Kann Gestein CO2 speichern?
Die natürliche Karbonatisierung, auch als „Silikatverwitterung“ bekannt, beschreibt einen Prozess bei dem atmosphärisches CO2 mit Alkali- und Erdalkalimetallen über geologische Zeiträume zu einem Karbonat reagiert. Da diese Variante aufgrund der langsamen Reaktionskinetik nicht für industrielle Prozesse geeignet ist, beschäftigen sich Forschung und Industrie mit einer beschleunigten Version. Unter anderem werden hierfür erhöhte Druck- und Temperaturbedingungen genutzt, um eine bessere CO2-Aufnahme des Materials und schnellere Reaktionskinetik zu ermöglichen.
Für die Karbonatisierung werden hauptsächlich Mineralien und Gesteine, aber auch Sekundärrohstoffe, die als Abfallprodukt anderer Prozesse anfallen eingesetzt. Eine der wichtigsten Anforderungen an die Einsatzstoffe ist ein hoher Anteil an Metalloxiden. Zu den verwendeten Einsatzstoffen zählen hauptsächlich magnesium- und calciumoxidhaltige Mineralien und Gesteine wie Serpentinit, Olivin und Wollastonit. Sowohl Magnesium als auch Calcium sind in großen Mengen auf unserem Planeten verfügbar und daher ideal für einen Karbonatisierungsprozess in großem Maßstab.
Grundsätzlich kann zwischen In- und Ex-Situ Karbonatisierungsverfahren unterschieden werden. In-Situ Verfahren beschreiben das Einspeisen von CO2 als Gas oder wässrige Lösung in silikatreiche geologische Gesteinsformationen. Ex-Situ beschreibt im Gegensatz dazu die überirdische Karbonatisierung mit vorbehandelten Einsatzstoffen in chemischen Reaktoren.
Eine weitere Unterteilung der Ex-situ Varianten folgt in direkt und indirekt Verfahren. Erste repräsentiert einen einstufigen Prozess, in dem Feststoff und Gas mit oder ohne Flüssigkeit zu einem Karbonat reagieren. Die indirekten Verfahren teilen die Extraktion der Metallionen und die anschließende Karbonatisierung in unterschiedliche Prozessschritte auf und bestehen somit aus mindestens zwei aufeinanderfolgenden Prozessen. Die direkten als auch die indirekten Verfahren können ohne (Gas-Feststoff) oder mit flüssiger Phase (wässrig) durchgeführt werden.
Schinnerls Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit der direkten Variante der Karbonatisierung. Der Vorteil dieser liegt verglichen mit indirekten Verfahren nicht nur im einfacheren Aufbau, sondern auch im energieärmeren Betrieb. Indirekte Verfahren sind häufig mit dem Einsatz von Säuren verbunden, die nach ihrem Gebrauch aufbereitet werden müssen.
„An sich soll die Karbonatisierung neben anderen Carbon Capture Utilization und Storage (CCUS) Verfahren eine mögliche Lösung für die hohe CO2-Konzentration in unserer Atmosphäre und den damit einhergehenden Klimawandel darstellen“, erläutert Schinnerl. Anstelle das CO2 in die Atmosphäre abzugeben kann man es stattdessen auch abtrennen, für die Karbonatisierung nutzen und das so entstandene Karbonat lagern. Magnesium und Calciumkarbonate sind thermodynamisch sehr stabil und zersetzen sich erst bei einigen 100 °C.
Es ist ebenfalls möglich das erhaltene Produkt als Wertstoff für die Weiterverarbeitung zu nutzen. Unter anderem kann das erhaltene Karbonat abhängig von der Produktqualität vielseitig in der Papier-, Zement- und Pharmaindustrie (z. B. als Füllstoff) eingesetzt werden.
Abschließend kann man sagen, dass die Karbonatisierung in Zukunft vermehrt eingesetzt werden wird, um das CO2 sicher zu speichern.