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Salzwasser auf Wanderschaft

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:37 — abgelaufen

Eine mögliche Maßnahme gegen den Klimawandel ist die Speicherung von CO2 aus Industrieabgasen in tiefen Gesteinsschichten. Das Forschungsprojekt BRINE untersucht zwei Aspekte dieser Technologie: die Verlagerung von Salzwasser im Untergrund und die Kombination mit der geothermischen Energiegewinnung.

„CCS“: Dieser Fachbegriff ist in jüngster Zeit immer wieder auch in der Tagespresse zu lesen. CCS – Carbon Capture and Storage – steht für die Abtrennung, den Transport und die Speicherung von Kohlenstoffdioxid (CO2) untertage. Das Verfahren, das sich noch in der Entwicklung befindet, zielt darauf ab, CO2 von der Atmosphäre fernzuhalten und den Ausstoß an Treibhaugasen in die Atmosphäre effektiv zu verringern. In diesem Zusammenhang wird diskutiert, insbesondere jenes CO2, das durch Chemie-, Kohlekraft-, Stahl- und Zementwerken entsteht, aufzufangen und tief im Untergrund zu lagern. Im Rahmen des Forschungsprojektes BRINE befassen sich auch Geowissenschaftler aus Potsdam und Cottbus mit dieser Technologie. Die Untersuchungen sind Bestandteil des Forschungs- und Entwicklungsprogramms GEOTECHNOLOGIEN. Der Fokus von BRINE liegt dabei weniger auf den eigentlichen Speichervorgang, sondern auf anderen wichtigen Aspekten der CO2-Speicherung.

„Brine ist das englische Wort für Salzwasser. Und genau damit befassen wir uns in diesem Projekt“, erläutert Dr. Thomas Kempka vom Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam. „Wir haben zwei Ziele: Einerseits die geothermische Energiegewinnung im Rahmen der CO2-Speicherung. Andererseits die Überwachung der Salzwassermigration, also der Verlagerung des Salzwassers, die zum Beispiel infolge einer Speicherung von CO2 auftreten könnte.“ Dazu werde ein auf geophysikalischen Methoden beruhendes Frühwarnsystem entwickelt, so der Projektleiter. „Es geht darum, eine mögliche Migration von Salzwasser und damit eine potenzielle Gefährdung von trinkwasserführenden Schichten möglichst frühzeitig zu erkennen und zu bewerten.“

Verdrängtes Salzwasser

Gesteinsformationen, die für die Speicherung von CO2 infrage kommen, liegen tiefer als 700 Meter unter der Erdoberfläche. Es handelt sich um „saline Aquifere“, poröse, von salzigem Wasser durchsetzte Gesteinsschichten. „Meerwasser hat im Durchschnitt einen Salzgehalt von 3,5 Prozent“, so Kempka. „Der Salzgehalt in den Aquiferen ist stark abhängig von der Entstehungsgeschichte der Formation. In den für die CO2-Speicherung relevanten Formationen unseres Untersuchungsgebietes in Brandenburg liegt er zwischen 20 bis 25 Prozent.“

Landschaft untertage

Landschaft untertage: Geologisches Modell des Untergrunds im Untersuchungsgebiet (beginnend bei ca. 500 Metern Tiefe bis in eine Tiefe von über 2000 Metern). Die beiden roten Markierungen zeigen die Orte von Injektions- sowie Produktionsbohrung. (Bild: © Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ)

 

Bei der CO2-Speicherung kann dieses Salzwasser durch das eingeleitete Kohlenstoffdioxid verdrängt werden. Damit beginnt die Verlagerung des ursprünglich im Porenraum des Gesteins vorhandenen Salzwassers. Die Frage ist nur wohin? Könnte es vielleicht ins Trinkwasser gelangen und dieses versalzen?

„Hierzulande kann man Süßwasser ortsabhängig bis hinab zu Tiefen von etwa 400 Metern antreffen“, so Kempka. „Darunter gibt es in der Regel ein Barrieregestein, also eine Formation, die schlecht durchlässig ist. Sie bildet die Grenze zum tiefer liegenden Salzwasser.“ Risse und Störungen in dieser Barriere seien mögliche Wege für Salzwasser, das aus den Speicherformationen verdrängt wird. Das Salzwasser könnte dadurch in jene Gesteinsschichten aufsteigen, die Süßwasser enthalten und aus denen auch Trinkwasser gewonnen wird. „Wie müsste man solche Schwachstellen überwachen? Dies ist eine der Fragen, die uns interessieren“, sagt der Potsdamer Geowissenschaftler.

