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Spuren im Stein

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

Die Speicherung von CO2 im Untergrund ist eine vieldiskutierte Option, um den Ausstoß an Treibhausgasen zu verringern. Doch welche Auswirkungen hat das eingeleitete CO2 auf das Gestein in der Tiefe? Diese Frage, die die langfristige Aufnahmefähigkeit unterirdischer Lagerstätten unmittelbar betrifft, behandelt das GEOTECHNOLOGIEN-Projekt COMICOR.

Mehr als die Hälfte der hiesigen Stromproduktion beruht auf der Verbrennung fossiler Energieträger, insbesondere von Kohle und Erdgas. Große Mengen des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) gelangen infolgedessen ungehindert in die Atmosphäre: In Deutschland sind es jährlich rund 300 Millionen Tonnen. Das könnte sich in Zukunft ändern. Denn Forscher arbeiten daran, das CO2 vom übrigen Abgas der Kraftwerke zu trennen und tief im Boden zu speichern. Im Fachjargon heißt dies „CO2-Sequestrierung“ oder „CCS-Verfahren“. Wie dauerhaft das Treibhausgas im Untergrund verweilt, ist allerdings eine der offenen Fragen. In der Praxis dürften zumindest geringe Mengen an CO2 allmählich wieder an die Oberfläche dringen. Als akzeptabel gilt es, wenn pro Jahr weniger als 0,01 Prozent des gespeicherten Treibhausgases entweichen. Dann wären nach 1.000 Jahren noch mindestens 90 Prozent der ursprünglich eingelagerten Menge im Untergrund vorhanden. Aber wie lässt sich einschätzen, ob eine Lagerstätte geeignet ist und solange „dicht“ hält?

 

Urzeitliche Spuren

Weil Erfahrungswerte über derart lange Zeiträume fehlen, trifft es sich gut, dass die Natur den Umgang mit CO2 seit Jahrmillionen selbst praktiziert. Im Erdinneren lagern nämlich riesige Mengen an Kohlenstoff. Dessen Verteilung ist eine Folge der zurückliegenden Erdgeschichte. Es handelt sich in der Erdkruste vor allem um organisches oder karbonatisches Material, das erst im Laufe der Zeit durch tektonische Ereignisse in die Tiefe gelangt ist. „Das größte Kohlenstoffreservoir unseres Planeten ist im Erdmantel zu finden“, sagt Professor Reinhard Gaupp, Geologe an der Universität Jena und Koordinator des Forschungsprojektes COMICOR. „Dieser Kohlenstoff kann sowohl in Methanform als auch in CO2-Form abgegeben werden. Bei vulkanischen Ereignissen wird CO2 aus ganz tiefen Quellen freigesetzt.“ Ein natürlicher Vorgang, der im Gestein Spuren, insbesondere chemische Veränderungen hinterlässt. Sie zu deuten, darum geht es bei COMICOR. „Mit unseren speziellen Messverfahren untersuchen wir natürliche CO2-Analoge. Also Gebiete, die mit Sicherheit oder hoher Wahrscheinlichkeit in der Vergangenheit bis heute stark von CO2 durchflutet wurden“, erläutert Gaupp. „Wir sehen uns an, wie sich bestimmte Gesteine dort von denen aus anderen Regionen unterscheiden. Und was von diesen Unterschieden wahrscheinlich auf die Wirkung von CO2 zurückzuführen ist.“ Von diesen Spuren aus der Urzeit erhoffen sich die Wissenschaftler Aufschluss über die Zukunft. Denn ihr Ziel ist es letztlich, bewerten zu können, ob ein Standort über viele Jahrhunderte für die CO2-Lagerung in Frage kommt.

 

Feldforschung in Hessen

COMICOR konzentriert sich in diesem Zusammenhang auf den Buntsandstein. Als aussichtsreichste CO2-Lager gelten nämlich salzwassergetränkte Sedimentschichten („saline Aquifere“) und erschöpfte Erdgaslager. In beiden Fällen handelt es sich um poröse Gesteinsformationen, wie sie im Buntsandstein oder im sogenannten „Rotliegenden“ vorkommen. „Die wichtigsten Erdgaslagerstätten in Mitteleuropa sind in Rotliegend-Sandsteinen und auch im Buntsandstein zu finden“, so Gaupp. „Das gilt für den gesamten Raum von England bis Polen.“ Für die Untersuchungen im Rahmen von COMICOR entschieden sich die Geowissenschaftler für Kernmaterial aus Tiefbohrungen und andere Gesteinsproben aus einer Region, die ungefähr von Kassel bis an die Grenze Thüringens reicht. In diesem Gebiet findet sich Buntsandstein, der über lange Zeiträume der Einwirkung von CO2 ausgesetzt war – und es teils auch heute noch ist. Denn ehemals herrschte hier aktiver Vulkanismus und die Zeichen dafür sind weiterhin gegenwärtig. „Im hessischen Raum ist CO2 auch heute noch auf dem Weg an die Oberfläche“, sagt der Jenaer Geoforscher. „Man kann etwa aus Messungen an Klüften und Störungen oder in Quellen belegen, dass immer noch geringe Mengen nach oben dringen.“

