Geologische Speicherung von CO2: Carbon Capture and Storage

Schwer ver­meid­ba­re CO2-Emis­si­o­nen kön­nen ab­ge­schie­den und dau­er­haft im geo­lo­gi­schen Un­ter­grund ge­spei­chert wer­den. So ge­langt das CO2 nicht in die At­mo­sphä­re. Die­ser An­satz nennt sich Car­bon Capture and Storage (CCS). Die un­ter­ir­di­schen geo­lo­gi­schen Spei­cher­ka­pa­zi­tä­ten an Land oder un­ter dem Mee­res­grund sind vor­handen. CCS ist ei­ne wich­ti­ge er­gän­zen­de Maß­nah­me auf dem Weg zu ei­ner treib­haus­gas­neu­tra­len In­dus­trie.

Wo kann CO2 ge­spei­chert wer­den?

Das CO2 wird un­ter­ir­disch geo­lo­gisch ge­spei­chert. Für die Spei­che­rung un­ter dem Mee­res­bo­den sind geo­lo­gi­schen For­ma­ti­o­nen wie tie­fe, salz­was­ser­füh­ren­de Grund­was­ser­lei­ter (Sa­li­ne Aqui­fe­re), er­schöpf­te Erd­öl- und Erd­gas­-La­ger­stät­ten, tie­fe, nicht ab­bau­ba­re Koh­le­flö­ze und Ba­sal­te ge­eig­net (Hin­weis: Eig­nung muss im Ein­zel­fall ge­prüft wer­den).

So­wohl in Eu­ro­pa als auch in Deutsch­land wer­den vor al­lem tie­fe, salz­was­ser­füh­ren­de Grund­was­ser­lei­ter (Sa­li­ne Aqui­fe­re) und er­schöpf­te Erd­öl- und Erd­gas­-La­ger­stät­ten als po­ten­zi­el­le Spei­cher­stät­ten iden­ti­fi­ziert. Dort kann das CO2 im je­wei­li­gen Po­ren­raum des Spei­cher­ge­steins dau­er­haft ge­spei­chert wer­den.

Als Aqui­fe­re wer­den grund­sätz­lich Se­di­ment­schich­ten be­zeich­net, die Was­ser füh­ren. Sa­li­ne Aqui­fe­re sind dem­nach salz­was­ser­füh­ren­de Se­di­ment­schich­ten. In die­sen Schich­ten kön­nen drei un­ter­schied­li­che Me­cha­nis­men wir­ken, die das CO2 spei­chern kön­nen: Struk­tu­rel­ler Ein­schluss, Lö­sung im Po­ren­was­ser und Mi­ne­ra­li­sa­ti­on.

Sa­li­ne Aqui­fe­re eig­nen sich nicht nur we­gen der po­ten­zi­el­len gro­ßen Spei­cher­ka­pa­zi­tät, son­dern auch, weil die Aus­tausch­ra­te mit an­de­ren Schich­ten sehr ge­ring ist.

Bei der CO2-Spei­che­rung in Koh­leflö­zen löst sich das CO2 im Po­ren­was­ser der Koh­le und ad­sor­biert dort an der Koh­le­ober­flä­che.

Auch bei der Spei­che­rung in Ba­sal­ten wird der Po­ren­raum des Spei­cher­me­di­ums ge­nutzt. Da­bei wird Was­ser mit dem ein­zu­spei­chern­den CO2 ver­setzt und in den Un­ter­grund ge­pumpt. Das koh­len­säu­re­hal­ti­ge Was­ser rea­giert dort mit dem Ge­stein im Un­ter­grund und gibt frei­e Ka­ti­o­nen von Kal­zi­um, Mag­ne­si­um und Ei­sen in den Was­ser­strom ab. Mit der Zeit ver­bin­den sich die­se Ele­men­te mit dem ge­lös­ten CO2 und bil­den Kar­bo­na­te, die den lee­ren Raum (Po­ren) im Ge­stein aus­fül­len.

