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3.5 – Unterirdische Speicherung von Kohlendioxid

Die fossilen Energierohstoffe Erdöl, Erdgas und Kohle liefern rund 80 Prozent der weltweit verbrauchten Primärenergie, Tendenz steigend. Erdöl wird überwiegend für den Transportsektor gebraucht. Die Verbrennung von Kohle und Erdgas liefert etwa zwei Drittel des weltweit erzeugten elektrischen Stroms. Den Rest steuern zu etwa gleichen Teilen Wasserkraft, Kernkraft und die Verbrennung von Biomasse bei.

Angesichts der zunehmenden Weltbevölkerung und des hohen Nachholbedarfs des größten Teils der Weltbevölkerung wird unser Energiebedarf für Mobilität, elektrischen Strom und Wärme noch auf Jahrzehnte hinaus nicht über regenerative ­Energien gedeckt werden können.

Der industrielle Ausstoß von Kohlendioxid ist die Hauptursache des gegenwärtigen Klimawandels. Im Kyoto-Klimaprotokoll haben sich die europäischen Länder daher verpflichtet, ihren Ausstoß an Treibhausgasen von 1990 bis 2012 um acht Prozent zu verringern. Die Bundesregierung hat sich zum Ziel gesetzt, Deutschlands CO2-Ausstoß bis 2020 um bis zu 40 Prozent zu reduzieren. Um die Folgen des Klimawandels zu begrenzen, hat die Europäische Union 2009 das so genannte „2°-Ziel“ formuliert. Auf dem Weltwirtschaftsgipfel im Juli 2009 im italienischen L‘Aquila einigten sich die Industrie- und Schwellenländer erstmals auf dieses Ziel. Dabei richtet sich das Bemühen darauf, die globalen Treibhausgas-Emissionen so zu verringern, dass die globale Mitteltemperatur um nicht mehr als zwei Grad Celsius gegenüber dem vorindustriellen Wert ansteigt. Es kommen mehrere Optionen in Betracht: Energieeffizienzsteigerung, Ausbau erneuerbarer Energiequellen, Ausbau von Kernenergie, Wohlstandsverzicht und Abscheidung von Kohlendioxid, sowie dessen Transport und Speicherung im geologischen Untergrund („Carbon Capture & Storage – CCS“).

CO2-Ausstoß

An Punktquellen wie fossil betriebenen Kraftwerken lässt sich Kohlendioxid (CO2) unter einem zusätzlichen Energieaufwand von vermutlich etwa 30 Prozent abtrennen und zu geeigneten Speicherstätten transportieren. Das Ziel der CO2-Speicherung besteht darin, die anthropogenen Treibhausgasemissionen über einen langen Zeitraum zu reduzieren. Jahrmillionen alte, natürliche Kohlenwasserstoff- und CO2-Lagerstätten in der Erdkruste zeigen, dass einige geologische Strukturen über lange Zeiträume hinreichend dicht sind. Das Verbringen (Injizieren) des Kohlendioxids in geeignete Untergrundformationen erfolgt über spezielle Bohrungen. Die natürlichen Poren in Gesteinen des tieferen Untergrundes dienen als Speicher für das Treibhausgas.

CO2-Speicherung

In Deutschland werden erschöpfte Erdgasfelder und tiefe, Salzwasser führende Grundwasserleiter (saline Aquifere) als wichtigste Speichermöglichkeiten für CO2 angesehen. Erschöpfte Erdgaslagerstätten bieten schon deshalb günstige Speichermöglichkeiten, weil die Deckschichten Gase erwiesenermaßen über Jahrmillionen zurückgehalten haben. Der Untergrund ist zudem bereits gut bekannt und gegebenenfalls kann eine vorhandene Infrastruktur genutzt werden. Erschöpfte Erdgasfelder in Deutschland können Schätzungen zufolge etwa 2,75 Milliarden Tonnen Kohlendioxid speichern. Ehemalige Erdöllagerstätten sind ebenfalls gut als CO2-Speicher geeignet. Allerdings sind die deutschen Erdölfelder zu klein, um einen nennenswerten Beitrag zu leisten. Aufgrund ihrer weiten Verbreitung haben tiefe saline Aquifere das größte Speicherpotenzial für die Verpressung von CO2. Das Potenzial wird grob auf 20 Milliarden Tonnen CO2 geschätzt.

