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Bohrloch im Labor

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:37 — abgelaufen

Wie lassen sich unterirdische CO2-Speicher optimal verschließen? Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) wollen diese Frage anhand einer einzigartigen Laborapparatur untersuchen: Im Rahmen des COBRA-Projekts planen sie den Bau eines rund zehn Meter hohen Bohrlochsimulators.

CO₂ ist ein farb- und geruchloses Gas und natürlicher Bestandteil der Luft. Es wird bei der Atmung freigesetzt und perlt als feine Bläschen im Champagner und Sprudelwasser. CO₂ ist aber auch ein wirkungsvolles Treibhausgas, das sich durch die fortwährende Verbrennung fossiler Brennstoffe in den vergangenen Jahrzehnten mehr und mehr in der Atmosphäre angereichert hat. Den CO₂-Ausstoß zurückzufahren, ist daher ein wesentliches Ziel des Klimaschutzes. Doch auch andere Maßnahmen sind im Gespräch: insbesondere die Speicherung des Treibhausgases untertage, ein Verfahren, das weltweit in diversen Pilotprojekten erprobt wird. Mögliche Lagerstätten sind tiefliegende salzwasserführende Gesteinsschichten, erschöpfte Öl- und Gasvorkommen sowie Kohleflöze.

Wie versiegelt man ein Bohrloch?

Geeignete Speicherformationen liegen viele hundert Meter unter der Erdoberfläche. In der Praxis würde das CO₂ daher über Bohrungen in die Tiefe gepumpt werden. Dort soll es möglichst dauerhaft verbleiben, abgeschirmt von Mensch und Atmosphäre. Da stellt sich die Frage, wie sich eine Lagerstätte versiegeln lässt, ist ihre Aufnahmefähigkeit ausgeschöpft – der Speicher sozusagen „voll“. Die Bohrung spielt dabei eine Schüsselrolle. „Sie ist eine Störung des Untergrundes und damit im Prinzip eine Schwachstelle, über die das CO₂ wieder an die Oberfläche gelangen könnte“, gibt Frank Schilling, Geowissenschaftler am KIT, zu bedenken. „Deshalb muss man ein solches Loch optimal verschließen und besonders gut darauf achten.“

Ausgediente Borlöcher werden heutzutage mit Zement und anderen Materialien verfüllt. „Dazu gibt es genaue Vorschriften“, erläutert Schilling. „Die Anforderungen hängen von der jeweiligen Situation ab. Häufig arbeitet man nicht nur mit Zement, sondern mit einem Multibarrieren-System. Dann kommt beispielsweise eine sogenannte schwere Spülung zum Einsatz. Das ist eine Flüssigkeit mit hoher Dichte, die daher keine Neigung hat, aufzusteigen. Im Bohrloch wirkt sie wie ein Pfropfen.“


Bohrlochsimulator (Bild: COBRA-Team)

Bohrlochsimulator: Mittels einer 10 Meter hohen Versuchsanlage sollen alle erforderlichen Schritte zur sicheren Verschließung eines Bohrlochs nachvollzogen werden (Bild: Kromer Klumbach Hirsch und das COBRA-Team).

Aber die Prozesse, die sich während des Versiegelns oder gar in einer bereits abgedichteten Bohrung abspielen, sind in vielerlei Hinsicht noch unverstanden. Schließlich ist das Innere eines Bohrlochs schwer einsehbar und die Verhältnisse sind kompliziert. „Ein Bohrloch ist keineswegs leer, im Inneren steht zunächst einmal die Förder- beziehungsweise die Pumpleitung. Außerdem befindet sich zwischen diesem Stahlrohr und dem umgebenden Gestein die Bohrspülung“, sagt Schilling. „Wenn man nun eine Zementsuspension einfüllt, geht es also insbesondere darum, die Bohrspülung zu verdrängen. Dazu beginnt man in der Tiefe und lässt den Zementpfropfen allmählich nach oben wachsen. In der Praxis kann es durchaus passieren, dass sich Zementschlämme und Spülung miteinander vermischen. Und das wirkt sich auf die Qualität der Versiegelung aus.“

Neue Erkenntnisse über derlei Vorgänge verspricht das Projekt „CO₂-Speicherung-Bohrlochsimulator“ (COBRA), das im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Programms gefördert wird. „Wir wollen eine Versuchsapparatur bauen, mit der man die gesamten Prozessschritte beim Versiegeln eines Bohrlochs nachvollziehen kann und zwar im Maßstab 1:1“, sagt Schilling, der das Vorhaben leitet. „Diesen Simulator versenken wir nicht im Boden, sondern errichten ihn als etwa zehn Meter hohen Turm in die Höhe, so dass er rundherum für Untersuchungen zugänglich ist. In dieser Größe ist ein solcher Simulator weltweit einzigartig.“