Das in­ji­zier­te koh­len­säu­re­hal­ti­ge Was­ser be­sitzt ei­ne grö­ße­re Dich­te als das um­ge­ben­de Was­ser in der geo­lo­gi­schen For­ma­ti­on und hat da­her die Ten­denz, nach der In­jek­ti­on zu sin­ken. Dies un­ter­schei­det sich von kon­ven­ti­o­nel­len Me­tho­den der Koh­len­di­o­xid­spei­che­rung, die auf Deck­ge­stein an­ge­wie­sen sind, um ein mög­li­ches Aus­tre­ten von gas­för­mi­gem CO2 zu ver­hin­dern, das in tie­fe For­ma­ti­o­nen in­ji­ziert wird. Jun­ges Ba­salt­ge­stein ist stark zer­klüf­tet und po­rös, so dass Was­ser leicht durch die mit­ei­nan­der ver­bun­de­nen Ris­se und Hohl­räu­me im Un­ter­grund si­ckern kann. Das größ­te und be­kann­tes­te Pro­jekt da­zu ist das Pro­jekt "Orca" der bei­den Un­ter­neh­men Climeworks und Carbfix in Is­land.

Speicherkapazitäten für CO2

Die glo­ba­len, eu­ro­pä­i­schen und na­ti­o­na­len Spei­cher­ka­pa­zi­tä­ten sind Ge­gen­stand ak­tu­el­ler For­schungs­pro­jek­te. So un­ter an­de­rem im Pro­jekt GEOSTOR, das die Po­ten­zi­a­le der CO2-Spei­che­rung in geo­lo­gi­schen For­ma­ti­o­nen im Mee­res­bo­den der Deut­schen Nord­see un­ter­sucht.

Für die Nord­see ge­hen ak­tu­el­le Schät­zun­gen da­von aus, dass rund 150 Mrd. Ton­nen CO2 in geo­lo­gi­schen For­ma­ti­o­nen un­ter dem Mee­res­grund ge­spei­chert wer­den kön­nen. Für die deut­sche Nord­see wird die Ka­pa­zi­tät auf 2–8 Mrd. Ton­nen CO2 ge­schätzt. Die­se Ka­pa­zi­tät wür­de theo­re­tisch aus­rei­chen, um die schwer ver­meid­ba­ren CO2-Emis­si­o­nen der deut­schen In­dus­trie bis zum Jahr 2100 spei­chern zu kön­nen.

Glo­ba­le und eu­ro­pä­i­sche Spei­cher­ka­pa­zi­tä­ten wer­den un­ter­schied­lich be­wer­tet. So hat die Geo­lo­gi­sche For­schungs­an­stalt für Dä­ne­mark und Grön­land (De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland, GEUS) ei­ne ge­samt­eu­ro­pä­i­sche CO2-Spei­cher­ka­pa­zi­tät von 482 Mrd. Ton­nen CO2 be­rech­net. Hier wur­den al­ler­dings nur sa­li­ne Aqui­fe­re be­rück­sich­tigt. Die Spei­cher­ka­pa­zi­tät für er­schöpf­te Erd­öl- und Erd­gas­-La­ger­stät­ten wird mit rund 28 Mrd. Ton­nen be­zif­fert.

Welt­weit wa­ren im Jahr 2022 An­la­gen mit ei­ner Spei­cher­ka­pa­zi­tät von ca. 244 Mio. Ton­nen in der Ent­wick­lung oder be­reits in Be­trieb. In der EU und im Ver­ei­nig­ten Kö­nig­reich gibt es Stand Sep­tem­ber 2022 73 An­la­gen für Car­bon Capture and Storage in ver­schie­de­nen Ent­wick­lungs­sta­dien.