Erdgasfelder und saline Aquifere

Zum Vergleich: Die gesamten anthropogen bedingten CO2-Emissionen in Deutschland belaufen sich derzeit auf etwa 850 Millionen Tonnen pro Jahr (Quelle: Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung). 40 Prozent davon werden in Kohlekraftwerken produziert und könnten technisch abgeschieden werden. Das bedeutet, dass pro Jahr maximal 300 bis 350 Millionen Tonnen CO2 für die Speicherung anfallen. Auf Basis einer Direktive des Europäischen Parlaments wird in Deutschland ein nationales CCS-Gesetz entwickelt.

CO2-Emissionen

Bei der Erdgasförderung hat man seit vielen Jahren praktische Erfahrungen mit der Verpressung von CO2 in geologische Formationen gesammelt. Viele Erdgasvorkommen enthalten einen natürlichen Anteil an CO2, der den Brennwert herabsetzt und daher vor dem Verkauf abgeschieden wird. Im norwegischen Erdgasfeld Sleipner werden seit 1996 jährlich rund eine Million Tonnen CO2 in den Utsira-Sandstein oberhalb des eigentlichen Gasfeldes verpresst. Im algerischen In-Salah wird das CO2 über zwei bis drei Bohrungen wieder zurück in den Speicherhorizont verpresst. Durch die Druck­erhöhung steigt auch die Förderrate des nutzbaren Gases.

Erdgasförderung

Um CCS einsetzen zu können, muss man wissen, wie sicher das Gas in den Speichern aufgehoben ist. Zwei verschiedene Leckage­szenarien sind denkbar: (1) CO2 könnte plötzlich an Injektionsbrunnen oder noch vorhandenen Altbrunnen austreten; (2) CO2 könnte entlang unbekannter Störungs- und Bruchzonen oder Bohrungen langsam entweichen. Mit der geologischen CO2-Speicherung gibt es bislang nur begrenzte Erfahrungen. Umfangreiches Wissen und praktische Erfahrung aus der Erdgasförderung und Erdgasspeicherung können jedoch als Basis für das notwendige Risikomanagement und für Sanierungsmaßnahmen dienen. Technische und natürliche Analoga und Modelle lassen vermuten, dass geologische Speicher mehr als 99 Prozent des eingebrachten CO2 länger als hundert Jahre zurückhalten, wenn sie sorgfältig ausgewählt und nach Stand der Technik betrieben werden. Es ist sogar wahrscheinlich, dass sie länger als tausend Jahre dicht halten. Zudem spricht einiges dafür, dass der größte Teil des gespeicherten Kohlendioxids durch verschiedene physikalische und chemische Mechanismen gebunden und für Millionen Jahre festgelegt wird. Dennoch ist es nötig, diese Annahmen durch umfangreiche Forschungsarbeiten zu verifizieren.

Leckage

Bedeutende CO2-Emittenten und -Speichermöglichkeiten in Deutschland

Übersicht über bedeutende CO2-Emittenten und -Speichermöglichkeiten in Deutschland (Quelle: BGR)

Mögliche Gesundheits- und Umweltrisiken der CO2-Speicherung müssen während des Genehmigungsverfahrens ausgeschlossen werden. Zu den Sicherheitsstandards, die gesellschaftlich auszuhandeln sind, zählen unter anderem Überwachungsmethoden (Monitoring) und Gegenmaßnahmen, wenn das CO2 durch die Deckschichten oder vorhandene Bohrungen nur unzureichend eingesperrt ist. Es muss weitestgehend ausgeschlossen werden, dass Grundwasserleiter zur Trinkwassergewinnung durch die CO2-Injektion beeinträchtigt werden.

