Messtechnik in CCUS-Anwendungen

Für eine klimaneutrale Zukunft setzt Deutschland auf drei zentrale Strategien: neben der Emissionsvermeidung und dem Umstieg auf erneuerbare Energien auch auf die Abscheidung, Nutzung und Speicherung von CO₂ (Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS). Diese Maßnahmen sind entscheidend, um das Ziel der Netto-Treibhausgasneutralität bis 2045 zu erreichen und bis 2050 sogar negative Emissionen zu erzielen, also mehr CO₂ zu entfernen als zu emittieren.

CO₂-Aufbereitung und -Transport im Griff behalten.

Um die Menge an CO₂ in der Atmosphäre zu reduzieren, bedarf es der Abscheidung von CO₂ direkt aus industriellen Quellen wie Chemieanlagen, Kraftwerken, Zementfabriken oder Bioenergieanlagen. Dafür bieten sich zwei aktiv abscheidende Emissionstechnologien an: Carbon Capture (CC) fängt CO₂ ein, bevor es in die Luft abgegeben wird und dort einen schädlichen Einfluss auf das Klima nimmt. Besonders hier unterscheidet man zwischen biogenem CO₂, welches aus nachwachsendem Pflanzenmaterial stammt, und dem CO₂ aus fossilen Quellen.

Direct Air Capture (DAC) hingegen fängt bereits in die Atmosphäre abgegebenes CO₂ direkt aus der Umgebungsluft ein. Ist das CO₂ abgeschieden, muss es je nach Quelle entsprechend aufbereitet werden. Bei der Gasaufbereitung wird das abgeschiedene CO₂-Gas behandelt, um Verunreinigungen und nicht kondensierbare Gase zu entfernen. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da diese Verunreinigungen, wenn sie nicht entfernt werden, den Kompressions-, Transport- und Speicherprozess stören könnten. Besonders wichtig ist es, Korrosion in den CO₂-Pipelines zu verhindern, die durch das Vorhandensein von Wasser, Schwefelwasserstoff (H₂S) und Sauerstoff (O₂) begünstigt wird. Daher sind regelmäßige Analysen erforderlich, um die Reinheit des CO₂ sicherzustellen. So können beispielsweise Korrosion und Eisbildung in den Pipelines oder auch Kondensation und Korrosion in Kompressorstationen verhindert werden.

Um diesen komplexen Anforderungen gerecht zu werden, bieten TDLAS- und QF-Analysatoren von Endress+Hauser eine zuverlässige Lösung für die Messung und Überwachung im Rahmen von CCUS-Anwendungen. Diese hochmodernen Geräte ermöglichen Inline-Echtzeitmessungen, die besonders präzise sind. Beim CO₂-Transport über Pipelines liefern TDLAS-Analysatoren Echtzeitanalysen, während QF-Analysatoren O₂-Rückstände aufspüren, um Korrosion zu verhindern. Dank ihrer hohen Geschwindigkeit, Genauigkeit, Stabilität und ihres geringen Wartungsaufwands sind diese Technologien den alternativen Methoden überlegen und tragen maßgeblich zur Sicherheit und Effizienz des gesamten Prozesses bei.

Zwischen Gas und Flüssigkeit: Präzision bei der CO₂-Durchflussmessung

Industrien können das abgeschiedene CO₂ vielfältig weiterverwenden, etwa zur Herstellung von Kraftstoffen, Chemikalien und Baumaterialien. So dient es beispielsweise als Ausgangsstoff für synthetische Kraftstoffe, Polymere, Düngemittel und Karbonate im Bauwesen. Besonders in der chemischen Industrie spielt CO₂ eine wichtige Rolle bei der Produktion von Methanol, einem Grundstoff für zahlreiche alltägliche Produkte, von Kunststoffen und Kleidung bis hin zu Kraftstoffen und Medikamenten. Traditionell wird Methanol durch eine Reaktion von Kohlenmonoxid (CO) mit Wasserstoff (H₂) unter hohem Druck und hoher Temperatur hergestellt. Doch in den vergangenen Jahren hat sich CO₂ als alternativer Rohstoff für die Methanolsynthese etabliert.

Wird das nicht genutzte CO₂ gespeichert, muss es für den Transport durch die Pipelines exakt erfasst werden: Denn in dieser Phase weist CO₂ eine Viskosität auf, die der eines Gases ähnelt, aber gleichzeitig eine Dichte besitzt, die eher der einer Flüssigkeit entspricht. Das stellt eine Herausforderung für die Durchflussmessung dar. Aufgrund der ungewöhnlichen Unterschiede in den thermophysikalischen Eigenschaften von CO₂ ist es besonders wichtig, dass man Temperatur und Druck in der Pipeline sorgfältig kontrolliert. Auf diesem Gebiet verfügt Endress+Hauser über das Fachwissen und die Erfahrung, um komplexe CO₂-Durchflussmessungen unter Einhaltung der vorgeschriebenen Quantitäts- und Qualitätsparameter durchzuführen. Die Coriolis-Massedurchflussmessgeräte bieten zuverlässige und bewährte Technologien für Messungen in der dichten CO₂-Phase, die höchste Genauigkeit und Reliabilität gewährleisten. Außerdem bieten die Messtechnik-Experten komplette Metering-Skids für die genaue Messung am Übergabepunkt.

