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Wenn CO2 im Grundwasser blubbert

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 29.11.2011 16:57

Die Speicherung von Kohlendioxid im Untergrund ist eine vieldiskutierte Möglichkeit, um den Ausstoß an Treibhausgasen zu verringern. Doch was geschieht, wenn dabei CO2 ins Grundwasser dringt? Das GEOTECHNOLOGIEN-Projekt „CO2-Leckage“ untersucht diese Situation.

Ob Sekt oder Selters: Kohlendioxid gibt so manchem Kaltgetränk die besondere Note. Es ist geschmacksneutral, geruchlos und lässt nicht nur feine Gasperlen sprudeln, sondern gelöst in Wasser, auch Kohlensäure entstehen. In Getränken ist die Versauerung – Fachleute sprechen von niedrigem pH-Wert – Teil des Geschmackserlebnisses, im Grundwasser hingegen nicht unbedingt erwünscht. „Die Kohlensäure ist ungiftig, aber der pH-Wert sinkt. Und diese Absenkung kann zu weiteren Reaktionen führen“, erläutert Dr. Anita Peter vom Institut für Geowissenschaften der Universität zu Kiel. Demnach könnten aus dem Sediment, mit dem das Grundwasser in Kontakt steht, Ionen freigesetzt werden oder auch Mineralstoffe in Lösung gehen. „Das muss nicht gefährlich sein, sollte aber untersucht werden. Gewisse Spurenelemente oder Schwermetalle wie Blei möchte man sicher nicht im Wasser haben.“

Neue Einblicke in solche Vorgänge verspricht ein Feldversuch, den Anita Peter gemeinsam mit Kieler Kollegen sowie Geowissenschaftlern des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung in Leipzig und Halle sowie der Ingenieurfirma GICON aus Dresden unternommen hat. Das Forscherteam injizierte Kohlendioxid ins Grundwasser und beobachtete die Reaktionen im Boden mit Hilfe von Grundwasserprobenahmen, geophysikalischen Methoden und Sensoren. „Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es einerseits, die geochemischen Auswirkungen von CO2 auf oberflächennahes Grundwasser zu untersuchen. Andererseits testen wir Monitoring-Methoden, mit denen sich das CO2 entweder direkt oder seine Auswirkungen nachweisen lassen“, so Peter. Das Experiment ist weitgehend wissenschaftliches Neuland, ähnliche Untersuchungen sind bislang nur aus den USA bekannt. „Unser Versuch ist weltweit der zweite seiner Art“, sagt die Projektkoordinatorin.


Beitrag zur Risikobewertung von CO2-Speichern

Die Studie mit dem Titel „CO2-Leckage“ wird noch bis zum Jahresende im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprogramms GEOTECHNOLOGIEN gefördert. Hintergrund des Projekts ist die vieldiskutierte Lagerung („Sequestrierung“) von Kohlendioxid unter der Erde. Deren Ziel: Das bei industriellen Prozessen freiwerdende Treibhausgas – wie jenes, das durch Verbrennung von Kohle in Kraftwerken entsteht – soll ferngehalten werden von Atmosphäre und Klimageschehen. Mögliche Speicherstätten für Kohlendioxid befinden sich in großer Tiefe, eine Auswirkung auf oberflächennahes Grundwasser – es speist unter anderem Bäche und Brunnen – gilt als unwahrscheinlich, wenn auch nicht ausgeschlossen.


Versuchsfeld in Brandenburg

Mit welchen Folgen hätte man also zu rechnen, sollte das Treibhausgas aus unterirdischen Formationen entweichen und doch ins Grundwasser gelangen? Auf einem Areal bei Wittstock in Brandenburg, das von der Sowjet-Armee einst als Flughafen genutzt wurde, ist das Forscherteam der Sache nachgegangen.

„Man kann sich natürlich fragen, ob man für solche Untersuchungen überhaupt ins Gelände gehen muss“, gibt Peter zu bedenken. In der Tat könne man viele Erkenntnisse auch aus Laborstudien ableiten. Doch viele Fragestellungen ließen sich nur unter realen Bedingungen überprüfen, betont die Geoforscherin. „Die Erkenntnisse, die wir so gewinnen, sind zwar spezifisch für die Lage und nur bedingt übertragbar auf andere Standorte. Trotzdem dienen sie dem grundlegenden Verständnis und helfen, Modelle zu parametrisieren. Und solche Modelle ermöglichen wiederum Aussagen, auch über andere Standorte.“

Bei der Suche nach einem Testgelände habe man sich von einer Vielzahl von Kriterien leiten lassen, erläutert die Kieler Geoforscherin. Auf der Wunschliste der Wissenschaftler stand eine leicht zugängliche, möglichst brachliegende Fläche, ohne landwirtschaftliche Nutzung, Baumbewuchs und Leitungen im Boden. „Da kommt man dann relativ schnell auf militärische Liegenschaften“, meint Peter. Auch die Beschaffenheit des Bodens war angesichts der geplanten Bohrarbeiten ein Entscheidungsmerkmal. „Zielobjekt“ sollte daher ein „quartärer“ Grundwasserleiter sein. Solche Sedimentschichten, deren Entstehung auf die letzte Eiszeit zurückgeht, sind in der Regel sandig und damit leicht zu durchbohren.


