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Tausend Jahre dichthalten

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 29.03.2010 11:59

Das Treibhausgas Kohlendioxid könnte in Zukunft im Untergrund verschwinden, eingelagert in poröse Gesteinsschichten und ausgeförderte Erdgasfelder. Grundbedingung ist, dass die späteren Gasspeicher selbst über Jahrtausende dicht sind. Experten suchen bereits nach der perfekten Versiegelung.

Das Thema „Kohlendioxid-Abscheidung und -Lagerung“ („Carbon Capture and Storage“, CCS) ist Stoff unzähliger Debatten. Nicht wenige Naturschützer und Wissenschaftler zweifeln an der Machbarkeit der unterirdischen Speicherung des Treibhausgases. Vor allem eines macht ihnen zu schaffen: die Angst, dass die zukünftigen Lager untertage nicht dicht sein könnten. Geoforscher und Ingenieure, die sich mit CCS beschäftigen, begegnen den Sorgen und Ängsten mit intensiver Forschungsarbeit.

Drei große Bereiche muss die Forschung bei CCS gewissenhaft untersuchen: Wie kann man CO2 effektiv bei Kohle- und Gaskraftwerken herausfiltern? Wie müssen die Pipelines für den sicheren Transport beschaffen sein und schließlich, wie ist die dauerhafte Unterbringung des Gases, eingeschlossen in geeignete Deckschichten im Gestein, möglich? Eine detailgenaue Erkundung und Testung von Lagerstätten und der zu verwendenden Technologien sei hier unumgänglich, sagt Diplom Geologe Steffen Schmitz, Koordinator des Projektes „COBOHR“, eines von vielen Projekten, das vom Forschungs- und Entwicklungsprogramm GEOTECHNOLOGIEN des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert wird. Salopp formuliert forschen die Firma DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH und das Institut für Massivbau und Baustofftechnologie der Universität Karlsruhe daran, wie man Bohrlöcher stopft. Denn die Bohrungen, über die ein Reservoir mit CO2 befüllt wird, müssen nach der Injektion dauerhaft versiegelt werden. Im Detail ist das eine anspruchsvolle Aufgabe.

Bis 3000 Meter tief in die Erde reichen diese Leitungen, über die in Deutschland das CO2 vor allem in ausgeförderte Erdgas- und Erdölreservoirs und Salzwasser führende Gesteinsschichten, so genannte saline Aquifere, gepumpt werden soll. Durch die in diesen Tiefen herrschenden Druck- und Temperaturverhältnisse erreicht das Gas hier eine 500-fach höhere Dichte als an der Erdoberfläche und verdrängt so das Salzwasser aus dem porösen Gestein. Um diese Reservoirs dichtzuhalten, gebe es einiges in Betracht zu ziehen, erläutert Schmitz. Notwendig seien beispielsweise natürlich vorhandene Deckschichten im Gestein, wie Ton oder Salzstein, die für das CO2 quasi eine undurchdringliche Barriere nach oben bilden. Des Weiteren müsse geprüft werden, ob es Störungen in diesen Schichten gebe. Denn durch diese könne das Gas, wie durch einen Riss in einem Ballon, entweichen. Die Forscher nutzen deshalb verschiedenste wissenschaftliche Methoden, die helfen, sich ein genaues Bild von den Verhältnissen im Testgebiet zu machen. Ob seismische, geoelektrische, Druck-, Deformations- oder geochemische bzw. biologische Untersuchungsmethoden, viele der verwendeten Techniken werden seit Jahrzehnten etwa bei der Voruntersuchung und dem Befüllen von Erdgasspeichern verwendet. „Die grundlegenden Technologien sind alle bewährt. Das ist technisch machbar“, betont Schmitz. Das Rad müsse für CCS nicht neu erfunden, aber an den richtigen Stellen modifiziert werden, denn „ CO2 reagiert in den Druckleitungen, mit den Verfüllmaterialien und in den Speicherstätten anders. Darauf müssen die Anlagen ausgelegt werden“, sagt Schmitz.

