Underground CCS – the wrong path in climate policy?

Six years after I myself called for the usage of CCS (Carbon Capture and Storage), I have now come to the realization that this was a mistake. Why this change of heart?

Natural carbon sinks versus CCS

Natural CO2 sinks such as forests, soils, wetlands and even algae could absorb much more CO2 if they were promoted and protected accordingly. All organic materials, living organisms, plants and bacteria store carbon in their cells until they decompose into smaller carbon units. The smallest of these units are carbon dioxide or methane. In the case of trees, this decomposition can take several thousand years. In permafrost soils, the plant leftovers remain frozen  until they thaw and start emitting again. These processes can also occur in wetlands if they are reused as farmland. Simple rewetting would almost completely halt the degradation processes here. These natural “technologies” deserve more attention.

Unfortunately, this is not happening. The German government just suggested a law allowing underground storage due to their struggle with hard-to-abate emissions. At the same time, the IPCC necessarily expects natural sinks to at least triple their CO2 uptake in the coming decades.  Hardly anyone is talking about this. No one starts planting trees – not even in their own gardens. This is not part of European carbon emissions trading, and farmers cannot benefit financially from near-natural reforestation or leaving land to nature.

One hectare of forest for example could absorb around 10-25 tons of CO2 per year. Germany is 30% forested, which corresponds to around 11 million hectares. However, deforestation, forest dieback and wildfires cause that this potential won’t be reached even closely. In the case of wetlands, on the other hand, agricultural conversion – i.e. draining – causes up to 40 tons of CO2 emissions per hectare. This is happening due to the decay processes mentioned above. Natural peatlands often emit little methane and bind some CO2.

Forests and peatlands are being deliberately destroyed globally to use the areas for agriculture (often related to meat or soy production). This destruction contributes massively to CO2 emissions. Healthy forests could store hundreds of gigatons globally, if we would let them.

At the same time, we should not forget that 99.9% of the Earth’s carbon – several hundred million gigatons in total – is also bound in the lithosphere as sedimentary rocks. Limestone, dolomite and other rocks consist of carbonates with a high content of calcium and/or magnesium. Over millions of years, these carbonates have formed from marine organisms and through natural chemical precipitation. This precipitation can be caused by changes in salinity, pH or temperature as CO2 is highly water soluble (with reduced solubility with increasing temperature). This can also easily be done in any laboratory.

Technical solutions and their problems

Unfortunately, underground storage solutions such as CCS are being promoted instead. They are seen as the next big business opportunity. CO2 is being captured, purified and, if necessary, transported very far to the seashore in a yet-to-be-created transportation system and injected into geological structures with new deep bore holes. However, this involves numerous risks and is extremely costly.

The idea behind CCS is: CO2 is „stored“ savely in underground geological formations. While at some locations supercritical CO2 was mainly being suggested for enhanced oil recovery, because CO2 is a good solvent for organic compounds, usually the CO2 dissolves in any water present and forms carbonates if the circumstances are right.

However, these phase transitions will cause micro earthquakes and leakages to some degree. Underground geological layers often don’t have clear boundaries, which means that the CO2 can diffuse uncontrollably in different directions. This could even penetrate into groundwater layers and cause serious environmental problems.

An example from Germany is the pilot plant in Ketzin, where CO2 storage was operated and tested from April 2004 to December 2017. It shows that the underground distribution of CO2 is not exactly as predicted. From an injection site hundreds of meters deep, the CO2 is being distributed in a point-like manner in rock layers. In reality, it is distributed in various directions, which can lead to clumping on the one hand and wide distribution and unwanted leaks on the other.

In Australia, the Glencore Carbon Transport and Storage Corporation’s Surat Basin Carbon Capture and Storage (CCS) project was also recently halted by the authorities due to its potential impact on groundwater resources.

In Canada, Capital Power Generation canceled a $2.4 billion CCS project in early May. They stated that although the project was technically feasible, it was not economically viable.

Climeworks: a ray of hope?

One company in the field of technical CO2 sinks that should be highlighted is the Swiss company Climeworks. Their technology captures CO2 directly from the air using adsorption-desorption technology and pumps it, dissolved in water, into deep boreholes on site. This has the advantage that CO2 does not have to be transported over long distances and there are no intermediate steps in CO2 processing.

However, in addition to the geological risks of underground storage, which may also require constant re-drilling to depths of up to 1 km, this process is currently also very expensive: CCS at Climeworks costs around 1,300 $ per tonne of CO2. Despite the increase in efficiency, the fundamental question remains as to whether the large-scale technical storage of CO2 underground is the right approach.

Economic considerations

Instead of storing CO2 in the underground, it could be used above ground and reused in various industries. Magnesium carbonate costs around 50 euros per kilogram, calcium carbonate around 20 euros, and even 500 grams of CO2 cost around 10 euros in a household soda cartridge. These materials could also be used in cement production or for other industrial purposes instead of being considered „waste“ as promoted by CCS interest groups.

