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Klimaschutz im Untergrund

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:36 — abgelaufen

Im Rahmen des Projekts "CO2 Trap" prüfen Wissenschaftler, ob das Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) dauerhaft in unterirdischen Gesteinsschichten und Kohlegruben gespeichert werden kann. Im Unterschied zu solchen Verfahren, die das Treibhausgas als Blase im Untergrund verwahren, setzt "CO2 Trap" auf einen neuen Ansatz: die feste Bindung an tief liegende Erdschichten.

Kohlendioxid ist eigentlich ein unauffälliges Gas. Mit jedem Atemstoß wird es ausgeschieden, es ist farblos, geruchsfrei und hinterlässt keinen Geschmack auf der Zunge. Dennoch verleihen winzige CO2-Bläschen so manchem Getränk eine besondere Note. Ihre prickelnde Wirkung schätzen nicht nur Liebhaber edlen Champagners. Sie perlen auch in der Limonade, lassen Mineralwasser sprudeln und setzen dem Pils die Schaumkrone auf. Kohlendioxid ist sozusagen in aller Munde - im wörtlichen Sinne und erst recht in Hinblick auf das Weltklima: in der Atmosphäre nämlich verstärkt Kohlendioxid den Treibhauseffekt.

Der Anstieg von CO2 in der Erdatmosphäre ist allerdings nicht auf den Konsum von Schaumwein oder Sprudelwasser zurückzuführen. Auslöser ist vielmehr die massive Verbrennung fossiler Energieträger wie Öl, Kohle und Erdgas rund um den Globus. Nach Berechnungen der Internationalen Energieagentur werden dadurch pro Jahr rund 25 Milliarden Tonnen Kohlendioxid freigesetzt. Tendenz steigend: zwischen 1973 und 2003 hat der Ausstoß um fast 60 Prozent zugenommen.

Um die CO2-Emissionen zu drosseln, gibt es zwei nahe liegende Alternativen. "Den Ausstoß an sich zu reduzieren", meint der Aachener Geochemiker Michael Kühn, "oder aber ausgestoßenes CO2 zu speichern, also abzufangen, bevor es in die Atmosphäre gelangt." Letztere Variante untersucht ein Team aus Hochschule und Industrie im Rahmen von CO2-TRAP. Im Mittelpunkt steht das letzte Glied der Entsorgungskette: die Lagerung des Treibhausgases. Das 2005 gestartete Forschungsprojekt unter Federführung der RWTH Aachen wird im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprogramms GEOTECHNOLOGIEN gefördert und von Dr. Michael Kühn koordiniert.


Andreas Busch und Michael Kühn im Labor

Andreas Busch und Michael Kühn untersuchen einen aus einem Kohleblock erbohrten Plug. (c) Peter Winandy

 

Kalklager in der Tiefe


Kühn und Kollegen prüfen verschiedene Strategien. Oberstes Ziel ist die dauerhafte Speicherung im Untergrund. "Die beruht bei einem der Teilprojekte darauf, dass wir das CO2 in ein Mineral verwandeln wollen", erläutert Kühn. Die Rede ist von Kalzit (CaCO3). Ähnliche Kalkablagerungen setzen sich bisweilen in Wasserkochern und Waschmaschinen ab. Gegenüber anderen Verfahren, bei denen im ungünstigen Fall gasförmiges CO2 wieder freigesetzt werden könnte, bietet die Umwandlung in festen Kalzit einen entscheidenden Vorteil. "Minerale machen sich nicht plötzlich selbstständig", betont Kühn.

Weiterer Clou: die Forscher setzen auf Geothermie. Die Bildung des Minerals wollen sie mit der Nutzung von Warmwasser aus dem Erdinneren verknüpfen. "Dadurch haben wir einerseits die Gewinnung von Wärme und Strom aus einer alternativen Energiequelle und gleichzeitig das zusätzliche Potential des Speicherns von CO2", unterstreicht der Geoforscher. "Dies ist eine Möglichkeit, mit der wir die Geothermie rentabler gestalten können."

