Innovationsprojekt Ostrea | Dauerhafte CO₂-Speicherung aus dem Klärwerk Bülk

Das Hamburger Start-up Planeteers GmbH entwickelt ein technisches Verfahren, das den natürlichen Prozess der Kalksteinverwitterung nachbildet. In dem natürlichen Prozess reagiert atmosphärisches CO₂ mit Regenwasser zu Kohlensäure (H₂CO₃), die dann Kalkstein (Calciumcarbonat – CaCO₃) im Boden löst. Dabei wird dann CO₂ in eine gelöste Kohlenstoffform (Hydrogencarbonat – HCO₃-) überführt. Dieses chemisch stabile HCO₃- wird schließlich ins Meer transportiert, wo es über Zeiträume von mehr als 1.000 Jahren gespeichert wird.

Im Unterschied zur natürlichen Verwitterung, die sich über geologische Zeiträume von mehreren tausend Jahren erstreckt – wird dieser Prozess in der Planeteers-Anlage technisch kontrolliert auf wenige Minuten beschleunigt. Die extrahierte CO₂-Menge wird dabei präzise bilanziert und auch der anschließende Speicherprozess kann qualitativ und quantitativ überprüft werden.

Schon heute ist der Auslauf des Klärwerks Bülk aufgrund des „harten Trinkwassers“ alkalisch. Am bestehenden Einleitpunkt in die Ostsee ist eine mehr als zweifach erhöhte Alkalinität gegenüber dem natürlichen Ostseehintergrund messbar. Durch den Prozess von Planteers wird dieser Wert leicht um maximal 9 Prozent erhöht. Darüber hinaus werden potenzielle Auswirkungen vom Kieler GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung untersucht, um auf Basis begleitender wissenschaftlicher Untersuchungen negative ökologische Auswirkungen auf das maritime Ökosystem zu dokumentieren und darüber zeitnah zu informieren, damit Gegenmaßnahmen getroffen werden können.

Gefördert werden diese Untersuchungen durch das Ministerium für Energiewende, Klimaschutz, Umwelt und Natur des Landes Schleswig-Holstein (MEKUN) und die Wirtschaftsförderung und Technologietransfer Schleswig-Holstein GmbH (WTSH).

Der Standort auf dem Klärwerk Bülk wurde gewählt, da hier die erforderlichen Ressourcen für den Versuchsbetrieb lokal konzentriert vorhanden sind: Neben dem CO₂ aus dem BHKW sowie einer freien Fläche möglichst dicht neben den Abgasanlagen, benötigt die Anlage vor allem viel Wasser. Für den Betrieb wird zuerst gereinigtes Abwasser aus dem Kläranlagenablauf verwendet. Eine spätere Erpobungsphase soll mit Ostseewasser durchgeführt werden. Das benötigte Kalkgestein (Calciumcarbonat – CaCO₃) wird per LKW aus möglichst nahe gelegenen Abbaustätten angeliefert. Weiterhin wird (Öko-)Strom benötigt, welchen die Planeteers GmbH über einen eigenen Stromanschluss bezieht.

Die geplante Pilotanlage weist eine nominale Abscheide- und Speicherkapazität von bis zu 625 Tonnen CO₂ pro Jahr auf. Es ist die hochskalierte Anlage der ersten Testanlage mit einer hochgerechneten Jahreskapazität von 60 Tonnen pro Jahr, die Anfang 2025 auf dem Klärwerk Bülk mit ersten positiven Erfolgen erprobt wurde. Aus diesen Erfahrungen ist die Planeteers GmbH als verlässlicher Partner bekannt. Die Testanlage wird nunmehr seit Ende 2025 im Klärwerk Hetlingen (SH) als erste validierte Produktionsanlage verwendet.

Für den aktuell geplanten Betriebszeitraum über mehrere Monate ist von der Planeteers GmbH eine Erlaubnis bei den zuständigen Behörden eingeholt worden. Die Gemeinde Strande, auf deren Gemeindegebiet das Klärwerk liegt, wurde über den Pilotbetrieb, sowie die jetzt geplante Pilotanlage informiert.

Für die Stadt geht es vor allem um die Bereitstellung der Örtlichkeit und der vorhandenen Ressourcen (Fläche, CO₂ und (Ab-) Wasser). Alle weiteren Leistungen werden durch die Planeteers GmbH erbracht. Die LHK wird keine weiteren Lasten in Bezug auf diese Pilotanlage tragen.