In diesem Zusammenhang entwickelt Kempkas Team gemeinsam mit Wissenschaftlern der BTU Cottbus ein Frühwarnsystem, das die Ausbreitung von Salzwasser im Untergrund erfassen soll. Die erfassten Messdaten stammen von stationären und mobilen Sensoren am Boden, in Bohrlöchern oder an Bord von Ultraleichtflugzeugen. „Unser Konzept beruht auf der Kopplung verschiedener geophysikalischer Verfahren. Denn nicht alle Methoden haben in der gewünschten Tiefe eine hinreichend hohe Auflösung.“ Die verschiedenen Verfahren machen sich natürliche wie auch künstliche elektromagnetische Felder zunutze. Im Ergebnis liefern sie Angaben über die elektrische Leitfähigkeit des Untergrundes. „Mit der Magnetotellurik beispielsweise schauen wir ziemlich weit in die Tiefe“, so Kempka. „Im Bereich zwischen 100 Metern bis fünf Kilometern haben wir je nach Lokalität sogar eine hinreichend gute Auflösung.“ Was dicht unter der Erdoberfläche und in Bohrlochnähe geschieht, könne man damit aber nur schwer feststellen. Für diesen Bereich setzen die Forscher insbesondere auf die elektrische Widerstandstomografie und Elektromagnetik. „Damit lässt sich sehr gut zwischen leitfähigem Salzwasser, weniger leitfähigem Süßwasser und gar nicht leitendem CO2 unterscheiden.“

Feldversuche finden in Brandenburg statt. Dort existiert eine Bundsandsteinformation, deren Eignung als CO2-Speicher derzeit wissenschaftlich untersucht wird. Die Untersuchungen von BRINE konzentrieren sich dabei auf die natürliche Verbreitung von Salzwasser im Untergrund. „Wir leiten im Rahmen des Projektes kein CO2 in Boden, sondern testen die Überwachungsmethodik anhand der natürlichen Verhältnisse“, betont Kempka. Der Untergrund in Brandenburg sei aus geologischer Sicht sehr interessant. So verlaufe die Grenze zwischen Süß- und Salzwasser durchschnittlich in einer Tiefe von 100 bis 200 Metern und darüber hinaus – im Vergleich zum Bundesdurchschnitt – auch relativ dicht unter der Erdoberfläche. In manchen Regionen gebe es sogar eine natürliche Versalzung der oberen Grundwasserleiter. „Es kann sein, dass man in Beobachtungsbrunnen gar nicht auf Süßwasser stößt, weil das Salzwasser bis zur Geländeoberkante reicht.“

Kombination mit Geothermie

Während es einerseits gilt, ein Aufsteigen des Salzwassers zu verhindern, geht es beim zweiten Projektschwerpunkt von BRINE um dessen gezielte Förderung. Denn das Wasser der Grundwasserleiter ist warm – eine Energie, die sich abschöpfen ließe. „Es wird häufig diskutiert, dass Geothermie und CO2-Speicherung die gleichen Formationen nutzen und somit miteinander konkurrieren“, erläutert Kempka. „Doch es geht auch anders. Durch Modellrechnung konnten wir bereits zeigen, dass man beides sogar gewinnbringend miteinander verknüpfen kann.“

Dies würde mithilfe von „Druckentlastungbrunnen“ geschehen: Sie wirken wie Ventile, durch die die sich der Druck regulieren lässt. „Wenn man große Mengen CO2 in den Untergrund injiziert, baut sich in der Tiefe Druck auf. Nun hat jede Gesteinsformation einen hydraulischen Rissbildungsdruck, bei dessen Überschreitung es zu Entlastungsrissen kommt. Dabei können sich auch Risse im Abdeckgestein ausbilden“, erläutert Kempka. Druckentlastungsbrunnen, die Wasser aus der Speicherformation fördern, würden dem entgegenwirken. „Dadurch kann der Druck in der Formation gesteuert werden. Doch man steht nun vor der Frage: Wohin mit dem salzigen Wasser? Das kann man natürlich nicht einfach in einen Fluss leiten. Deshalb studieren wir die Idee, das Wasser geothermisch zu nutzen.“

 

Temperaturänderung CO2-Injektion

Temperaturänderung im Umfeld der Injektionsbohrung nach 20 Jahren CO2-Injektion bei gleichzeitiger Injektion des geförderten Salzwassers (T ist die Temperatur in °C) (Bild: © Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ)

 

Bei dieser Vorgehensweise würde dem aus der Tiefe geförderten Wasser zunächst Wärme entzogen. Im Anschluss ginge das abgekühlte Wasser – gemeinsam mit dem zu speichernden CO2 – zurück in den Untergrund. „Wir haben also einen geschlossenen Kreislauf, den die salzhaltigen Formationsfluide nicht verlassen“, so Kempka. Der Druck in der Formation ließe sich regulieren, obwohl das Wasser wieder in den Boden gelangt. „Durch standortabhängige Positionierung der Entlastungbrunnen könnte man den Druck in bestimmten Gebieten gezielt senken. Etwa in der Nähe von Störungszonen, die für eine mögliche Reaktivierung und damit Ausbildung von potenziellen Leakagewegen besonders anfällig sein könnten“, erklärt Kempka.

Weitere Untersuchungen

Das Projekt BRINE wird noch bis April 2013 im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Programms gefördert. Bis dahin haben sich die Forscher noch viel vorgenommen. Schon im Frühjahr 2012 planen sie eine groß angelegte Messkampagne mittels Magnetotellurik zur Aufzeichnung natürlicher elektromagnetischer Felder im Untersuchungsgebiet. Auf dem Programm stehen überdies Messungen der Gesteinsfestigkeit und weitere Modellrechnungen.

MN, iserundschmidt 12/2011


Weitere Informationen zum Projekt BRINE finden Sie hier.