Emission von Treibhausgasen
Die wesentlichen Quellen für Treibhausgase (ca. 65%) entstehen bei der menschlichen Nutzung der fossilen Energieträger, wie aus der Abbildung unten zu erkennen ist.


Flussdiagramm der globalen Treibhausgasemissionen im Jahre 2010 (aus dem online-Magazin ECOFYS). Die direkten Emissionen (direct emissions mit 34.6%) haben ihren Quellen in der Agrarwirtschaft (Tierhaltung), Forstwirtschaft (Holzeinschlag) und der Abfallwirtschaft (Deponien).

Während direkten Auswirkungen in der Erdatmosphäre (z.B. die Verdrängung anderer Gase wie Sauerstoff) praktisch nicht zu bemerken sind, machen sich die indirekten Auswirkungen durchaus bemerkbar, und zwar durch Veränderungen, die mit dem Konzentrationsanstieg der Treibhausgase offensichtlich korreliert sind. Die wichtigste und gefährlichste dieser Veränderungen ist der Anstieg der Atmosphärentemperatur nahe der Erdoberfläche. Im Zeitraum von 1980 bis 2010 ist diese Temperatur stetig angestiegen, der Anstieg betrug im Mittel ca. 1 oC in 62.5 Jahren. Dieser Temperaturanstieg ist nicht gleichmäßig in allen Gebieten der Erde zu finden, er trifft ausgewählte Gebiete besonders stark und verursacht durch dieses Ungleichgewicht extreme Wetterveränderungen.  Vorrangig ist dafür das Kohlendioxid (CO2) verantwortlich, das sich nur äußerst schwer wieder aus der Atmosphäre entfernen lässt, wenn seine Konzentration  den für die Photosynthese maßgeblichen Grenzwert übersteigt.
Endlagerung von CO2
Im englischen Sprachraum wird dieses Verfahren mit der Abkürzung CCS (carbon capture and storage = Kohle-Abtrennung und -Lagerung) gekennzeichnet. Warum ist diese Technik mit Problemen behaftet?
In der Abbildung rechts ist das Phasendiagramm von CO2 gezeigt. Aus diesem Diagramm ist zu erkennen, in welchem Aggregatzustand sich das CO2 bei einer bestimmten Temperatur T und einem bestimmten Druck P befindet. Man beachte, dass Temperatur und Druck in den vorgeschriebenen SI-Einheiten (siehe Energie2) angegeben sind. Unter den Normalbedingungen (grüner Kreis) von T0 = 273 K und P0 = 1 bar befindet sich das CO2 daher in gasförmigem Zustand und es kann nur als Gas endgelagert werden. Bei den großen CO2-Mengen, die bei der Verbrennung der fossil biogenen Energieträger anfallen, kommen dafür nur große Hohlräume in der Erdkruste in Frage, wie sie z.B. bei der Erdöl- oder Erdgasförderung entstehen. Dies bedeutet natürlich, dass Anlagen mit dieser CCS Technik nicht zu weit von derartigen Hohlräumen entfernt sein dürfen, damit die Kosten der Endlagerung nicht vom CO2 Transport dominiert werden.


Das Phasendiagramm von CO2. Der grüne Kreis repräsentiert die Lage der Normalbedingungen, der blaue  Pfeil die Zustandsänderung bei konstantem Druck, der rote Pfeil die  bei konstanter Temperatur
An diesem Verfahren wird insbesondere in den USA geforscht, weil aufgelassene Erdölfelder mithilfe des CO2 reaktiviert werden können und damit die Kosten für die Endlagerung sinken. Zusammen mit  privaten Investoren hat die USamerikanische Regierung beschlossen, derartige Projekte mit fast 1 Mrd USD zu fördern. Die reine Endlagerung in nicht mehr aktiven Gas-/Ölfeldern wird seit 2019 von Norwegen vorangetrieben. Und anhand dieses Projekts wird vielleicht auch ein Problem offensichtlicher: Aus Erfahrung befürchtet man nämlich, dass das Gas nach einiger Zeit aus diesen Hohlräumen wieder in die Erdatmosphäre entweichen und eine große Gefahr sein kann. In Afrika sind auf diese Weise im Jahr 1986 etwa 1700 Menschen und 3500 Tiere umgekommen. Die Probleme der Endlagerung von CO2 sind also nicht unähnlich denen, die bei der Endlagerung nuklearer Abfälle auftreten.