Das Hamburger Start-up Planeteers GmbH hat ein technisches Verfahren entwickelt, das den natürlichen Prozess der Kalksteinverwitterung nachbildet, bei der CO₂ in Hydrogencarbonat überführt wird. Dabei reagiert atmosphärisches CO₂ mit Regenwasser zu Kohlensäure, welche Kalkstein (Calciumcarbonat) im Boden löst. CO₂ wird in eine chemisch stabile Form (Hydrogencarbonat) überführt. Dieses wird schließlich ins Meer transportiert, wo es über einen Zeitraum von mehr als 1.000 Jahre gespeichert wird. Im Gegensatz zur natürlichen Verwitterung, die über Jahrmillionen abläuft, wird der Prozess durch die von Planeteers entwickelte Technologie technisch kontrolliert und auf wenige Minuten beschleunigt. Dabei wird die abgeschiedene CO₂-Menge präzise erfasst und bilanziert. Auch die anschließende Speicherung kann qualitativ und quantitativ überprüft werden.

Das Projekt „Ostrea“ entfernt CO₂ aus einem Abgasstrom, indem es in einem technisch kontrollierten Prozess in Wasser gelöst wird. Dabei entsteht zunächst Kohlensäure (H₂CO₃). Anschließend reagiert diese mit alkalischen Mineralien, insbesondere Kalkstein (Calciumcarbonat, CaCO₃). Das CO₂ wird dadurch in gelöstes Hydrogencarbonat (HCO₃) umgewandelt, gemäß folgender Reaktionsgleichung:

CO₂ + H₂O + CaCO₃ -> Ca² + 2HCO₃

Das HCO₃ ist eine stabile Form des anorganischen Kohlenstoffs und bereits ein natürlicher Bestandteil aller natürlichen Gewässer – einschließlich der Ostsee. Durch die Einleitung des mineralisierten Wassers wird lediglich die Konzentration dieses Stoffes geringfügig erhöht. Das HCO₃ wird direkt an der Einleitstelle in der Ostsee stark verdünnt und mit der Strömung weitertransportiert. Unter diesen Bedingungen wird nach aktuellem wissenschaftlichem Kenntnisstand keine relevante Rückreaktion erwartet; das CO₂ gilt damit als über mehr als 1.000 Jahre gespeichert. Der Prozess findet in einem geschlossenen und überwachten System statt. Wichtige Parameter wie CO₂-Gehalt, pH-Wert, Alkalinität und elektrische Leitfähigkeit werden ein- und ausgangsseitig kontinuierlich gemessen. So können die abgeschiedene CO₂-Menge bilanziert und die Qualität des genutzten Wassers kontrolliert werden.

Carbon Capture & Storage CCS (deutsch: CO₂-Abscheidung und Speicherung) bezeichnet grundlegende Technologien, mit denen Kohlendioxid (CO₂) aus industriellen Abgasen oder direkt aus der Umgebungsluft entfernt und anschließend dauerhaft unterirdisch gespeichert wird. Beim Projekt „Ostrea“ geht es jedoch nicht um eine klassische Speicherung von flüssigem oder gasförmigem CO₂ in geologischen Hohlräumen wie zum Beispiel unter dem Meeresboden oder in nicht mehr genutzten Bohrlöchern. Vielmehr wird es in Wasser gelöst und mithilfe von Kalkstein in stabiles Hydrogencarbonat umgewandelt, welches die Alkalinität des Wassers erhöht, bevor es anschließend in den Wasserkreislauf eingeleitet wird. Die Speicherung erfolgt somit in gelöster Form im Wasser und nicht in einem unterirdischen Speicher. Das Meer selbst ist hier der Speicher – das größte zusammenhängende Kohlenstoffreservoir unseres Planeten.

Auf dem Weg zu einer nachhaltigen und zukunftsorientierten Emissionsreduzierung verfolgt das Klärwerk Bülk das Ziel der Klimaneutralität. Zahlreiche Maßnahmen sind bereits umgesetzt oder befinden sich in der Planung. Neben der Energieeinsparung bei den notwendigen Verfahrensschritten steht auch eine möglichst umweltverträgliche Energieerzeugung durch das klärwerkseigene Blockheizkraftwerk (BHKW) im Mittelpunkt. Bei der Verbrennung des selbst erzeugten Biogases – bestehend größtenteils aus CH4 und CO₂ – in den Gasmotoren entsteht jedoch unvermeidbar klimaschädliches CO₂. Die Abscheidung von CO₂ biogenen Ursprungs ermöglicht eine aktive CO₂ Entnahme aus der Atmosphäre und damit die Erzeugung negativer Emissionen, die die Gesamtbilanz entlasten.