Abschluss des CO2-Untertagespeichers In-Salah, Algerien

Abschluss des CO2-Untertagespeichers In-Salah, Algerien (Quelle: BGR)

Wenn CO2 in einen geologischen Speicher injiziert wird, werden die vorhandenen Formationswässer verdrängt. Diese verdrängten Wässer könnten unter Umständen die Deckschichten durchdringen oder entlang von natürlichen Störungszonen in flachere Grundwasserleiter gelangen. Wie groß mögliche Umweltrisiken sind, ist zurzeit noch ungeklärt. Letztlich hängt das Gefahrenpotenzial von den geologischen und hydrogeologischen Verhältnissen am jeweiligen Standort ab.

Formationswässer

Wissenschaftliche Herausforderungen

Grundlegende Forschungsfragen, die mit der geologischen Speicherung von CO2 im Untergrund verbunden sind, berühren in den Geo­wissenschaften vorhandene Kernkompetenzen. So ist es nötig, die jeweiligen Speichermechanismen im Detail zu verstehen, insbesondere die thermischen, mechanischen und chemischen Wechselwirkungen zwischen dem injizierten Gas und dem Nebengestein. Die Reaktionsmechanismen von CO2 mit Formationswässern sollten in grundlagenorientierten Arbeiten untersucht werden, und zwar bei unterschiedlichen Verunreinigungen des Kohlendioxids durch Sauerstoff, Schwefel- und Stickoxide, wie sie bei großtechnischen Anlagen zu erwarten sind. Derartige Untersuchungen müssen im Labor- und im Modellmaßstab durchgeführt werden. Die Ergebnisse sollten in Pilot- und Demonstrationsprojekten verifiziert werden.

Speichermechanismen

Die Integrität des Speichergesteins und des darüber liegenden Barrieregesteins könnte sich durch die CO2-Injektion verändern. Das wirft eine Reihe von Fragen auf. Trifft CO2 auf Grundwasser, so löst es sich darin als Kohlensäure und erniedrigt den pH-Wert. Die Kohlensäure kann mit dem Nebengestein reagieren und Mineralbestandteile lösen oder auch neue Minerale bilden. Im Idealfall reagiert die Kohlensäure mit vorhandenen Calcium-Ionen und fällt als Calciumcarbonat (Calcit) aus. Es muss daher erforscht werden, welche Mechanismen das CO2 im Untergrund festhalten. Das Treibhausgas könnte hydromechanisch zurückgehalten, kapillar gebunden, gelöst oder mineralisiert werden. Das Ergebnis dieser Forschung ist wichtig, um Kapazitäten berechnen und vor allem die Risiken der CO2-Speicherung abschätzen zu können.

Festhaltemechanismen

Spezifische numerische Modelle sind nötig, um Langzeitprognosen über die Ausbreitung von CO2 im Untergrund zu berechnen. Die Druck- und Temperaturbedingungen spielen dabei eine wichtige Rolle. Zudem gilt es zu untersuchen, wie sich die CO2-Injektion auf die Gebirgsspannungen und auf gegebenenfalls vorhandene Störungszonen auswirkt. Bisher ist unklar, welche Folgen großräumige Auftriebskräfte haben, die durch CO2-Injektion in saline Aquifere entstehen.

Langzeitprognosen

Schließlich gilt es, umfassende Sicherheitskonzepte zu etablieren. Dazu ist es nötig, innovative Überwachungs- und Injektionstechnologien zu entwickeln. Gasgeochemische Überwachungstechniken sollten speziell angepasste geophysikalische Monitoring-Techniken ergänzen. Der natürliche Boden-Gas-Haushalt muss bekannt sein, um aus Speichern entweichendes CO2 sicher identifizieren zu können. Hierzu bedarf es umfangreicher Studien, die bisher erst ansatzweise vorliegen. Weiterhin sollten die Auswirkungen von CO2-Austritten auf die Biosphäre eingehend untersucht werden. Dazu eignen sich natürliche CO2-Quellen, wie sie in vielen Vulkangebieten vorkommen. Zentrale Herausforderung ist überdies eine ­adäquate Information und Beteiligung der Bevölkerung.

Sicherheitskonzepte

zuletzt geändert am 2014-08-26 11:05:02 durch Jana Stone | Impressum