Benutzerspezifische Werkzeuge
Sie sind hier: Startseite Archiv Aus der Praxis Verwandlung im Untergrund

Verwandlung im Untergrund

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

Die Speicherung von Kohlendioxid (CO2) unter Tage gilt als vielversprechende Technologie gegen den Treibhauseffekt. Doch wie reagieren die dortigen Bewohner auf den frischen Wind von oben? Auch in tausend Metern Tiefe ist unsere Erde nämlich sehr lebendig und verwandelt das Treibhausgas in neue chemische Verbindungen. Welche das genau sind, ist für die Klimaschützer von großem Interesse.

Die Zahlen sind beeindruckend: Nur noch zehn Prozent des CO2-Ausstoßes von Kohle- und Erdgas-Kraftwerken würden in die Atmosphäre gelangen, wenn man das bei der Verbrennung entstehende Kohlendioxid über spezielle Filter-Anlagen abfängt und unter der Erde speichert. Damit wäre im Vergleich zu heute bis 2050 eine Senkung der CO2-Emissionen innerhalb der Europäischen Union um mehr als 50 Prozent möglich. Als Lagerstätten kämen tiefe, salzwasserführende Gesteinsschichten, erschöpfte Öl- und Gaslagerstätten und tiefe, nicht nutzbare Kohlenflöze in Betracht. Die dafür benötigte Technik ist eigentlich nicht neu - bereits seit 30 Jahren wird etwa Erdgas unterirdisch gespeichert. Vor allem russisches Gas wurde und wird in speziell dafür eingerichteten Salzkavernen auf Vorrat gehalten.

"Wie man das Kohlendioxid in den Untergrund hinein bekommt, ist zumindest vom Prinzip her klar", meint Nils Hoth vom Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau der TU Bergakademie Freiberg. "Was damit dann im Inneren passiert, liegt aber teilweise noch im Dunkeln". Fest steht, dass sich das CO2 entweder als Gas sammelt, sich in unterirdischen Wasservorkommen löst oder gar mit den umliegenden Gesteinen Karbonate bildet - also zum Feststoff wird. Letzteres wäre den Geologen besonders recht, weil sich so viel Kohlendioxid auf kleinem Raum speichern ließe. "Bisher nur wenig untersucht wurde, was passiert, wenn das gelöste CO2 in Kontakt mit unterirdischen Mikroorganismen kommt", erzählt Hoth. Dies soll das Projekt "Recycling von CO2 durch mikrobielle-biogeochemische Umwandlung im tieferen Untergrund" (RECOBIO) klären. Es wird an der TU Freiberg von einem Team der Institute Fluidbergbau und Umweltmikrobiologie bearbeitet und im Rahmen des geowissenschaftlichen Forschungs- und Entwicklungsprogramms GEOTECHNOLOGIEN durchgeführt.

Mitten in Deutschland, am Gasfeld Schneeren und an einem alten Öl-Feld in Knesebeck, beide in der Nähe von Hannover, haben die Wissenschaftler des Projekts gemeinsam mit dem Eigentümer dieser Felder Gaz de France Deutschland (GdF-PEG) Proben genommen. In dem Wasser, das mit dem Öl bzw. Gas nach oben gepumpt wird, fanden sie so genannte Archaeen - quasi "Ur-Bakterien", die vermutlich vor vielen Millionen Jahren von der Erdoberfläche langsam in die Tiefe befördert wurden. "Diese Archaeen unterscheiden sich deutlich von unseren heutigen Bakterien", berichtet Nils Hoth. "Sie haben zum Beispiel wesentlich dickere Zellwände, die sie vor den unwirtlichen Bedingungen in 1.500 bis 3.000 Metern Tiefe schützen." Die dicken Zellwände haben aber auch einen Nachteil: Substanzen, die für die Energiegewinnung der Archaeen benötigt werden, können sie nur schwer durchdringen.


Klein kommt durch


Besonders leicht kann das kleinste chemische Element die dicke Hülle der Archaeen überwinden: Wasserstoff. Reaktionen, an denen Wasserstoff beteiligt ist, werden dadurch begünstigt. Presst man nun von oben CO2 ins Gestein, verbindet es sich in den Kraftwerken der Archaeen mit dem Wasserstoff (H2) - es entsteht das Gas Methan (CH4) und Wasser (H2O). Die bei der Reaktion frei werdende Energie nutzen die Ur-Bakterien zum Antreiben ihres Stoffwechsels. Den Kohlenstoff des CO2 können sie zudem in ihre Zellen einbauen. "In Laborversuchen mit den gewonnenen Archaeen konnten wir eine beginnende Bildung von Methan beobachten", sagt Hoth. Seine Kollegen vom Dresdner Grundwasserforschungszentrum haben gezeigt, dass der erforderliche Wasserstoff bei Reaktionen an Eisen-Silikaten im Gestein entstehen kann. Wie der Mechanismus genau funktioniert, müssen sie aber noch erforschen.