Circular economy instead of underground storage

In my opinion, we should strive for a circular economy in which materials are reused instead of “stored” underground in a risky and irretrievable way. The concept of the circular economy aims to use resources efficiently and minimize waste. CO2 could be dissolved in water, precipitated using brine, for example, and deposited in above-ground storage facilities. This would not only conserve resources, but also minimize the environmental impact. At the same time, it would reduce global dependencies, as a large proportion of carbonates first have to be extracted in mines, processed and imported into the EU and the US.

Conclusion

Technical CO2 sinks are to be scaled up to huge quantities over the next few decades in order to reduce global CO2 emissions.  But instead of relying on unsafe and expensive solutions, we should promote and protect natural CO2 sinks. The answer lies in a sustainable and well thought-out circular economy that conserves natural resources and protects the environment at the same time.

CCS may be a tempting solution on paper – as it was for me, but the reality is that it is neither profitable nor reliable. Nature already provides us with the tools to capture CO2 effectively – we just need to use and promote them properly. Despite some positive aspects of technologies like from Climeworks, we should focus on natural solutions and a circular economy approach to be successful in the long term and reach the climate targets.

The German Bundestag will soon have to decide how Germany positions itself on this topic.

CCS: Ein Irrweg in der Klimapolitik?

Sechs Jahre nachdem ich selbst die Einführung von CCS (Carbon Capture and Storage) gefordert hatte, bin ich mittlerweile zu der Erkenntnis gelangt, dass dies ein Fehler war. Warum dieser Sinneswandel?

Natürliche Senken versus CCS

Natürliche CO2-Senken wie Wälder, Böden, Moore, aber auch Algen könnten wesentlich mehr CO2 aufnehmen, wenn sie entsprechend gefördert und geschützt würden. Sämtliche organischen Materialien, Lebewesen, Pflanzen und Bakterien speichern den Kohlenstoff in ihren Zellen bis zu ihrem Zerfall in kleinere Kohlenstoffeinheiten. Die kleinsten sind dann Kohlendioxid oder Methan. Das kann bei Bäumen schon mal mehrere tausend Jahre sein. In Permafrostböden sind die Pflanzenreste bis zum ihrem Auftauen eingefroren. Auch in Mooren können diese Prozesse einsetzen, wenn man sie austrocknen lässt oder als Ackerfläche benutzt. Einfache Wiedervernässung würde hier die Abbauprozesse fast komplett stoppen. Diese natürlichen „Technologien“ verdienen mehr Aufmerksamkeit.

Leider passiert das nicht. Gleichzeitig rechnet aber auch der IPCC notwendigerweise damit, dass diese natürlichen Senken ihre CO2-Aufnahme mindestens verdreifachen in den nächsten Jahrzehnten, doch darüber spricht kaum jemand. Sie sind nicht Teil des Emissionshandels, und Bauern können durch naturnahe Aufforstung oder die Freigabe von Flächen keinen finanziellen Nutzen ziehen.

Beispielsweise könnte ein Hektar Wald jährlich etwa 10-25 Tonnen CO2 aufnehmen [3]. Deutschland ist zu 30% bewaldet, was etwa 11 Millionen Hektar entspricht [4]. Doch durch Abholzung, Waldsterben und Brände wird dieses Potenzial nicht annähernd ausgeschöpft. Bei Mooren verursacht landwirtschaftliche Umnutzung – also Trockenlegung – hingegen bis zu 40 Tonnen CO2 pro Hektar an Emissionen aufgrund der oben genannten Zerfallprozesse [5]. Natürliche Moore geben oft nur wenig Methan ab und binden CO2.

Weltweit werden absichtlich Wälder und Moore vernichtet, um Platz für Landwirtschaft zu schaffen[8]. Diese Zerstörung trägt massiv zum CO2-Ausstoß bei, während gesunde Wälder global hunderte Gigatonnen speichern könnten [6].

Gleichzeitig sollte man nicht vergessen, dass 99,9% des Kohlenstoffs der Erde – insgesamt mehrere hundert Millionen Gigatonnen – auch in der Lithosphäre als Sedimentgestein wie Kalk oder Dolomit gebunden ist – das sind Karbonate mit hohem Kalzium- und/oder Magnesium-Anteil. Über Jahrmillionen haben sich diese Karbonate aus marinen Organismen sowie durch natürliche chemische Ausfällung bei Verdunstung durch Änderung des Salzgehaltes, pH oder Temperaturänderungen gebildet. Das geht auch ganz einfach im Labor [1].

