“, sagt der Chemiker Matthew Kanan, der an der Stanford School of Humanities and Sciences das Kanan Lab leitet. „Unsere Arbeit löst dieses Problem auf eine Weise, die unserer Meinung nach einzigartig skalierbar ist.“

Wie das neue CCS-Verfahren aus Stanford funktioniert

Das neue Verfahren aus den USA nutzt Wärme, um gewöhnliche Mineralien in Materialien umzuwandeln, die spontan Kohlenstoff aus der Atmosphäre ziehen und ihn dauerhaft binden können. Das heißt, diese Materialien sind reaktiv. Hergestellt werden diese Materialien aus gewöhnlichem Gestein, das in herkömmlichen Zementbrennöfen gebrannt wird.

In der Natur reagieren Silikate mit Wasser und atmosphärischem CO₂ zu stabilen Bikarbonaten und festen Karbonatmineralien – ein Prozess, der als Verwitterung bekannt ist. Silikate sind eine riesige Gruppe unter den natürlich vorkommenden Mineralien, aus denen die Gesteine unserer Erde bestehen. Daher kommt Verwitterung fast überall vor. Nur: Das kann dauern, Hunderte bis Tausende von Jahren. Für den Klimaschutz soll das CO₂ aber sehr viel schneller gebunden werden. Seit den 1990er-Jahren sucht die Wissenschaft nach Möglichkeiten des sogenannten Enhanced Weathering, einer speziellen Form des CCS: Wie können wir Gesteine zu einer schnelleren Aufnahme von Kohlendioxid bewegen? Bisher gelten diese Technologien im großen Stil als noch nicht einsatzreif.

Gebranntes Gestein ist in der Lage, spontan CO₂ aufzunehmen und zu binden

Kanan und sein Mitarbeiter Yuxuan Chen haben nach eigenen Angaben ein Verfahren entwickelt und demonstriert, mit dem sich langsam verwitternde Silikate in wesentlich reaktivere Mineralien umwandeln lassen. Die beiden hätten eine „neue Chemie“ entwickelt, um die trägen Silikatminerale durch eine einfache Ionenaustauschreaktion zu aktivieren, so Chen. Kanan ordnet die Ergebnisse gegenüber bereits breiter praktizierten CCS-Techniken ein: „Unser Verfahren würde weniger als die Hälfte der Energie benötigen, die von führenden Technologien zur direkten Luftabscheidung verbraucht wird, und wir glauben, dass wir aus Kostensicht sehr wettbewerbsfähig sein können.“

Dazu haben sich Chen und Kana inspirieren lassen von der Zementherstellung, bei der erst durch 1400 °C heißen Brand Kalk in Kalziumoxid gewandelt und dann mit Sand gemischt wird. Im Kanan Lab haben sie Kalziumoxid mit einem anderen Mineral, das Magnesium- und Silikationen enthält, gemischt. Der Brand führt dazu, dass die beiden Mineralien Ionen austauschen und sich in Magnesiumoxid und Kalziumsilikat wandeln. Diese zwei Mineralien sind alkalisch und reagieren mit dem sauren CO₂ in der Luft sehr schnell.

Neues CCS-Verfahren bewährt sich im Labor und im Freilufttest

Für einen Schnelltest im Labor setzten Kanan und Chen Kalziumsilikat und Magnesiumoxid Wasser und reinem CO₂ aus. Binnen zwei Stunden waren beide Materialien in neue Karbonatminerale gewandelt, die den Kohlenstoff aus dem CO₂ aufgenommen hatten. Wie aber würden die Mineralien mit normalem, atmosphärischem CO₂ reagieren? In diesem Experiment dauerte der Karbonisierungsprozess Wochen bis Monate, was immer noch Tausende Male schneller sei als die natürliche Verwitterung. Den Forschern zufolge könne dieser Ansatz daher zur CO₂-Abscheidung im industriellen Maßstab verwendet werden.

Neues CCS-Verfahren könnte gleichzeitig der Landwirtschaft helfen

Kanan regt an, Magnesiumoxid und Kalziumsilikat über große Landflächen zu verteilen, um CO₂ aus der Umgebungsluft zu entfernen, und das über die Landwirtschaft zu machen: „Bei der Verwitterung wandeln sich die Mineralien in Bikarbonate um, die durch den Boden wandern und schließlich dauerhaft im Meer gespeichert werden können.“ Dieser Ansatz könne auch Vorteile für Landwirte haben, die dem Boden normalerweise Kalziumkarbonat zusetzen, um den pH-Wert anzuheben, wenn er zu niedrig ist – ein Prozess, der als Kalkung bezeichnet wird. Die bekäme ein Landwirt frei Haus.

„Darüber hinaus gibt Kalziumsilikat bei der Verwitterung Silizium in einer Form an den Boden ab, die von den Pflanzen aufgenommen werden kann, was die Ernteerträge und die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen verbessern kann“, so Kanan. Statt für Kalkung zu bezahlen, würden Landwirte in Zukunft für diese Mineralien bezahlen, steigern sie doch Produktivität und Gesundheit des Bodens – und als Bonus gäbe es noch den Kohlenstoffabbau.