Gibt es eine Möglichkeit, das CO2 in einer anderen Form nicht nur endzulagern, sondern sogar nutzbar zu machen (CCU  = carbon capture and utilization (Kohle-Abtrennung und -Nutzbarmachung))? Im Prinzip existieren mehrere Verfahren, ihre technische Realisierung aber hängt von der Art der Kohleverbrennung ab:
  • Verbrennung in reinem Sauerstoffgas. In diesem Fall besteht das Abgas fast vollständig aus CO2, der Abtrennungsprozess entfällt und CO2 kann direkt endgelagert werden.
  • Verbrennung in Luft. In diesem Fall muss das CO2 zunächst aus dem Abgas abgetrennt werden, bevor es endgelagert werden kann.
Abtrennung und Nutabarmachung basieren auf denselben physikalischen/chemischen/biologischen Mechanismen. Grob zusammengefasst sind dies:
  1. Phasenumwandlung durch Druckerhöhung bzw. Temperaturerniedrigung.
  2. Chemische Umwandlung in Karbonate.
  3. Chemische Lösung in Flüssigkeiten.
  4. Fotosynthese in geeigneten, auch genetisch veränderten Bakterien bzw. Pflanzen.
1. Das Phasendiagramm zeigt, dass bei Normaldruck P0 und bei Temperaturen unterhalb von -100 oC das CO2 in den festen Aggregatzustand übergeht (blauer Pfeil in der Abbildung oben). Allerdings ist es viel zu kostspielig und riskant, in einem Endlager für beliebig lange Zeiten eine derart tiefe Temperatur aufrecht zu erhalten.

Bei konstanter Temperatur T0 wird sich das CO2 bei Druckerhöhung schließlich in den flüssigen Aggregatzustand umwandeln (roter Pfeil in der Abbildung oben). Dies eröffnet immerhin theoretisch eine Möglichkeit der Endlagerung in tiefen Gesteinsformationen. Auch im Meer bei Tiefen unterhalb von 3000 m erreicht der hydrostatische Druck die erforderlichen Werte. Es haben zahlreiche Versuche stattgefunden, um diese Möglichkeit zu untersuchen. In fast allen Versuchen hat sich gezeigt, dass CO2 mit dem Wasser zunächst ein Hydrat bildet, das eine geringere Dichte als das Wasser besitzt, an die Wasseroberfläche aufsteigt und dort wieder in Wasser und gasförmiges CO2 zerfällt.
2. Als Alternative bietet sich auch die Umwandlung von CO2 in eine andere chemische Verbindung an, in welcher der Kohlenstoff gebunden ist und die endgelagert werden kann. Dies ist nicht einfach, denn:
  • Die erforderlichen Elemente müssen in ausreichender Menge in der Natur vorhanden sein.
Technisch verwirklicht ist die Umwandlung zu Na2CO3 (Soda) nach dem Solvay-Verfahren
2 (NaCl) + CaO + CO2 --> Na2CO3 + CaCl2
Um also die jährlichen CO2 Emissionen von etwa 3.5 · 1012 kg/a nach diesem Verfahren umzuwandeln, müssten jährlich ca. 9.3 · 1013 kg/a NaCl (Kochsalz) und 4.5 · 1013 kg/a CaO (Ätzkalk) bereit gestellt werden. Dies erscheint unmöglich: Die Jahresproduktion von Kochsalz auf der Erde beträgt z.B. nur ca. 2.5 · 1011 kg/a.
  • Das CO2 Molekül ist sehr stabil und kann nur mit viel Energie chemisch in ein anderes Molekül umgewandelt werden.
Die chemische Stabilität wird gemessen mithilfe der freien Bildungsenthalpie G, die für einige Kohlenstoffverbindungen in der Tabelle rechts angegeben ist: Von all diesen Verbindungen besitzt CO2 die kleinste  Bildungsenthalpie.