Der Betrieb solcher Anlagen erfolgt über zwei Bohrungen, die mit einem unterirdischen Wasserreservoir in Verbindung stehen. Angezapft werden poröse Gesteinsschichten, die ähnlich wie ein nasser Schwamm viel Wasser enthalten. Eines der Bohrlöcher fördert Thermalwasser an die Oberfläche, wo es zum Heizen oder zur Stromproduktion eingesetzt wird. Die nötigen Temperaturen treten ab einer Tiefe von etwa 1,5 Kilometern auf. "Dann sind wir knapp über 50 Grad. Da geht es los, dass man diese Art der Geothermie durchführen kann", so Kühn. Die zweite Bohrung leitet das nun abgekühlte Wasser zurück in den Untergrund. Vorab jedoch wird CO2 zugesetzt. Michael Kühn schildert das Verfahren: "Technisch stelle ich mir das so ähnlich wie in den Soda-Club-Maschinen vor." Ein Teil des gasförmigen Kohlendioxids geht dabei als Kohlensäure in Lösung. Das kalte, mit Kohlensäure angereicherte Wasser gelangt schließlich in die Tiefe und reagiert mit dem dortigen Gestein. Werden dort Kalzium-Ionen aus den Mineralen herausgelöst, können sich diese mit der Kohlensäure zu Kalzit verbinden. Auf diese Weise wird das flüchtige CO2 in eine stabile Form gebracht: es scheidet sich als Kalk ab. Selbstredend, damit die Methode funktioniert, müssen die Sedimentschichten reich an Kalzium sein. Besonders geeignet ist Sandstein, wenn er größere Mengen der Kalziumverbindung "Anhydrit" (CaSO4) enthält.

Nicht nur der Anhydrit-Gehalt bestimmt die Speicherkapazität solcher Lagerstätten. Auch auf die Lebenszeit der geothermischen Anlage kommt es an. "Sie begrenzt natürlich die Dauer über die wir CO2 in den Untergrund verbringen können", erklärt Kühn. "Diese liegt bei mindestens 30 bis 40 Jahren." Dass das Warmwasser nicht ewig strömt, liegt an der Kaltwasserfront, die sich im Untergrund ausbreitet und das Erdreich allmählich abkühlt. Die nachfließende Wärme aus dem Erdinneren kann das Absinken der Temperatur nämlich erst im Laufe von Jahrhunderten wieder ausgleichen. Grund: der schleppende Wärmetransport durch das Gestein. Bei einem typischen Abstand zwischen den Bohrlöchern von etwa einem Kilometer erreicht das kalte Wasser deshalb nach einiger Zeit die Förderbohrung: der Wärmespeicher ist dann abgebaut. Wie viel Kohlendioxid könnte eine einzelne Anlage in der Zwischenzeit aufnehmen? "Unsere letzten Ergebnisse sind, dass sich das in Speicherkapazitäten über die Lebenszeit einer geothermischen Anlage von bis zu 3,5 Millionen Tonnen bewegen könnte", beziffert Kühn.

Im Zuge von "CO2 Trap" halten die Forscher Ausschau nach geeigneten Standorten. Diese müssen einerseits geothermische Wasserspeicher vorweisen, anderseits über ausreichende Vorkommen an Anhydrit verfügen. In der engeren Auswahl sind Niedersachsen, Schleswig-Holstein, Mecklenburg-Vorpommern und der Nordosten Nordrhein-Westfalens. "Unser Zielgebiet geht Richtung Norddeutsches Becken", sagt Kühn. Die Industriepartner des Projekts leisten dabei Hilfestellung. "Sie haben uns Bohrungsdaten besonders aus dem Norddeutschen Becken zur Verfügung gestellt." Die Datenbank umfasst rund 6.000 Bohrungen.

Überdies untersuchen die Forscher die Chemie der Mineralstoffe. Unter welchen Bedingungen löst sich Kalzium aus dem Gestein, wie reagiert Kalzium mit der Kohlensäure? Sind diese Vorgänge schnell genug für den Einsatz in der Praxis? Aufgrund der bisherigen Laborergebnisse ist Michael Kühn zuversichtlich: "Wir haben gezeigt, dass es prinzipiell geht."

