Mit Isotopen auf der Spur des CO2

Neben dem Ziel, den Ausstoß an Treibhausgasen zu verringern, werden international noch weitere Maßnahmen gegen den Klimawandel verfolgt. Dazu gehört insbesondere die Speicherung von Kohlendioxid untertage. Aus Abgasen von Industrieanlagen stammendes CO₂ würde dabei tief unter der Erdoberfläche deponiert. „Ausgeförderte“ Öl- und Erdgasvorkommen gelten als mögliche Speicherstätten; ebenso wie poröse, von Wasser durchtränkte Gesteinsformationen. Im Fachjargon heißen diese Grundwasserleiter auch „Aquifere“.

Von Pilotprojekten abgesehen, befindet sich die CO₂-Speicherung noch in der Erprobung. Wie sich Kohlendioxid im Untergrund verhält, ist eine von vielen Fragen, die in diesem Zusammenhang untersucht werden. Seine Ausbreitung lässt sich beispielsweise aus der elektrischen Leitfähigkeit des Untergrundes ableiten. Die Interpretation der Messdaten ist allerdings kompliziert. In der Praxis dürften daher verschiedene Techniken zum Einsatz kommen, die sich gegenseitig ergänzen. Ein solches Verfahren entwickeln Geoforscher im Rahmen des Projekts „CO₂ISO-LABEL“: Sie setzen auf eine besondere Form der chemischen Analyse. „Unser Ziel ist es, die Ausbreitung von CO₂ und auch seine Wechselwirkung mit dem Grundwasser und Gestein mittels stabiler Isotopenmethoden zu überwachen“, erläutert Dr. Veith Becker vom GeoZentrum Nordbayern, einem Institut der Universität Erlangen-Nürnberg. Konkret geht es dabei um den Nachweis bestimmter Arten von Sauerstoff- und Kohlenstoffatomen, die typisch sind für bestimmte CO₂-Quellen und Prozesse.

„Damit können wir zum einen die Ausbreitung des CO₂ untersuchen. Aber wir arbeiten auch daran, bestimmte Prozesse zu identifizieren, die durch die CO₂-Injektion möglicherweise ausgelöst oder verstärkt werden“, so der Geoforscher. Beispiele dafür seien die Lösung von Kalk und die Aktivität von Bakterien, die im Untergrund siedeln. Das im Herbst 2011 gestartete Projekt wird für drei Jahre im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprogramms GEOTECHNOLOGIEN gefördert. Ein wichtiger Projektpartner für das Vorhaben ist die Arbeitsgruppe für Angewandte Geochemie der Universität im kanadischen Calgary.

Die Isotopenanalyse werde bereits zur Untersuchung des oberflächennahen Grundwassers genutzt, so Becker. In solch geringen Tiefen seien die Bedingungen vergleichsweise mild. Mögliche Speicherformationen für CO₂ würden jedoch viele hundert bis mehrere tausend Meter unter der Erdoberfläche liegen. „Was wir versuchen, ist die Übersetzung auf die extremeren Verhältnisse in großen Tiefen. Dort ist es sehr viel heißer, die Gewässer haben teilweise sehr hohen Salzgehalt und auch der enorme Druck spielt eine Rolle.“

Charakteristische Atome

CO₂ ist recht einfach aufgebaut, es besteht nur aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Von diesen Atomen gibt es allerdings verschiedene Ausführungen, diese werden auch „Isotope“ genannt. Zwei davon nehmen die Geoforscher ins Visier: „Kohlenstoff-13“ und „Sauerstoff-18“. Sie sind schwerer und auch seltener als die Kohlenstoff und Sauerstoffatome, die gemeinhin in der Natur vorkommen. Experimentell bestimmt wird letztlich das so genannte Isotopenverhältnis. Nimmt man Kohlenstoff als Beispiel, so spiegelt das Isotopenverhältnis die Häufigkeit von Kohlenstoff-13 im Vergleich zum hauptsächlich auftretenden Kohlenstoff wieder. Dieser Wert ist wie ein Fingerabdruck – daher der Projektname „CO₂ISO-LABEL, denn das englische Wort „Label“ bedeutet so viel wie „Kennung“ oder „Signatur“.

„Das Isotopenverhältnis ist in der Regel typisch für die Quelle des CO₂“, sagt Veith Becker. „Das Kohlendioxid, das im Untergrund gespeichert werden soll, stammt zumeist aus der Verbrennung fossiler Rohstoffe. In der Praxis würden wir uns dieses Verhältnis anschauen und auch die Situation im Untergrund vor der Injektion, wo je nach Standort bereits größere Mengen CO₂ im Formationswasser gelöst sein können.“ Nach der Einleitung des CO₂ würden erneut Gas- und Wasserproben aus der Tiefe entnommen. „Mit Isotopenanalysen kann man dann feststellen, ob und zu welchem Anteil der nachgewiesene Kohlenstoff tatsächlich aus dem eingeleiteten CO₂ stammt oder möglicherweise aus gelöstem Kalk“, betont Becker.