CO₂-Transportinfrastruktur: Sicherer Weg zur Speicherung

Wohin das CO₂ geliefert wird, hängt in der Regel davon ab, ob eine Pipeline, ein Lkw, die Bahn oder ein Schiff zur Verfügung steht. Der Eisenbahntransport ist in Bezug auf die Kosten pro Kilometer die zweitbeste Option für das Inland. Der Transport per Schiff kommt vor allem dann in Frage, wenn das CO₂ zur dauerhaften Sequestrierung vor der Küste deponiert oder als Rohstoff in eine Region verkauft werden soll, in der ein Transport im Inland nicht möglich ist. Besonders für große Industriecluster oder Industrieanlagen, die große Mengen Kohlenstoffdioxid abscheiden und abtransportieren müssen, braucht es ein flächendeckendes Netz für Pipelines, welches die kosten- und mengenbasierte beste Lösung des Transports darstellt. Genauso wie das dichte Netz von Ladestationen über den Erfolg und die Verbreitung von Elektrofahrzeugen entscheidet, wird auch ein gut ausgebautes Pipeline-Netzwerk notwendig sein, um den effizienten Transport und die sichere Speicherung von CO₂ sicherzustellen.

CO₂-Speicherung im Meer oder in der Erde

Die Speicherung von Kohlendioxid kann sowohl unter der Erde als auch unter dem Meer erfolgen, wobei das CO₂ für künftige Nutzung oder dauerhafte Isolation aufbewahrt wird. Die Nordsee wurde als potenzieller Standort für die Speicherung unter dem Meer identifiziert, da ihre Sandsteinschichten eine Kapazität von etwa 100 Mrd. t CO₂ bieten. Nach der Abscheidung wird das CO₂ in etwa 2 km Tiefe in den Ozean injiziert, wo es von der Atmosphäre isoliert bleibt. Um sicherzustellen, dass das CO₂ nicht wieder entweicht, sind kontinuierliche Überwachungen unerlässlich. Daher sind umfassende Untersuchungen der Umweltrisiken bei der unterseeischen CO₂-Speicherung notwendig.

CO₂ kann auch sicher und langfristig in tiefen, porösen Gesteinsformationen gespeichert werden, oft über Tausende von Jahren. Laut dem US National Energy Technology Laboratory (NETL) verfügt Nordamerika bei den aktuellen Produktionsraten über eine CO₂-Speicherkapazität für mehr als 900 Jahre. Um geeignete Lagerstätten zu identifizieren, werden detaillierte geologische Untersuchungen durchgeführt. Geeignete Standorte sind häufig salzhaltige Aquifere oder erschöpfte Öl- und Gasfelder. Das CO₂ wird in etwa 900 m Tiefe in poröses Gestein wie Sand- oder Kalkstein injiziert, wo es in den Porenräumen eingeschlossen wird. Dieses CO₂ wird in einem „überkritischen“ flüssigen Zustand gespeichert, ähnlich den Bedingungen, unter denen Flüssigkeiten stabil im Untergrund eingeschlossen bleiben. Eine dichte Deckschicht aus nicht porösem Gestein über der Lagerstätte verhindert ein Entweichen des CO₂. Nach der Speicherung ist eine kontinuierliche Überwachung entscheidend, um sicherzustellen, dass das CO₂ dauerhaft isoliert bleibt. Die sorgfältige Standortwahl und Überwachung minimieren das Risiko eines Austretens und garantieren die Sicherheit der unterirdischen Speicherung.

CCUS als Wegbereiter

Damit CCUS erfolgreich umgesetzt werden kann, bedarf es einer intensiven Zusammenarbeit zwischen Industrie, Forschung und Politik. Es müssen klare regulatorische Rahmenbedingungen geschaffen werden, die den Einsatz dieser Technologien fördern und gleichzeitig die Sicherheit und Umweltverträglichkeit gewährleisten. Zudem sind Investitionen in Infrastruktur, wie etwa ein flächendeckendes Netz für CO₂-Transport und -Speicherung und der Nutzung, unerlässlich. Investitionen in Forschung und Entwicklung sind weiterhin angezeigt, um die Effizienz und Wirtschaftlichkeit von CCUS-Technologien zu steigern und ihre Anwendung auf breiter Basis zu ermöglichen. Nur durch ein koordiniertes Vorgehen können die Potenziale von CCUS voll ausgeschöpft und ein wesentlicher Beitrag zur Erreichung der Klimaziele geleistet werden.