Allerdings hat die Chemie auch Tücken: Allerdings hat die Chemie auch Tücken: "Wir brauchen Pufferkapazität, um die Kohlensäure zu neutralisieren", erläutert der Geophysiker. Ansonsten löst das saure Wasser den Kalzit wieder auf - ähnlich wie der Essigreiner den Kalk im Badezimmer zersetzt. Minerale wie Feldspäte, ebenfalls im Untergrund vorhanden, könnten die gewünschte Pufferwirkung bereitstellen. "Da es sein kann, dass diese Reaktion zu langsam ist, verfolgen wir noch einen zweiten Weg", berichtet Michael Kühn. Dabei geht es um die Behandlung des Wassers an der Oberfläche. "Das machen die Kollegen in Bayreuth. Sie untersuchen, in wie weit man Flugaschen benutzen kann, um Pufferkapazität zur Verfügung zu stellen." Der benötigte Stoff wäre reichlich vorhanden, da Flugaschen bei der Kohleverbrennung anfallen.

Kohlespeicher für CO2


Um Kohle dreht sich auch der zweite Forschungsansatz, der im Rahmen von "CO2 Trap" verfolgt wird. Kohle kann große Mengen an Fremdstoffen binden. Im Fachjargon spricht man von "Adsorption". "Wir kennen das von Aktivkohle", zieht Kühn den Vergleich, "die zur Reinigung von Grundwasser benutzt wird." Auch Kohlendioxid adsorbiert in großen Mengen an der Kohle. Dieses Phänomen wollen sich die Forscher zu Nutze machen.

Die Lagerung in Kohleflözen, deren Abbau unrentabel ist, werde schon länger diskutiert, erläutert Kühn. In ihrem ursprünglichen Zustand können solche Kohlevorkommen jedoch nur wenig CO2 aufnehmen, weil sie zu kompakt sind. "Deswegen ist die Idee hier in abgebauten Kohleflözen zu arbeiten, weil dort aufgrund der Bergwerkstätigkeit erhöhte Durchlässigkeiten vorhanden sind", sagt er. "Zudem ist noch genügend Restkohle vorhanden, auf dem CO2 gespeichert werden kann." Entsprechende Vorkommen findet man im Saarland und im Ruhrgebiet, meist liegen sie in Tiefen zwischen 800 und 1.000 Metern. Das Potential ist enorm: "Die Abschätzungen für die Sorption an der Restkohle belaufen sich auf 3,7 Milliarden Tonnen für die Bergwerke, die in Deutschland vorhanden sind."

Die Speicherung des Treibhausgases würde dabei auf der Kohle erfolgen und nicht etwa in Gestalt von Gasblasen in Kavernen oder verlassenen Stollen. Diese sind nach der Stilllegung einer Grube ohnehin kaum noch vorhanden. "Der Bergwerksbetrieb wird heutzutage meistens so durchgeführt, dass hinter der Vortriebsmaschine wieder alles zusammenbricht", sagt Kühn. Und gerade diese Einbrüche - sie werden als "Alter Mann" bezeichnet -, lockern das Gestein ausreichend auf, um das CO2 über Rohre dort einleiten zu können.

Alternativ prüfen die Forscher die Möglichkeit, auch Kraftwerksabgase direkt in den Untergrund zu leiten. In diesem Fall würden die Kohleflöze wie ein Filter wirken, der das CO2 zurückhält. Vorteil: die teure Trennung von CO2 aus dem Abgas würde eingespart. "Insofern könnte man so das Rauchgas reinigen, separieren und gleichzeitig noch Methan gewinnen", meint Michael Kühn, der damit einen weiteren Aspekt ins Spiel bringt. Unberührte Kohle kann nämlich große Mengen Methan (Erdgas) enthalten. Mit dem einströmenden Kohlendioxid findet jedoch ein Verdrängungswettbewerb statt: schließlich wird Methan freigesetzt, das CO2 bleibt an der Kohle haften.