Das Projekt COBOHR macht genau das in seinem Forschungsgebiet, dem Langzeitversiegeln von alten Erdgas- bzw. Erdöl- sowie CO2-Injektionsbohrungen. Gerade in ausgeförderten Reservoirs können mehrere hundert davon zu verfüllen sein. Die Universität Karlsruhe entwickelt bei ihrem Projekt COSTEC Zemente, die widerstandsfähiger gegen die Reaktion mit CO2 sind. Die Firma DBI GUT geht bei ihrem Projekt CODICHT einen anderen Weg: Sie experimentiert mit natürlich vorkommenden Materialien. Ziel des Projektes COBOHR, dem Verbund beider Projekte, ist eine Multibarrierelösung für die Bohrungen, die im Zusammenspiel der Komponenten die beste Langzeitversiegelung biete, so Schmitz.

Entweichen könnte das CO2 in den Bohrlöchern auf verschiedene Weise. Vorstellbar ist etwa, dass es bei den Konstruktionen aus Zement und Stahl auf lange Sicht durch den Stahlmantel, den Zement oder kleine Risse innerhalb der Materialien dringt. Vom chemischen Standpunkt aus kann Korrosion zu einem Problem werden. Dabei ist CO2 an sich nicht korrosiv. In Verbindung mit Wasser, wie bei salinen Aquiferen, entsteht jedoch Kohlensäure. Sie sorgt bei direktem Kontakt mit metallischen Stoffen und Zement für Korrosionsschäden. Bei ungünstigen Temperatur- und Druckverhältnissen sind hier hohe Korrosionsraten zu erwarten. Um die Resistenz des Zements zu steigern, führt die Universität Karlsruhe Experimente mit modifizierten Tiefbohrzementen, Salzzementen, Bariumzementen und Zementen auf Phosphatbasis durch.

Die Firma DBI GUT favorisiert den Weg über natürliche Materialien. Schmitz: „Momentan geht unsere Tendenz klar zu Salzstein und Ton“. Das Projekt CODICHT setzt dabei nicht nur auf die nachweislich dauerhafte Dichtheit der Materialien gegenüber CO2, sondern will sich auch ihre natürlichen Eigenschaften zu Nutze machen. „Traf man früher auf Salzstein, war das sehr unpraktisch. Man musste die Bohrungen verstärken, um sie offen zu halten, denn Salz reagiert in Tiefen plastisch. Das heißt es kriecht und fließt“, erläutert der Geologe. Diese Eigenschaft sei jetzt gewünscht. Im Moment teste man Verfahren, bei denen man auf der Höhe von vorhandenen Salzsteinschichten die Rohre und den Zementring ausfräse und Salzstein zufließen lasse. Das Salz „krieche“ dann in mögliche Ritzen und verbinde sich mit der Deckschicht. „Dadurch hat man wieder eine original Deckschicht, bei der man absolut sicher sein kann, dass die Bohrung CO2-resistent und dicht für Gase ist“, betont Schmitz. Als Alternative für salzlose Deckschichten forsche man an Tonsteinen. Auch hier müsse zuvor das künstlich eingebrachte Material der Rohre entfernt werden, bevor der Ton Anwendung finde. Dieser werde darauf an Tonschichten zum Quellen gebracht, wodurch ebenfalls eine durchgängige Deckschicht entstehe.

Bei der Anwendung von CCS in fünf bis zehn Jahren sollen Multibarrieren für Dichtheit über 1000 Jahre und mehr sorgen. Schon ins Reservoir selbst sollen Polymere und Gele eingebracht werden, die die Durchlässigkeit für CO2 noch weiter reduzieren. Zusätzlich werden Zementbrücken gesetzt, die das unter Druck stehende Reservoir abschließen. Die Kombination von resistenten Zementen und natürlichen CO2-Barrierestoffen werde dann in den Bohrungen für Sicherheit sorgen. „Wir arbeiten intensiv an optimaler Dichtheit“, sagt Schmitz.

CP, iserundschmidt 03/2010


Mehr zum Projekt COBOHR finden Sie auf den Seiten der Uni Karlsruhe sowie der Homepage des GEOTECHNOLOGIEN-Programms.

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