Von den Erfahrungen der Gas- und Wasserstoffwirtschaft profitieren

Die geo­lo­gi­sche Spei­che­rung von CO2 ist welt­weit ein im­mer wich­ti­ger wer­den­der As­pekt des Kli­ma­schut­zes. Der IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) misst der Carbon Capture and Storage Tech­no­lo­gie ei­ne wich­ti­ge Rol­le zur Ein­däm­mung der Erd­er­wär­mung bei. Dass CCS si­cher ein­ge­setzt wer­den kann, zei­gen so­wohl die Er­fah­run­gen aus den nor­we­gi­schen CO2-Spei­cher­pro­jek­ten Northern Lights und Sleipnir als auch aus eu­ro­pä­i­schen For­schungs­pro­jek­ten wie STEMM-CCS und ECO2. Ins­be­son­de­re die Frei­set­zungs­ex­pe­ri­men­te, an de­nen un­ter an­de­rem das deut­sche GEOMAR Helm­holtz-Zen­trum für Ozean­for­schung Kiel be­tei­ligt war, konn­ten dies be­stä­ti­gen.

In Deutsch­land wur­de das Spei­chern von CO2 in tie­fe Ge­steins­schich­ten, die geo­lo­gi­sche Spei­che­rung, die Aus­brei­tung des CO2 im Un­ter­grund und die Rück­för­de­rung am Pi­lot­stand­ort Ketzin in Bran­den­burg un­ter der Be­triebs­füh­rung der heu­ti­gen VNG Gas­spei­cher AG un­ter­sucht. Im Pro­jekt­zeit­raum von 2004 bis 2018 wur­den im Rah­men meh­re­rer deut­scher und eu­ro­pä­i­scher For­schungs­pro­jek­te rund 67.000 Ton­nen hoch­rei­nes CO2 ein­ge­spei­chert. Ge­mein­sam mit den wei­te­ren in­ter­na­ti­o­na­len For­schun­gen steht heu­te fest, dass die Ein­spei­che­rung von CO2 un­ter der Er­de im gro­ßen, in­dus­tri­el­len Maß­stab mög­lich und si­cher ist. Ins­be­son­de­re Deutsch­land kann da­bei von der jahr­zehn­te­lan­gen Er­fah­rung aus der un­ter­ir­di­schen Erd­gas-Ein­spei­che­rung pro­fi­tie­ren.

Für das Jahr 2023 zähl­te das Global CCS Institute (GCCSI) in sei­nem ak­tu­el­len Sta­tus­be­richt weltweit 41 kom­mer­zi­el­le CCS-Spei­cher­pro­jek­te. 26 wei­te­re be­fan­den sich im Bau sowie 325 in fortgeschrittener und früher Pla­nungs­pha­se. Die Er­fah­run­gen mit der CCS-Tech­no­lo­gie neh­men zu, wo­bei die meis­ten die­ser Pro­jek­te in Nord­ame­ri­ka und Eu­ro­pa be­hei­ma­tet sind.

Trans­port von CO2

In­so­fern die CCS-Tech­no­lo­gie in Deutsch­land zum Ein­satz kommt, ist größ­ten­teils von ei­ner Off­shore-Spei­che­rung aus­zu­ge­hen. Markt­be­rei­ter von Trans­port-In­fra­struk­tu­ren in­ves­tie­ren be­reits in Pi­lot­pro­jek­te, um recht­zei­tig den wirt­schaft­li­chen und si­che­ren Trans­port von CO2 zu den Speivcher­stät­ten oder zu In­dus­trie­stand­or­ten, die CO2 als Roh­stoff wei­ter­ver­wer­ten, trans­por­tie­ren zu kön­nen: mit Pipe­lines, per Tan­ker, Schiff oder per Lkw.

CO2-Infrastruktur

Carbon Management Strategie für Deutschland

Eine För­de­rung der CCS-Tech­no­lo­gie für Mo­dell­pro­jek­te der emis­si­ons­in­ten­si­ven Grund­stoff­in­dus­trie ist durch das Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Wirt­schaft und Kli­ma­schutz ge­plant. Im Rah­men der ak­tu­ell in Ar­beit be­find­li­chen Na­ti­o­na­len Car­bon Ma­nage­ment Stra­te­gie wer­den u. a. die Fra­gen be­ant­wor­tet, wer schwer ver­meid­ba­re CO2-Emis­si­o­nen er­zeugt und wo das CO2 ge­spei­chert wer­den kann.

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