Einsatz bei Speicherung und Förderung

Anwendungspotential für die Isotopenanalyse gäbe es aber nicht nur in der CO₂-Speicherung. Becker sieht solche Möglichkeiten auch im Rahmen anderer Verfahren, die CO₂ in den Untergrund leiten. Dies gelte insbesondere für die Gas- und Erdölförderung mit Hilfe von Kohlendioxid. Bei dieser „enhanced gas recovery“ oder „enhanced oil recovery“ dient CO₂ als Treib- und Lösungsmittel. „Mit zunehmender Ausbeutung nimmt der Druck innerhalb einer Lagerstätte ab, so dass sich die Restvorkommen nicht mehr so gut oder gar nicht mehr fördern lassen“, meint Becker. „Wenn man nun Kohlendioxid injiziert, lässt sich einerseits der Druck erhöhen, andererseits löst sich CO₂ in Öl und senkt damit dessen Viskosität. Das Öl wird dünnflüssiger und kann leichter gefördert werden.“ CO₂-gestützte Förderung und CO₂-Speicherung würden auch oft miteinander kombiniert, so der Geowissenschaftler. Das zur Förderung eingesetzte Kohlendioxid würde dann zu großen Teilen im Untergrund verbleiben. Darüber hinaus können mit den in CO₂ISO-LABEL entwickelten Methoden auch neue Erkenntnisse über das Verhalten von natürlichem CO₂ im tiefen Untergrund gewonnen werden.

Experimente im Druckreaktor

Feldversuche sind im Rahmen von „CO₂ISO-LABEL“ allerdings nicht vorgesehen. Vielmehr untersuchen die Forscher die in der Tiefe stattfindenden Prozesse unter kontrollierten Laborbedingungen. Hier gibt es zahlreiche offene Fragen. Im Untergrund trifft das Kohlendioxid insbesondere auf Wasser und Minerale. Mit diesen kann es in vielfältiger Weise reagieren: So bildet es in Kontakt mit Wasser Kohlensäure – eine Versauerung, die die Auflösung von Kalkgestein bewirken kann. Weil Kalk aus Calciumcarbonat (CaCO₃) besteht, können in der Folge Minerale gelöst werden, die wie das eingeleitete CO₂ ebenfalls Kohlenstoff und Sauerstoff enthalten. Druck und Temperatur und auch die Anwesenheit von Bakterien haben Einfluss auf das Geschehen. „Bei diesen Prozessen kann es auch zu einer Isotopenfraktionierung kommen. Das heißt, es wird bevorzugt ein bestimmtes Isotop aus dem Gas oder dem Formationswasser entzogen“, sagt Becker. „Dadurch ändert sich das Isotopenverhältnis, was uns prinzipiell die Möglichkeit bietet, solche Vorgänge per Isotopenanalyse nachzuvollziehen.“

Neue Erkenntnisse versprechen sich die Forscher von Experimenten in einem Druckbehälter, in dem Wasser, Kohlendioxid und Feststoffe bei regulierbaren Bedingungen miteinander reagieren können. Temperaturen bis 200 Grad Celsius und bis zum Zweihundertfachen des normalen Luftdrucks sind bei den Versuchen vorgesehen. „Für die Untersuchungen können wir nicht nur synthetische Stoffe verwenden, sondern auch Materialproben von repräsentativen Standorten“, sagt Becker. „Das ist einer der Gründe für unsere Kooperation mit der Universität Calgary. Die dortigen Kollegen kommen relativ leicht an entsprechendes Material.“ Allerdings sieht die kanadische Öl- und Gasindustrie die Ausfuhr von Probenmaterial ins Ausland recht kritisch, so der Geoforscher. „Die Arbeitsaufteilung in unserem Projekt basiert deshalb darauf, dass wir die Untersuchungen mit synthetischen Materialien in Deutschland durchführen und die Experimente mit realen Proben in Kanada.“

Forschungsaufenthalt in Übersee

Vor wenigen Monaten erst ist „CO₂ISO-LABEL“ gestartet. Nachdem das Einrichten und Testen der Messapparaturen nun weitgehend abgeschlossen ist, sollen in Kürze die ersten Laborversuche beginnen. „Wir verlassen so langsam die Planungsphase“, sagt Veith Becker, der sich auf einen bevorstehenden Ortswechsel einstellt. „Ich selbst werde im Frühjahr nach Kanada fliegen und dann für ein Jahr dort arbeiten.“

MN, iserundschmidt 01/2012