Um das Kohlendioxid dauerhaft untertage zu halten, kommt den Wissenschaftlern der natürliche Wassereinbruch zu gute. "Bergwerke können nur durch permanentes Pumpen vor dem Ertrinken gerettet werden", sagt Dr. Kühn. "Und irgendwann werden sie nach Beendigung der Bergwerkstätikeit wieder voll Wasser laufen." Mit dem Wasserpegel steigt der Druck. Dieser klettert - je nach Tiefe des Bergwerks - bis auf das 100fache des Luftdrucks an der Erdoberfläche. "Mit der Druckerhöhung steigt die Sorptionskapazität der Kohle und die Speicherung wird noch sicherer", betont Kühn.

Die physikalischen Vorgänge untersuchen die Geowissenschaftler mit Hilfe von Druckkammern, in denen sie die Adsorption von CO2 nicht nur an Kohlestaub, sondern auch an anderen Reststoffen aus der Kohleaufbereitung testen. Die Idee: Derart mit Kohledioxid beladenes Material soll per Pipeline in still gelegten Bergwerksschächten deponiert werden und den ausgehöhlten Untergrund stabilisieren. Für Deutschland kommt dieses Verfahren allerdings nur bedingt infrage, meint Kühn, weil bei der hiesigen Industrie nur geringe Mengen an Reststoffen anfallen. "Da haben wir einen Export der Technologie im Auge für Länder, in denen die Kohleverwertung nicht so effektiv gestaltet wird wie bei uns. Wo also mehr Reststoffe anfallen."

Lecksuche im Untergrund


"CO2 Trap" widmet sich noch einem weiteren wichtigen Aspekt der CO2-Speicherung - unabhängig von der Lagerung mittels Kohle oder Geothermie. "Dabei befassen wir uns ganz allgemein mit Speichern, in denen das CO2 als separate Phase gelagert ist", erläutert Michael Kühn. Anhand von Computersimulationen und Labortests untersuchen die Wissenschaftler, wie gut das Deckgestein Kohlendioxid zurückhält. Die Speicher, um die es dabei geht, sind einerseits alte Gas- oder Ölreservoire, insbesondere jedoch handelt es sich um "salinare Aquifere" - poröse Gesteinssichten, die Salzwasser führen. In solche Sedimente kann CO2 verpresst werden. "Das heißt, wir haben dort eine CO2-Blase mit Auftriebskraft, die nach oben strebt und deshalb durch eine Fallenstruktur zurückgehalten werden muss", erläutert Kühn. Tonstein, ist ein besonders dichtes Material, und bietet daher gute Bedingungen für die Versiegelung. "Dies führt dazu, dass das CO2 wie in einem Kanister gefangen wird." Einen überraschenden Befund haben die Untersuchungen inzwischen offenbart, "dass Tonsteine, aus denen die Deckschichten häufig bestehen, nicht nur eine abschirmende Wirkung haben, sondern selber auch noch große Menge CO2 sorbieren können."

Vom Labor zum Praxistest


Bis zum Jahr 2008 wollen die Forscher abschließende Zahlen über die für Deutschland zu erwartende Speicherkapazität an CO2 vorlegen, die sich mit Hilfe von Geothermie und Kohleabsorption realisieren lassen. Im Anschluss geht es dann um die technische Umsetzung. Geoforscher Kühn: "Es sollen in einem Folgeprojekt zwei Pilotanlagen entstehen." Die Geothermie und die Lagerung mit Hilfe der Kohle müssen sich dann im Feldversuch beweisen. Und die Wissenschaft wird damit den Staffelstab an die Wirtschaft übergeben, so Michael Kühn: "Dieses Projekt soll dann unter Federführung der Industriepartner laufen."

MN, iserundschmidt 07/2006 


Weitere Informationen zu CO2Trap finden Sie hier.

"Klimakiller in Dunkelhaft? - Perspektiven zur Verminderung und Entschärfung des Treibhausgases CO2". Lesen Sie hier das Interview mit Dr. Ludwig Stroink, Leiter des Koordinierungsbüros GEOTECHNOLOGIEN.

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