Technische Lösungen und ihre Probleme

Stattdessen setzt man auf unterirdische Speicherlösungen wie CCS, weil sie als großes Geschäft für eine neue Industrie gelten. CO2 wird aufgefangen, gereinigt, ggf. sehr weit in einem noch zu schaffenden Transportsystem an die Meeresküsten transportiert und in geologische Strukturen injiziert. Diese Methode birgt jedoch zahlreiche Risiken und ist äußerst kostspielig.
Die Idee hinter CCS ist, dass das CO2 in tiefe geologische Formationen injiziert wird, wo es sich im besten Fall in Wasser löst und gleich Karbonate bildet. Allerdings kann dies zu Mikroerdbeben führen [14], und Leckagen sind nicht auszuschließen. Unterirdische Schichten haben oft keine klaren Ränder, was bedeutet, dass das CO2 unkontrolliert in verschiedene Richtungen diffundieren kann. Dies könnte sogar in Grundwasserschichten eindringen und schwerwiegende Umweltprobleme verursachen.

Ein Beispiel aus der deutschen Pilotanlage in Ketzin, wo von April 2004 bis Dezember 2017 CO2-Speicherung betrieben und getestet wurde, zeigt, dass die unterirdische Verteilung des CO2 nicht genau vorhersehbar ist. Von einem hunderte Meter tiefen Injektionsort verteilt sich das CO2 idealerweise punktförmig in der gewünschten Gesteinsschicht. In Realität verteilt es sich in diverse Richtungen, was einerseits zu Verklumpungen sowie andererseits zu weiten Verteilung und ungewollten Austritten führen kann [7] .

Auch in Australien wurde erst kürzlich das „Glencore Carbon Transport and Storage Corporation’s Surat Basin Carbon Capture and Storage (CCS)“ Projekt von den Behörden gestoppt, da es potenzielle Auswirkungen auf die Grundwasserressourcen haben könnte.[9]

In Kanada hat die Firma Capital Power Generation Anfang Mai ein 2,4 Milliarden Dollar teures CCS-Projekt abgesagt. Sie erklärten, dass das Projekt zwar technisch machbar, aber wirtschaftlich nicht tragbar sei.[10]

Climeworks: Ein Lichtblick?

Ein Unternehmen im Bereich der technischen CO2-Senken, das zumindest zum Großteil positiv hervorzuheben ist, ist die Schweizer Firma Climeworks. Deren Technologie fängt CO2 direkt aus der Luft mittels Adsorptions-Desorptionstechnologie ein und es vor Ort gelöst in Wasser in tiefe Bohrlöcher pumpt. Dies hat den Vorteil, dass kein CO2 über weite Strecken transportiert werden muss und Zwischenschritte bei der CO2-Verarbeitung entfallen.

Allerdings ist auch dieser Prozess neben den geologischen Risiken der Untergrundspeicherung, die ggf. auch ständiges Nachbohren in bis zu 1km Tiefe erfordern, derzeit sehr teuer: CCS bei Climeworks kostet etwa 1.200 Euro pro Tonne CO2 [2]. Trotz dieser Effizienzsteigerung bleibt die grundsätzliche Frage bestehen, ob die großflächige technische Speicherung von CO2 im Untergrund der richtige Weg ist.

Wirtschaftliche Überlegungen

Anstatt CO2 unterirdisch zu lagern, könnte es überirdisch genutzt und in verschiedenen Industrien wiederverwendet werden. Magnesiumkarbonat kostet etwa 50 Euro pro Kilogramm, Kalziumkarbonat etwa 20 Euro, und selbst 500 Gramm CO2 kosten in der Soda-Kartusche etwa 10 Euro. Diese Materialien könnten in der Zementproduktion [12] oder für andere industrielle Zwecke eingesetzt werden [13], anstatt sie als Abfall zu betrachten.

Kreislaufwirtschaft statt unterirdischer Lagerung

Wir sollten eine Kreislaufwirtschaft anstreben, in der Materialien wiederverwendet werden, anstatt CO2 unterirdisch, risikoreich und unwiderbringlich zu „lagern“. Das Konzept der „Circular Economy“ zielt darauf ab, Ressourcen effizient zu nutzen und Abfall zu minimieren. CO2 könnte in Wasser aufgelöst, beispielsweise mittels Sole ausgefällt [1] und in überirdischen Lagern deponiert und bei Bedarf wiederverwendet werden. Dies würde nicht nur Ressourcen schonen, sondern auch die Umweltauswirkungen minimieren. Gleichzeitig würde es die globalen Abhängigkeiten reduzieren, da ein Großteil der Karbonate erst in Minen gewonnen, aufbereitet und in die EU importiert werden müssen [11].

Fazit

Technische CO2-Senken sollen in den nächsten Jahrzehnten auf riesige Mengen hochskaliert werden, um den globalen CO2-Ausstoß zu reduzieren. Doch anstatt auf unsichere und teure Lösungen zu setzen, sollten wir die natürlichen CO2-Senken fördern und schützen. Die Antwort liegt in einer nachhaltigen und durchdachten Kreislaufwirtschaft, die natürliche Ressourcen schont und gleichzeitig die Umwelt schützt.