Um eine jährliche CO2 Menge von 3.5 · 1012 kg/a mittels des Solvay-Verfahrens zu binden, entsteht ein Energiebedarf von mehr als
2.8 · 1011 kWh/a.
Das sind fast 10% des deutschen Primärenergiebedarfs eines Jahrs. Der Energiebedarf würde steigen und nicht abnehmen, wie es die Energiewende vorsieht.
Verbindung
 Formel
 Wert.
 G
(kWh/kg)
Methan(g)
 CH4
 -4
 -0.882
Methanol(l)
 CH3OH
 -2
 -1.443
Kohlenstoff(f)
 C
 0
 0
Ameisensäure(g) HCOOH
 +2
 -2.085
Kohlenmonoxid(g)
 CO
 +2
 -1.362
Kohlendioxid(g)
 CO2
 +4
 -2.300
Freie Bildungsenthalpien von  Kohlenstoffverbindungen mit
 Wasserstoff und Sauerstoff

3. Kohlendioxid ist in einigen Flüssigkeiten bei Normaltemperatur lösbar, bei Temperaturerhöhung wird das Kohlendioxid wieder freigesetzt. Die bekannteste einer derartigen Flüssigkeit ist die wässrige Lösung von Ethanolamin (MEA = C2H7NO). Diese Substanz gefährdet die menschliche Gesundheit (und damit die Umwelt) und sollte wohl besser nicht zur CO2 Speicherung eingesetzt werden.
4. In vielen Aspekten am günstigen erscheint die biologische Umwandlung des CO2 aus Kraftwerken mithilfe der Fotosynthese. Auf diese Weise ergibt sich ein geschlossener Kreislauf mit einer ausgeglichenen CO2-Bilanz. Allerdings ist dieses Verfahren z.Z. noch viel zu teuer: Bei der Verwendung von Lipoid bildenden Algen z.B. betrüge der Preis für 1 Barrel Algen-Öl noch mehr als 800 US$ (siehe hierzu auch Kap. 3.2). Ob die Verwendung von genetisch veränderten Bakterien wesentlich preisgünstiger ist, wird die Zukunft zeigen: Auf diesem Gebiet hat die Forschung gerade erst begonnen. Denn ein anderer Nachteil dieser Verfahren ist, dass die Bindung von CO2 in lebenden Organismen ein sehr langsamer Prozess ist und es unmöglich erscheint, das Abgas eines Kraftwerks mit dieser Methode on-line zu reinigen.
Welche von diesen Möglichkeiten bei einem gegebenen Kraftwerk installiert wird, hängt von dem Kraftwerkstyp ab. Eins scheint jedoch klar zu sein, falls der Einbau einer CCS Technologie per Gesetz zur Vorschrift wird :
  • Der Energiebedarf des Kraftwerks wird steigen.
  • Die vom Energieabnehmer zu zahlenden Preise werden steigen.
Es wird geschätzt, dass die Energiekosten um 20% - 30% höher liegen und von den Kraftwerksbetreibern nur dadurch aufgefangen werden können, das die Preise für die CO2 Lizenzen um einen ähnlichen Prozentsatz ansteigen. Die in Deutschland gebauten Kraftwerke Schwarze Pumpe und Niederaußem werden daher auch nur als Pilotanlagen bezeichnet, wobei ersteres jetzt auch in einer Liste der weltweit größten CCS Projekte auftaucht, nicht aber das oben erwähnte norwegische Projekt.