CO2-Spritze für den Boden

Die Einleitung des Kohlendioxids in den Untergrund – im Fachjargon „Injektion“ genannt – geschah im Frühjahr dieses Jahres. „Über einen Zeitraum von zehn Tagen haben wir CO2 in 18 Meter Tiefe injiziert und zwar an drei Stellen gleichzeitig“, berichtet Anita Peter. „Die Injektionsrate lag bei jeweils 18 Gramm CO2 pro Minute. Das entspricht in etwa dem CO2-Gehalt von drei Litern Sprudelwasser. Das ist eine verhältnismäßig geringe Menge.“

Sondierungen und Bau der Injektionslanzen

Sondierungen und Bau der Injektionslanzen (Bild: D. Steinbrückner, UFZ)

Im Abstand von jeweils fünf Metern wurden dazu drei sogenannte Injektionslanzen bis in den  Grundwasserleiter getrieben. In dieser porösen, wasserdurchtränkten Gesteinsformation – Hydrologen sprechen von „Aquifer“ – breitete sich das eingeleitete Gas allmählich aus, insbesondere in Richtung Erdoberfläche. „Das ist ähnlich wie bei einem Sprudelstein in einem Aquarium“, beschreibt Peter die Situation. „Das gasförmige CO2 steigt solange auf, bis es entweder komplett im Wasser gelöst ist oder bis das Gas eine undurchlässige Schicht erreicht. In unserem Fall ist das eine Deckschicht aus Lehm in etwa zehn Metern Tiefe.“ Während des Aufstiegs löst sich das Kohlendioxid teilweise im Wasser, wobei zunächst Kohlensäure entsteht, die mit dem Sediment reagieren kann. Da Grundwasser keineswegs bewegungslos ist, werden aufsteigendes Kohlendioxid und etwaige Lösungsprodukte mit der Strömung im Untergrund verteilt. „Es bildet sich eine Art Wolke, die breitet sich aus und wandert, löst sich dabei aber zunehmend auf“, sagt die Geoforscherin. Modellrechnungen im Vorfeld und auch die nachträglichen Messungen hätten gezeigt, dass sich der Einfluss des Versuchs auf ein Areal von etwa 30 mal 70 Metern beschränkte. „Die Wolke hat sich dann soweit aufgelöst, dass sich wieder die natürlichen Verhältnisse eingestellt haben werden“, so Peter.


Vielfältige Messtechnik

Das Experiment wurde mit verschiedenen Methoden überwacht. An 34 Messstellen wurden regelmäßig Wasserproben entnommen, teils in unterschiedlicher Tiefe. Die letzte Entnahme im Rahmen des Forschungsprojektes fand Ende Oktober und damit lange nach der Injektion statt, die Anfang April abgeschlossen war. „Diese Proben wurden umfangreich analysiert auf Ionenkonzentrationen und Kohlenstoffgehalt, denn es ist die Konzentration an anorganischem Kohlenstoff, die mit der Lösung von CO2 zunimmt. Außerdem haben wir beispielsweise den pH-Wert und die elektrische Leitfähigkeit des Wassers gemessen“, sagt Peter. „Die Auswertung und Interpretation der Ergebnisse dauert noch an. Allein für das Grundwasser-Monitoring haben wir über 20.000 Datensätze erhoben. Diese auszuwerten, benötigt eine gewisse Zeit.“

Neben der regelmäßigen Entnahme von Wasserproben kamen so genannte Multiparameter-Sonden zum Einsatz. Diese ermöglichten eine ständige Aufzeichnung diverser Messgrößen, beispielsweise der Temperatur. Zudem wurde mittels Elektroden an Bohrungen der elektrische Widerstand des Untergrundes erfasst. Von gasförmigem Kohlendioxid ist nämlich eine Erhöhung des elektrischen Bodenwiderstands zu erwarten. Geht Kohlendioxid jedoch in Lösung, können Folgereaktionen wie die Freisetzung von Ionen eine Abnahme des elektrischen Widerstands bewirken. Ursache ist die Zunahme an elektrisch geladenen Teilchen (Ionen) im Grundwasser. „Der Einsatz von geolektrischen Methoden zur Beobachtung von CO2 ist unseres Erachtens neu“, meint Peter. „Die Methode hat gut funktioniert. Wir haben sehr schön eine Abnahme des elektrischen Widerstandes durch die Erhöhung der Leitfähigkeit messen können.“ Innovativ war überdies die Verwendung eines Gassensors, der das Kohlendioxid im Boden auch direkt nachweisen konnte.

