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Wie funktioniert die CO₂-Speicherung im tiefen Untergrund?

23.05.2012 von

Zukünftige Schweizer Gaskraftwerke müssen ihre CO₂-Emissionen per Gesetz zu 70% im Inland kompensieren. Besser fürs Klima wäre, wenn das CO₂ gar nicht erst in die Luft gelangen würde. Möglich macht dies die hierzulande noch wenig bekannte Carbon Capture and Storage Technologie (CCS).

Um 70% ihrer CO₂-Emissionen im Inland zu kompensieren, müssten zukünftige Schweizer Gaskraftwerke nach heutiger Ausgangslage Projekte wie Gebäudesanierungen oder Erdwärmeheizungen mitfinanzieren. Günstige und mit vertretbarem Aufwand realisierbare Projekte in der Schweiz sind in ihrer Zahl jedoch insgesamt begrenzt, so dass die Kompensationskosten pro Kraftwerk mit jedem Betriebsjahr steigen werden. Ausserdem werden die verfügbaren inländischen Kompensationsprojekte dringend benötigt, damit die Schweiz ihre international vereinbarten CO₂-Reduktionsziele erreichen kann.

Eine Alternative bietet die Carbon Capture and Storage Technologie (CCS): Statt auf Kompensation zielt CCS darauf ab, das bei der Gasverbrennung entstehende CO₂ abzuscheiden und an einem geeigneten Ort im tiefen Untergrund zu speichern.

Abbildung 1: Bestehende und geplante CCS-Projekte weltweit (Stand 2011).«Large scale integrated project» bedeutet, dass ein Projekt CO₂-Abscheidung, -Transport und -Speicherung umfasst. Dies im Umfang von mindestens 400‘000 Tonnen CO₂ pro Jahr für Gaskraftwerke und von mindestens 800‘000 Tonnen CO₂ pro Jahr für Kohlekraftwerke.

Für die CO₂-Abscheidung stehen verschiedene Prozesse bereit, von denen die meisten in der Verfahrenstechnik seit Jahrzehnten erfolgreich zum Einsatz kommen. Die CO₂-Speicherung wird momentan international in verschiedenen Projekten und Forschungsprogrammen weiterentwickelt und auch schon industriell angewendet, so zum Beispiel seit 16 Jahren im Norwegischen Sleipner-Projekt (vgl. Abbildung 1).

Trillionen von Poren und eine Deckschicht bilden den Speicher

Eine Speicherformation besteht aus einer durchlässigen Gesteinsschicht (z. B. Sandstein) und einer darüber liegenden dichten Deckschicht (z.B. Tongestein). In grosser Tiefe von mindestens 800 m enthält der Porenraum der durchlässigen Gesteinsschicht sehr salzhaltiges, ungeniessbares Wasser. Genannt wird diese Schicht «saliner Aquifer». CO₂ wird nun beispielsweise bei einem Gaskraftwerk abgeschieden und gezielt in diesen Porenraum gepumpt. Der dafür verwendete Injektionsdruckübersteigt denjenigen der Umgebung nur um wenige bar – gerade um so viel, dass das CO₂ das Speichergestein durchdringen kann, ohne dieses zu beschädigen. CO₂ ist bei diesem Druck stark verdichtet und verhält sich ähnlich einer Flüssigkeit. Allerdings ist das verdichtete CO₂ etwas leichter als Salzwasser, weshalb es Auftrieb erhält. Die Deckschicht verhindert jedoch den auftriebsbedingten Aufstieg und zwingt das CO₂, sich im Porenraum des salinen Aquifers horizontal zu verteilen. Nebst der undurchlässigen Deckschicht sorgen weitere physikalische und chemische Prozesse für die Dauerhaftigkeit der Speicherung. Dank der Kombination von drei Speichermechanismen stabilisiert sich das CO₂ mit der Zeit von selbst immer weiter (siehe auch Abbildung 2):

Abbildung 2: Physikalische und chemische Prozesse sorgen für die Dauerhaftigkeit der CO2-Speicherung im salinen Aquifer: 1. Immobilisierung durch Tröpfchenbildung, 2. Auflösung im Salzwasser, 3. Umwandlung in Feststoffe (Mineralisierung).