"Neben diesen beiden Prozessen gibt es aber noch viele weitere, die dort unten ablaufen", betont Hoth. Die Vielzahl von möglichen Reaktionen macht es den Geoforschern schwer, genaue Vorhersagen darüber zu treffen, welche Stoffe in welcher Menge entstehen. In Konkurrenz zur Methanbildung kann durch das Einleiten von Kohlendioxid zum Beispiel auch Schwefelwasserstoff erzeugt werden, ein aggressives Gas, das eher unerwünscht ist. Methan hingegen könnte - wenn die Mengen ausreichend sind - als Erdgas wieder aus der Tiefe geholt und zur Heizung oder Stromerzeugung verbrannt werden. Das dabei entstehende Kohlendioxid müsste dann natürlich auch wieder aufgefangen und eingelagert werden. Hoffnungen auf ein "Perpetuum Mobile" der Energieumwandlung muss Nils Hoth allerdings dämpfen: "Die Umwandlungsprozesse sind sehr langsam und es dauert vermutlich tausende Jahre, bis verwertbare Mengen entstehen - wenn überhaupt.

Mehr als um die Schaffung neuer Erdgasvorkommen geht es daher den Forschern um eine Abschätzung, welche Parameter sich verändern, wenn das CO2 bei den Archaeen in der Tiefe ankommt. So interessiert sie, wie sich die Druckverhältnisse ändern, wenn Kohlendioxid, das schwerer als Luft ist, in Methan umgewandelt wird, das leichter als Luft ist. Die Stoffwechselaktivität der Mikroorganismen führt zudem zu einer pH-Wert Anhebung, was wiederum Auswirkungen auf die chemischen Reaktionen hat und letztendlich die Bildung von Karbonaten beeinflusst - jener platzsparenden Einlagerungsform von Kohlendioxid, die den Klimaforschern am liebsten wäre.


Gene aus der Tiefe


Um mehr über die Organismen aus tausend und mehr Metern Tiefe zu erfahren, bedienen sich die Forscher komplizierter genetischer Untersuchungsmethoden. "Bei früheren Projekten wurden die gefundenen Mikroorganismen einfach in einer Nährlösung vermehrt", erzählt Hoth. "Wenn sich nicht alle Arten gleich schnell entwickelten, wurde dadurch die ursprüngliche Zusammensetzung der Probe verändert." Heute präparieren die Forscher die DNA der Archaeen und Bakterien heraus und verwenden dann das aus der Gentechnik bekannte Verfahren der "Polymerase-Kettenreaktion". In Verbindung mit der kontrollierten Vermehrung in Coli-Bakterien erhält man dann die DNA in so großem Umfang, dass eine umfassende Analyse der Lebensgemeinschaft im tiefen Untergrund möglich wird. Zur schnellen Charakterisierung der Mikroorganismen verwenden die Forscher das FISH-Verfahren: Bei dieser "Fluoreszenz in situ Hybridisierung" wird eine spezielle Test-Nukleinsäure mit einem fluoreszierenden Molekül gekoppelt und direkt nach der Probenentnahme zu den unbekannten Mikroorganismen gegeben. Passt die Nukleinsäure zur DNA (genauer: RNA) der untersuchten Archaea, lagert sie sich an und leuchtet bei Bestrahlung mit Licht in charakteristischen Farben. Damit ist das Ur-Bakterium zweifelsfrei identifiziert.

Die Forschungen von Nils Hoth und seinen Kollegen in den Arbeitsgruppen von Frieder Häfner und Michael Schlömann an der TU Bergakademie Freiberg kommen auch jenen Forschern zu Gute, die am 13. Juni im brandenburgischen Ketzin die erste Versuchs-Anlage in Deutschland zur unterirdischen Speicherung von Kohlendioxid in Betrieb genommen haben. Am 21. Juni wird Nils Hoth zudem seine Ergebnisse in Potsdam auf dem "Ersten deutsch-französischen Symposium über die geologische Speicherung von CO2" vorstellen. Es wird veranstaltet vom deutschen Programm GEOTECHNOLOGIEN und der französischen Agence Nationale de la Recherche (ANR), die ebenso wie das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Jahr 2005 ein Forschungsprogramm zur Speicherung von Kohlendioxid im Untergrund aufgelegt hat. Das Ziel des ersten französisch-deutschen Symposiums ist es, Spezialisten auf diesem Gebiet aus beiden Ländern zusammenzubringen und den Austausch unter ihnen zu fördern. Als mittelfristiges Ziel werden dabei auch bilaterale Forschungskooperationen angestrebt.

WR und MW, iserundschmidt 06/2007


Weitere Informationen zu RECOBIO finden Sie hier. Eine Übersicht zum "German-French Symposium on Geological Storage of CO2" finden Sie auf der Veranstaltungshomepage.

Verweise
Bild(er)