Aufbau der Geoelektrik

Aufbau der Geoelektrik (Bild: D. Steinbrückner, UFZ)

Verteilung des CO2

Die Messungen zeigten, dass sich das Kohlendioxid im Untergrund keineswegs gleichmäßig verteilte. „Wir haben in 18, 15 und 12 Metern Tiefe Proben genommen. Die höchsten Konzentrationen an CO2 sehen wir entweder unten oder ganz oben“, sagt Peter. Dies sei wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die Quelle des Kohlendioxids am unteren Rand der Grundwasserleiters liege und sich anderseits aufsteigendes Gas unter der undurchlässigen Deckschicht ansammeln würde. Zur eher geringen Kohlendioxid-Konzentration in mittlerer Tiefe äußert die Geoforscherin eine Vermutung: „Dort liegt eine gut durchlässige Schicht aus Grobsand und Feinkies. Die Strömungsgeschwindigkeit des Grundwassers ist hier möglicherweise relativ groß, so dass das CO2 schneller verdünnt wird.“

Die Berechnung im Vorfeld hätten die Messergebnisse zum Teil treffend voraussagen können, aber auch Grenzen aufgezeigt, meint Anita Peter. „Die Injektion von CO2 führte zu einer Erhöhung der Konzentration von Hydrogencarbonat in einer Größenordnung, wie wir sie berechnet hatten. Auch die Abnahme des pH-Wertes von knapp 7 bis auf etwa 5 entspricht in etwa dem, was wir vorab simuliert haben. Was schwieriger zu simulieren war, ist die Freisetzung von Ionen.“

An einigen Messpunkten habe man einen Anstieg, an anderer Stelle eine Abnahme der Konzentration bestimmter Ionen beobachtet. „Überall stellt sich wie erwartet das Ausgangsniveau wieder ein, wenn die Wolke vorbeigezogen ist“, sagt Peter. „Doch bis zu diesem Stadium, sehen wir räumlich große Unterschiede. Ursache könnte eine stark variierende Mineral- und Sedimentzusammensetzung des Untergrundes sein. Vorab hatten wir aufgrund von Probebohren eigentlich den Eindruck, unser Aquifer sei relativ homogen. Aber solche Bohrungen können nur einen lokalen Eindruck vermitteln.“

Wichtig für ein Verständnis der stattfindenden Reaktionen seien Modellrechnungen. „Aus dem Monitoring sehen wir zwar Konzentrationsänderungen, aber wir kennen nicht deren Ursache“, betont Peter. „Solche Berechnungen sind komplex, da unzählige Parameter einfließen. Hier stecken wir noch in der Modellierung.“ Vorläufe Ergebnisse würden jedoch darauf hindeuten, dass die Freisetzung von Ionen hauptsächlich per Desorption erfolgt – ein Vorgang, bei dem sich mineralische Feststoffe nicht vollständig auflösen, sondern nur einzelne Ionen vom Festkörperverband abgegeben werden.


Ausblick

Noch arbeitet das Forscherteam an der Auswertung der Messdaten. Insofern lassen sich aus dem Experiment bei Wittstock bisher nur bedingt generelle Aussagen ableiten: „Für einen anderen Standort könnte man wohl die Ausbreitung des CO2 und den pH-Wert gut abschätzen, würde sich aber schwer tun mit der Prognose der Konzentrationsveränderungen von Spurenelementen und Schwermetallen“, meint Anita Peter. Doch langfristig verspreche man sich aus Feldversuchen wie „CO2-Leckage“ Empfehlungen abzuleiten, wie etwaige Kohlendioxid-Speicher idealerweise zu beobachten sind. „Ähnliche Untersuchungen gab es bislang nur im US-Bundesstaat Montana. Weitere sind in Dänemark und in größerer Tiefe auch in Norwegen geplant. Von einer Gesamtschau solcher Felduntersuchungen erhoffen wir uns Erkenntnisse, die nicht für einen bestimmten Standort gelten, sondern von grundsätzlicher Bedeutung sind. Diese könnten dann in ein Monitoring-Konzept für CO2-Speicher einfließen.“

MN, iserundschmidt 11/2011


Mehr Infos zum Projekt „CO2-Leckage“ und den übrigen Projekten des Förderschwerpunkts „Technologien für eine sichere und dauerhafte Speicherung des Treibhausgases CO2 II“ finden Sie hier.