 

  1. Immobilisierung durch Tröpfchenbildung: Bei der Ausbreitung des CO₂ im Speichergestein bleiben kleine CO₂-Tröpfchen an den engen Verbindungen einzelner Poren hängen und werden dadurch effektiv immobilisiert.
  2. Auflösung im Salzwasser: Rund um die Tröpfchen löst sich CO₂ im Salzwasser und bildet Kohlensäure. Die Dichte dieser Lösung ist höher als diejenige des umliegenden, CO₂-freien Salzwassers. Die Lösung sinkt deshalb ab und verwahrt das CO₂ am Grund des salinen Aquifers.
  3. Umwandlung in Feststoffe: Die Mineralogie der meisten in Frage kommender Speicherschichten ermöglicht eine Reaktion des kohlensäurehaltigen Salzwassers mit dem Gestein des salinen Aquifers zu Karbonaten (z.B. Kalk oder Dolomit). Dies geschieht nur sehr langsam, doch in mineralisierter Form bleibt CO₂ über Jahrmillionen stabil gespeichert.

Erfahrungen mit der CO₂-Speicherung liefern zum einen die bereits bestehenden Projekte. Zum anderen nützen auch die Erfahrungen aus Erdgas-Speichern in salinen Aquiferen, die zum Ausgleich saisonaler Bedarfsschwankungen betrieben werden. Allein in Deutschland sind 23 solcher Erdgas-Porenspeicher in Betrieb, einer davon direkt unter Berlin (siehe Abbildung 3).

Unbegründete Ängste in der Bevölkerung durch fehlendes Wissen

Im Unterschied zu den als nützlich wahrgenommenen Erdgasspeichern, begegnen Anwohner der CO₂-Speicherung im Untergrund mit grosser Skepsis. Gerade in Deutschland zeichnet sich entschiedener Widerstand ab. Untersuchungen zeigen jedoch, dass die ablehnende Haltung der Bevölkerung vorwiegend auf emotionale Eindrücke gestützt ist. Fakten bezüglich der naturwissenschaftlichen Grundlagen, Nutzen und Risiken von CCS sind der Bevölkerung kaum bekannt. Zusätzlich schüren Kritiker der CSS-Technologie unbegründete Ängste durch die Verbreitung falscher Bilder (CO₂-Geysir im Einfamilienhausquartier) und dem Gebrauch von reisserischem Vokabular («geologische Zeitbombe»). Deshalb kommt den Medien und der Wissenschaftskommunikation allergrösste Bedeutung zu. In der Schweiz sollten wir die Chance nicht verpassen, mittels neutraler, qualitativ hochstehender und trotzdem leicht verständlicher Informationen die Basis für eine rationale öffentliche Debatte über Vor- und Nachteile von CCS zu schaffen.

Abbildung 3: Untertage Erdgas-Speicher in Deutschland (Quelle: Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie, LBEG).

 

Zu den Autoren

Diesen Blogbeitrag hat Mischa Werner gemeinsam geschrieben mit Daniel Sutter. Beide sind Doktoranden am Laboratorium für Trennprozesse der ETH Zürich.

Veranstaltungshinweis: Rollout-Anlass Fokusprojekte 2012

Die Fokusprojekte ermöglichen Maschinenbau-Studierenden der ETH Zürich, ihr theoretisches Wissen in der Praxis anzuwenden. Während zweier Semester entwickeln sie – mit Unterstützung von Studierenden verschiedener Fachhochschulen – selbständig ein Produkt. Ausgehend von einer innovativen Projektidee durchschreiten die Teams dabei realitätsnah alle Prozesse der Produktentwicklung: Konzeption, Entwurf, Simulation, Engineering, Produktion, Design und Marketing.

Am diesjährigen Rollout wird auch das Projekt «Carbon Storage Showcase» präsentiert. Mit diesem Projekt versuchen die Studierenden, die Injektion und Ausbreitung von CO2 in einem salzwasserhaltigen Grundwasserträger (saliner Aquifer) in einem Glaskasten visuell darzustellen.