Der rund 60 Zentimeter durchmessende Stahlbehälter, der am KIT aufgebaut werden soll, wird sich unter Druck setzen und überdies auch erhitzen lassen, um die Verhältnisse innerhalb eines Bohrlochs realitätsnah nachbilden zu können. „In gewisser Weise handelt es sich um eine gut zehn Meter hohe Gasflasche“, so Schilling. Ins Innere dieses Druckbehälters möchten die Forscher je nach Fragestellung Zementschlämmen, Gestein, Bohrspülung und Rohrleitungen einbringen. Außerdem wird es möglich sein, am Fuß der Turmkonstruktion ein Gemisch aus CO₂ und Wasser einzuleiten. „Damit simulieren wir einen CO₂-Speicher“, sagt der Geoforscher. „In dieser Konfiguration planen wir auch Langzeitversuche, mit denen wir über mehrere Monate verfolgen, wie weit sich das CO₂ ausbreitet und wie sich sonstige Reaktionen entwickeln. Im Nachhinein können wir alles ausbauen, in Scheiben schneiden und millimetergenau untersuchen. Daher sind manche Komponenten des Simulators Verschleißteile, andere wiederum werden wir immer wieder verwenden können.“

Messungen im laufenden Betrieb

Vorgesehen sind aber auch Messungen während laufender Experimente. Hierfür testen die Forscher unter anderem einen sogenannten TDR-Sensor, der in Gestalt eines Kabels über die gesamte Länge des Versuchsaufbaus einbetoniert werden kann. Das Funktionsprinzip ähnelt dem eines elektrischen Echolots. Spannungspulse, die über die Stromleitung wandern, werden an bestimmten Stellen zurückgeworfen: Dies geschieht dort, wo sich die komplexen, elektrischen Eigenschaften des Materials verändern, in die das Kabel eingebettet ist. Aus dem reflektiertem Signal lassen sich Rückschlüsse auf die sogenannte Dielektrizitätskonstante ziehen, die verantwortlich dafür ist, wie schnell sich das elektrische Signal ausbreitet. Sie ist stark vom Material abhängig, mit deutlich unterschiedlichen Werten etwa für Wasser, CO₂ und Zementstein. „Durch Messung der Dielektrizitätskonstante haben wir ein direktes Maß dafür, wie und wo sich Materialeigenschaften verändern“, meint Schilling. „Auf diese Weise hoffen wir, die Wanderung des CO₂ innerhalb von Zementstein verfolgen zu können.“

Aussagen über das Langzeitverhalten verschlossener Bohrlöcher sind das Ziel des COBRA-Projekts. „Wir möchten verstehen, wie sich die verschiedenen Verschlusstechnologien auf Dauer verhalten“, so der Geowissenschaftler. „Das ist entscheidend für die Abschätzung von Risiken und eine Fragestellung, die nicht nur die CO₂-Speicherung betrifft, sondern eigentlich jede Art von Tiefbohrung. Insofern könnte COBRA Erkenntnisse liefern, die möglicherweise auch für andere Bereiche, wie die Geothermie oder die Gasförderung, von Interesse sind um die Gefährdungen für Schutzgüter wie Grundwasser zu minimieren.“ Der Karlsruher Simulator sei vielseitig einsetzbar, betont Schilling. „Insbesondere haben wir die Möglichkeit, Bohrungen nachzubilden, die nicht nach heutigem Stand der Technik verschlossen wurden, sondern nach älteren Standards. Auch hier wäre es interessant, zu wissen, was in deren Inneren vorgeht und wie es um die Langzeitstabilität steht.“

Das COBRA-Team hat sich daher viel vorgenommen. Doch noch befindet sich das Projekt in der Anfangsphase. Seit Herbst 2011 wird es im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Programms gefördert mit einer Laufzeit bis 2015. Nächster Schritt ist der Bau des Bohrlochsimulators. Die Konstruktion ist technisch durchaus anspruchsvoll. Wenn alles gut geht“, sagt Schilling“, können wir vielleicht zum Jahresende mit dem Aufbau beginnen.“

MN, iserundschmidt 07/2012


Mehr zum Projekt COBRA und zu den weiteren Projekten des Forschungsschwerpunkts "Technologien für eine sichere und dauerhafte Speicherung des Treibhausgases CO₂ III" finden Sie hier.