Der Prozess verbraucht kein Wasser. Es kommt ausschließlich zu einer Mineralisierung des Wassers. Das mineralisierte Wasser wird über den bestehenden Auslass des Klärwerks Bülk in die Ostsee eingeleitet; es wird also die vorhandene Infrastruktur genutzt. Von dort aus verteilt sich das Wasser über Strömungen in den Meeren. Eine messbare Erhöhung der Alkalinität ist dabei nur am Einleitpunkt feststellbar. Der Wasserbedarf ist abhängig von der angestrebten CO₂-Speicherleistung, den genutzten Rohstoffen sowie der CO₂-Reinheit und der Speicherkapazität des Wassers bei der Einspeisung. Im Projekt „Ostrea“ wird für den Betrieb zunächst gereinigtes Abwasser aus dem Kläranlagenablauf verwendet. Zu einem späteren Zeitpunkt ist die Nutzung von Wasser aus der Ostsee geplant. Das Wasser wird dabei lediglich mineralisiert und anschließend zurückgeleitet.

Der theoretische Bedarf liegt bei 2,3 t Kalkstein pro Tonne CO₂. Durch leichte Verluste im Prozess liegt der tatsächliche Bedarf etwas höher. Im nord- und mitteldeutschen Raum gibt es viele Kalksteinlieferanten. Kalkstein zählt mit mehr als 20 Milliarden Tonnen Abbaumenge pro Jahr global zu den am häufigsten abgebauten Rohstoffen. Weite Transportdistanzen können den CO₂-Fußabdruck vergrößern, weshalb Planeteers auf Material aus regionalen Quellen setzt.

Die Sicherheit der Technologie wird insbesondere unter Umweltaspekten durch ein kontrolliertes und schrittweise überwachtes Verfahren gewährleistet. Das CO₂ wird in einem geschlossenen System in Hydrogencarbonat umgewandelt und nicht als konzentriertes Gas in die Umwelt eingebracht. Vor der Einleitung wird das Prozesswasser verdünnt, sodass eine Ausfällung von Calciumcarbonat vermieden und eine möglichst schonende Anpassung an die natürlichen Bedingungen des Zielgewässers erreicht wird. Die gesetzlich erlaubten Grenzwerte im Hinblick auf die zulässigen Einleitungsmengen und -konzentrationen werden eingehalten und werden vorab standortspezifisch mithilfe hydrodynamischer und biogeochemischer Modelle bestimmt. Die im Prozess verwendeten Gesteinsmaterialien sind ökologisch unbedenklich und die ablaufenden Reaktionen laufen fortwährend in der Natur ab.

Bei ausreichender Verdünnung sind keine relevanten negativen Auswirkungen auf das marine Ökosystem zu erwarten. Der pH-Wert des eingeleiteten Wassers wird an die pH-Werte des Entnahmewasser angepasst; Sauerstoffgehalt, Temperatur und Trübung verändern sich nicht wesentlich. Fauna und Flora werden durch geeignete Filtersysteme und eine kontrollierte Einleitung geschützt. Die durch den Prozess eingebrachte Alkalinität erhöht den bestehenden Wert am Einleitpunkt voraussichtlich um weniger als 10 Prozent. Bereits heute weist das Wasser am Auslauf des Klärwerks Bülk aufgrund des verwendeten harten Trinkwassers eine mehr als doppelt so hohe Alkalinität auf wie der natürliche Ostseehintergrund. Die Einleitung ist umweltrechtlich genehmigt. Das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel begleitet das Projekt wissenschaftlich unabhängig und untersucht mögliche Auswirkungen auf das marine Ökosystem.

Für das Projekt „Ostrea“ ist in der ersten Ausbaustufe eine Abscheidekapazität von rund 625 Tonnen CO2 pro Jahr vorgesehen. Die endgültige Netto-Speichermenge wird etwas darunter liegen, da Materialproduktion und Transport sowie Energieverbrauch und natürliche Anpassungsprozesse Abzüge im Rahmen einer Lebenszyklusanalyse erfordern.

Das Projekt „Ostrea“ kann in Kiel dazu beitragen, biogenes CO₂ aus dem Abgasstrom des Klärwerks abzuscheiden und langfristig zu speichern. Dadurch können Negativemissionen erzeugt werden, die zur Erreichung der Klimaschutzziele beitragen. Gleichzeitig sammelt Kiel praktische Erfahrungen mit einer innovativen Technologie zur CO₂-Entnahme und stärkt regionale Kompetenzen in den Bereichen Klimaschutz, Wasseraufbereitung und Monitoring. Die Entnahme und dauerhafte Speicherung von CO₂ ersetzt jedoch nicht die Vermeidung von Emissionen sondern ergänzt Maßnahmen wie Energieeffizienz, den Ausbau erneuerbarer Energien und eine bessere Kreislaufwirtschaft.