Der Rollout-Anlass findet statt am Freitag, 25. Mai 2012, um 16.15 Uhr in der Haupthalle der ETH Zürich. Weitere Informationen

Lesetipp

 





Kommentare (11) >Alle Kommentare aufklappen>Alle Kommentare zuklappen

Sehr geehrter Herr Müller,
Ziel des Blogbeitrags war es, die physikalischen und chemischen Prozesse und die Funktionsweise der CO2-Speicherung in einem salinen Aquifer allgemein verständlich zu erklären. Eine gebührende Behandlung der Risiken, die die zum Teil vorhandenen Befürchtungen ernst nimmt und im Licht der wissenschaftlichen Erkenntnisse erklärt, war im Umfang eines Blogs schlicht unmöglich. Wir stimmen Ihnen aber vollends zu, dass auch die Risiken offen angesprochen und untersucht werden müssen. Wir haben deshalb unter anderem aktuell einen ausführlichen Beitrag zu den Risiken und dem Stand der Forschung für die Zeitschrift „Umwelt Perspektiven“ verfasst, den Sie in der Juniausgabe der Zeitschrift finden werden.
Freundliche Grüsse
Daniel Sutter, Mischa Werner

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Ein sehr viel versprechender Ansatz wird hier geschildert. Die positive Darstellung des Verfahrens in der Öffentlichkeit und auch in der Politik ist ein wesentlicher Knackpunkt. Ich hoffe, dass die Schweiz es besser macht als Deutschland.

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Nutzen und Risiken seien der Bevölkerung kaum bekannt, schreibt Mischa Werner, und wie wichtig „neutrale Informationen seien“. In seinem Beitrag lese ich aber nichts über die Risiken. Ist das die ausgewogene Information, die ihm vorschwebt? Wie sehen die Risiken aus?

Ich muss zugeben wenig über CSS zu wissen, aber versteht man diese unterirdischen Prozesse tatsächlich gut genug um grosse Mengen CO2 dort hinunter zu pumpen? Seit Jahrzehnten untersucht man z.B. potentielle Lagerstätten für nukleare Abfälle und auch dort sind noch Fragen offen. M.Ws Beitrag liest sich aber, als gäbs beim CSS eigentlich nichts wichtiges mehr was man nicht schon wüsste.

Plus: Vielleicht sollte man sich eher fragen ob man die Regelung, Gaskraftwerke müssten den Grossteil des Ausstosses im Inland kompensieren stattdessen nicht ändern sollte. Da hört man dann auch stets „irrationale“ Floskeln von wegen „Ablasshandel“ und dergleichen.

Es spielt ja keine Rolle wo das CO2 emitiert und vermieden wird. Wieso nicht erst die billigen, mit heutiger Technik möglichen Einsparungen ausnützen, anstatt so sehr auf noch nicht im grossen Stil praxis erporbte, wirtschaftliche oder effiziente Methoden wie CSS zu setzen?

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Herr Palmer: Eine Abtrennung von C (Kohlenstoff) vom Sauerstoff (O2) ist die Umkehrung einer Verbrennung und kostet deshalb Energie, die wiederum irgendwie erzeugt werden müsste.

In der Erde wird das CO2 jedoch in Gestein eingebunden (z.B. Carbonate). Dieser natürliche Prozess ist in der Tat sehr langsam im Vergleich zur Rate mit der das CO2 freigesetzt wird, jedoch ist die Speicherkapazität im Untergrund auch gross genug um das Problem auf diese Weise angehen zu können.