 

Komplexes Geschehen im Untergrund

In die entgegengesetzte Richtung strebt die CO2-Sequestrierung. Die Planungen sehen vor, das CO2 aus den Abgasen der Kraftwerke einige hundert Meter bis mehrere Kilometer tief unter der Erdoberfläche zu lagern. Dazu wird das Treibhausgas unter hohem Druck in den porösen Untergrund geleitet. Dort vorhandenes Wasser oder Gas wird vom einströmenden CO2 teilweise verdrängt. Außerdem schafft das CO2, das in Verbindung mit Porenwasser Kohlensäure bildet, ein eher saures Milieu. Dies wiederum führt zu chemischen Reaktionen, durch die sich Mineralien abscheiden können. Die Folgen sind komplex: Wird CO2 in fester Form, etwa als Karbonat gebunden, so ist dies einerseits günstig, weil das Treibhausgas dann nicht so leicht wieder an die Oberfläche zu steigen vermag. Doch die mineralischen Ausfällungen können die filigranen Hohlräume des Untergrundes auch verstopfen. „Das macht höheren Druck beim Injizieren erforderlich und auch mehr Geduld, weil man pro Zeiteinheit weniger Gasvolumen injizieren kann“, meint Gaupp. „Bei der Injektion dürfen wir das System nicht selbst versiegeln. Das ist ein Aspekt, der technisch beherrschbar sein muss und der unseren Blick auf bestimmte mineralische Phasen lenkt, die im Untergrund vorhanden sind.“ Als besonders wichtig hätten sich in diesem Zusammenhang bestimmte Tonmineralien herausgestellt, schildert der Geologe. Auf die vom CO2 bewirkte Versäuerung reagieren diese Mineralstoffe empfindlich. „Im alkalischen Umfeld sind einige von ihnen recht stabil. Aber sollte man da unten eher saure Verhältnisse einstellen, können sich Nanopartikel, also winzige Klümpchen bilden. Die können sich im Injektionsstrom bewegen und die Durchlässigkeit des Porensystems herabsetzen.“

 

Störungen im Gestein

Wie sich Gase und Flüssigkeiten im Gestein ausbreiten, ist ebenfalls ein Aspekt, der im Rahmen von COMICOR eingehend untersucht wird. Der Fokus liegt dabei auf Unregelmäßigkeiten im Gestein. Denn Gesteinsschichten sind selten perfekt übereinander gestapelt. Häufig werden sie unterbrochen von Rissen oder Störungen. „Das ist so, als hätten Sie eine geschichtete Torte auf den Boden fallen lassen“, beschreibt Gaupp diesen Zustand. Störungen treten insbesondere in engem Zusammenhang mit Erdgaslagerstätten auf. Daher ihre Bedeutung für die CO2-Sequestrierung. „Wenn Sie davon ausgehen, dass wir in Zukunft auf die ausgeförderten Erdgaslagerstätten abzielen, dann ist es ein wichtiger Aspekt, dass in vielen Fällen Störungen mitverantwortlich dafür sind, dass wir überhaupt eine Fangstruktur haben, die das Gas einschließt“, so Gaupp. „Störungen sind aber auch fortlaufende Risikofaktoren, es sind Sollbruchstellen, die bei einer tektonischen oder seismischen Beanspruchung eine Leckage erzeugen können.“


Projekt in der Zielgeraden

Nach drei Jahren der Datenerfassung setzen Gaupp und seine Kollegen nun zum Schlussspurt an: Im Jahre 2011 läuft das Projekt COMICOR aus. „Jetzt kommt, wenn man so will, die Erntephase“, meint der Geologe. „Nun geht es darum, die bisher gesammelten Daten mit Laborexperimenten und Modellrechnungen zu verbinden. Wir müssen uns nun intensiver mit physikalischen und chemischen Modellierungen befassen und diese mit dem vergleichen, was wir aus den experimentellen Laborversuchen gelernt haben.“ Überraschungen seien nicht ausgeschlossen, meint Reinhard Gaupp. „So manches, was wir uns an Konzeptionellem gedacht haben, müssen wir dann möglicherweise revidieren. Doch damit werden unsere Aussagen realitätsnäher und wir bewegen uns weg von Spekulationen hin zu physikalisch-chemisch fundierten Ergebnissen.“

MN, iserundschmidt 08/2010


Mehr zum Projekt COMICOR finden Sie hier auf den Seiten des GEOTECHNOLOGIEN-Programms.

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