CCS mag auf dem Papier eine verlockende Lösung sein, doch die Realität zeigt, dass es weder rentabel noch zuverlässig ist. Die Natur bietet uns bereits die Werkzeuge, um CO2 effektiv zu binden – wir müssen sie nur richtig nutzen und fördern. Trotz der positiven Aspekte von Technologien wie Climeworks sollten wir unseren Fokus auf natürliche Lösungen und eine Kreislaufwirtschaft legen, um langfristig erfolgreich zu sein.

Der deutsche Bundestag wird zeitnah entscheiden müssen, wie Deutschland sich dazu positioniert.

[1] Bang, J.-H.; Yoo, Y.; Lee, S.-W.; Song, K.; Chae, S. CO2 Mineralization Using Brine Discharged from a Seawater Desalination Plant. Minerals 2017, 7, 207. https://doi.org/10.3390/min7110207

[2] Eigene Umrechnung: 1300 US$ sind ca. 1200 EUR. Wert aus: „CO2 aus der Luft zu saugen bleibt teurer als erhofft“, Tagblatt v. 04.03.2024 https://www.tagblatt.ch/leben/co2-filtertechnik-bleibt-teuer-ld.2588960

[3] Abschätzung – aus Fig.2 in Bernal, B., Murray, L.T. & Pearson, T.R.H. Global carbon dioxide removal rates from forest landscape restoration activities. Carbon Balance Manage 13, 22 (2018). https://doi.org/10.1186/s13021-018-0110-8

[4] Daten aus 3. Bundeswaldinventur 2021 https://www.bundeswaldinventur.de/dritte-bundeswaldinventur-2012/waldland-deutschland-waldflaeche-konstant

[5] Daten aus Table 5 in B. Tiemeyer et al., A new methodology for organic soils in national greenhouse gas inventories: Data synthesis, derivation and application,Ecological Indicators, Volume 109, 2020, 105838, ISSN 1470-160X, https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2019.105838

[6] Abschätzung – Defizit unter Gesamtpotential von 226 Gt C (entspricht 829 Gt CO2) aus Mo, L., Zohner, C.M., Reich, P.B. et al. Integrated global assessment of the natural forest carbon potential. Nature 624, 92–101 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06723-z

[7] Paper und Ergebnisse www.co2ketzin.de/; Berichterstattung 2023 „Selbst für Geowissenschaftler Kühn [Prof. Michael Kühn, GFZ] ist CCS allenfalls eine Übergangstechnologie“ https://www.rbb24.de/politik/beitrag/2023/03/ccs-technologie-brandenburg-co2-unterirdische-speicherung.html

[8]„Beef, soy, and palm oil are responsible for 60% of tropical deforestation“ aus https://ourworldindata.org/drivers-of-deforestation

[9] „Queensland government rejects Great Artesian Basin carbon capture and storage project“, ABC Queensland News,24 May 2024 https://www.abc.net.au/news/2024-05-24/great-artesian-basin-carbon-storage-plan-rejected/103889302

[10]„Capital Power pulls plug on proposed $2.4B Genesee carbon capture and storage project“, Global News, The Canadian Press, May 1, 2024
https://globalnews.ca/news/10463652/capital-power-genesee-carbon-capture/

[11] in 2022 war Deutschland z.B. weltweit zweitgrößter Importeur von Kalziumkarbonat, USA war 4., zweitgrößter Importeur von Magnesiumkarbonat nach USA und größter Importeur von CO2 (siehe https://oec.world/en/profile/hs/calcium-carbonate, https://oec.world/en/profile/hs/magnesium-carbonate, https://oec.world/en/profile/hs/carbon-dioxide)

[12]„CO₂ als Rohstoff: Heidelberg Materials und Linde bauen weltweit erste CCU-Großanlage in einem Zementwerk“,Chemie.de, 13.04.2023 https://www.chemie.de/news/1180142/co-als-rohstoff-heidelberg-materials-und-linde-bauen-weltweit-erste-ccu-grossanlage-in-einem-zementwerk.html

[13]„CO2-Flasche für klimapositives Sprudelwasser – Aligal airmade CO2-Flasche entfernt mehr CO2 aus der Atmosphäre, als das Sprudelwasser erzeugt“, LVT Lebensmittel, 27.04.2020 https://www.lvt-web.de/news/co2-flasche-fuer-klimapositives-sprudelwasser

[14] McNamara, D.D. 2016 Methods and techniques employed to monitor induced seismicity from carbon capture and storage. Lower Hutt, N.Z.: GNS Science. GNS Science report 2015/18. ii, 19 p.; doi: 10.21420/G2X59M