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@Kommentar von Ben Palmer. 23.05.2012, 12:49
„Als absoluter Laie in dieser Materie stelle ich mir die Frage, ob es denn nicht technisch möglich wäre, das C aus dem CO2 chemisch abzuspalten und entweder in fester Verbindung zu entsorgen oder der Wieder-/Weiterverwendung zuzuführen?“

Wenn man will und unendlich viel Energie zur Verfuegung hat
(in etwas das was an Energie beim verbrennen frei wird
braucht man um das C wieder zu bekommen..

e.g. Kohlenwasserstoffe +O2 (plus n O2)–> Co2 plus „Wasser“
plus Energie.. zum Beispiel..

die Sonne hat das fuer uns in den letzten paar hundert Millionen
Jahren gemacht. Nun verbrauchen wir alles in wenigen Jahrzehnten
haben uns und unsere Nachkommen total abhaengig davon gemacht (nicht gerade sehr nett fuer kommende Generationen
abgesehen vom CO2 Problem smile)

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Selbst bei einer weitgehend CO2 freien Stromversorgung ist CCS wichtig für die Reduktion der Emissionen aus industriellen Prozessen. Allein die Zementindustrie trägt 9% zu den aktuellen Emissionen bei, der Grossteil davon entsteht grundsätzlich durch die Zersetzung des Karbonats.

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@Ben Palmer.
Ihr Vorschlag ob es denn nicht technisch möglich wäre, das C aus dem CO2 chemisch abzuspalten und entweder in fester Verbindung zu entsorgen oder der Wieder-/Weiterverwendung zuzuführen?
ist ohne weiteres realiserbar.
CO2 => C + 02 entspricht ja genau der chemischen Reaktion bei der Verbrennung, nur in die andere Richtung. Sie müssten also mindestens so viel Energie in diesen Vorgang stecken wie sie erhalten wenn sie Kohle verbrennen.

Aber eine wichtige Erkenntnis gewinnt man so: Wenn man unbegrenzt Energie praktisch gratis zur Verfügung hätte, könnte man fast jedes Problem lösen.

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Ein Teil meiner Frage ist im Artikel unter „Umwandlung in Feststoffe“ bereits beantwortet, aber mir scheint das ein sehr langsamer Prozess zu ein. Besonders interessant wäre, diesen Feststoff in irgendeiner Form als Ressource (z.B. Baustoff) weiterzuverwenden.

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Als absoluter Laie in dieser Materie stelle ich mir die Frage, ob es denn nicht technisch möglich wäre, das C aus dem CO2 chemisch abzuspalten und entweder in fester Verbindung zu entsorgen oder der Wieder-/Weiterverwendung zuzuführen?

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„Besser fürs Klima wäre, wenn das CO₂ gar nicht erst in die Luft gelangen würde.“
(und das Methan am besten auch gleich..)

in der Tat! Also stop fuer neue Gas und Kohlekraftwerke

Abbau von Oelsanden, Shale Gas, Mountain Top removal,
etc etc

Lassen wir das Methan, Kohle etc wo es ist naemlich im perfekten
Speicher unter der Erde.

und lernen wir als erstes mal das Ernaehrungsproblem
(auch Energie!) in der Schweiz und lokal zu loesen.
Also Schluss mit dem 50% und mehr Importen,
falls wir Erfolg haben zeigen wir den anderen den Weg
wie es auch anders geht (oder gehen koennte).

Falls wir keinen Erfolg haben .. tja dann
..

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Solange neue fossile Kraftwerke gebaut werden bleibt auch CCS ein Thema, dessen muss man sich bewusst sein. Kohle- und auch Gaskraftwerke haben Lebensdauern von mehreren Jahrzehnten. Es ist schlicht unmöglich die CO2-Emissionen bis 2050 weltweit auf 2 Tonnen pro Kopf herunterzufahren, wenn nicht die meisten jetzt gebauten Kohle- und Gaskraftwerke ihre CO2-Emissionen abscheiden und speichern.

Auch in der roadmap 2050, einem EU-Projekt für eine von Erneuerbaren Energien dominierte Energieversorgung Europas, spielt Carbon Capture und Storage eine wichtige Rolle, denn fossile Kraftwerke wird es auch in Zukunft als Backup brauchen und nur mit CCS kann das in der roadmap angestrebte Ziel erreicht werden, nämlich: verglichen mit 1990 um 95% reduzierte CO2-Emissionen durch den Stromsektor.

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