Klimaschutz durch CO₂- Speicherung im Untergrund

Blockbild: Sektorenkopplung in einer zukünftigen Energieund Rohstoffversorgung.

Die Geschwindigkeit der Veränderungen, die sich beispielsweise in Wetterextremen äußern, ist eine existenzielle Bedrohung für viele Lebewesen, Pflanzen- und Tierarten, einschließlich des Menschen. Aus jahreszeitlich geschichteten Sedimentablagerungen sind uns Klimasprünge in der erdgeschichtlichen Vergangenheit bekannt. Auch ohne Einwirkung des Menschen haben Änderungen in der physischen Geografie regional zu Klimaänderungen geführt. Beispielsweise gab es am Ende der letzten Vereisung in Mitteleuropa einen „Rückfall“ von gemäßigtem Klima zu Tundrenklima, innerhalb von nur 20 Jahren. Verstärkt durch die anhaltend steigendenen, menschgemachten CO₂- Emissionen, die zu bisher im Erdzeitalter des Quartärs unbekannt hohen CO₂- Konzentrationen in der Atmosphäre führten, werden drastischere, sprunhafte Ereignisse wahrscheinlicher. In den klimatischen Mittelwerten fallen solche Sprünge nicht groß auf und die Gefahren des Klimawandels werden vermutlich vielfach unterschätzt. Ende der 1980er Jahre zeigt sich ein Sprung in der deutschlandweiten Mitteltemperatur (Bild 1). Als lebensbedrohlich wurde der Klimawandel aber erst empfunden, als im Sommer 2021 große Teile des Rheinlands von einem extremen, örtlich Jahrtausend-Erwartungen weit übersteigenden Niederschlags- und Flutereignis heimgesucht wurden und viele Menschen ihr Leben verloren.

Diese Ereignisse zeigen die Dringlichkeit umgehenden und kompromisslosen Handelns an. Für Deutschland ist die Bewältigung der Folgen eines solchen Ereignises eine große Herausforderung. Technisch weniger entwickelte und ärmere Gesellschaften können die Schäden solch extremer Witterungsereignisse nicht mit eigenen Mitteln beheben, z. B. durch den Wiederaufbau zerstörter Infrastruktur. Eine der kurzfristig verfügbaren Handlungsoptionen, die als Brückentechnologie auf dem Weg zu einer CO₂- neutralen Zukunft dienen kann, ist die Abscheidung von CO₂ aus Rauch- und Prozessgasen und deren Speicherung im tiefen Untergrund, quasi eine Kohlenstoff-Rückführung.

Als Kohlendioxidquellen kommen große, ortsfeste Industrieanlagen in Frage, insbesondere solche, die prozessbedingt CO₂ freisetzen, bei der Herstellung von Grundstoffen, die in großen Mengen benötigt werden, aber nicht leicht zu ersetzen sind. Dazu gehört beispielsweise die Herstellung von Kalk und Zement. Auch Eisenhütten und Stahlwerke werden nicht leicht auf CO₂- arme Produktion umgestellt werden können. Thyssenkrupp bereitet sich zwar auf die Stahlerzeugung mittels Wasserstoff vor. Jedoch werden dafür große Mengen benötigt, die unter anderem aus norwegischem Erdgas gewonnen werden sollen, wobei der darin enthaltene Kohlenstoff als CO₂ abgeschieden und gespeichert werden muss. Erste Anlagen zur Abscheidung von CO₂ an Zementwerken sollen in Megelstetten, Rohrdorf und Hannover gebaut werden. 

Bild 1: Jahresmitteltemperaturen in Deutschland seit 1881, Datenquelle: Deutscher Wetterdienst. Bis 1987 lagen die Mitteltemperaturen nur selten über 9 °C, nach 1988 nur selten unter 8 °C. Die grünen Linien markieren die Mitteltemperatur in der Referenzperiode1961-1990 und die um 1 °C höhere Mitteltemperatur der nachfolgenden Normalperiode.

Die Abscheidung kann mittels etablierter großtechnischer Verfahren, wie der Aminwäsche von Rauch- oder Prozessgasen erfolgen. Diese sind jedoch mit einem hohen, zusätzlichen Energiebedarf verbunden. Dieser verursacht die Hauptbetriebskosten für die CO₂- Abscheidung. Daher werden alternative, energetisch günstigere Verfahren entwickelt, die in die Produktionsprozesse integriert werden können.

Beim Transport zu den Speicherstätten kann auf bestehende Technologien zurückgegriffen werden. Kesselwagen auf Schiene und Straße sind lediglich für kleine Mengen oder kurze Entfernungen eine sinnvolle Option. Bei größeren Mengen und längeren Entfernungen sind Rohrleitungen kostengünstiger. CO₂ wird auch in Tankschiffen transportiert. Dies bietet sich im marinen Bereich an und Schiffe sind flexibler in der Verknüpfung von Quellen und Speichern, als starr verlegte und teuere Pipelines. Derzeit wird an der Entwicklung größerer und effizienter Tankschiffe und der erforderlichen Infrastruktur an den erforderlichen Umschlagplätzen gearbeitet. Dort werden beispielsweise Zwischenspeicher und Anlagen zur Verflüssigung oder zur Anpassung der CO₂- Ströme an erforderliche Temperaturen benötigt. Beim Rohrleitungstransport können langjährige Erfahrungen mit Erdgasfernleitungen und der unterirdischen Gasspeicherung genutzt werden. Teilweise könnte auch vorhandene Infrastruktur weiter verwendet werden, zum Beispiel zur Speicherung in erschöpften Erdgaslagerstätten. In den tiefen Untergrund gelangt das CO₂ über Tiefbohrungen, von denen nur wenig an der Oberfläche zu sehen ist (Bild 2).

Während für die saisonale Bevorratung von Gasen und Flüssigkeiten meist Kavernen in Salzstöcken genutzt werden, kommen diese lediglich als Zwischenspeicher beim Transport von CO₂ in Frage. Die dauerhafte Speicherung erfolgt hingegen im Porenraum der Gesteine, insbesondere Sandsteine, aber auch in Kalksteinen. Da CO₂ mit den Formationswässern Kohlensäure bildet, werden Kalksteine von dieser angegriffen, was von Vorteil sein kann, da sich der Anteil der freien CO₂- Phase im Speicher verringert und das Gas als Hydrogenkarbonat im Formationswasser gebunden wird. Andererseits könnte eine Verkartstung des Gebirges entlang bestehender Klüfte zur ungewollten Ausbreitung des injizierten CO₂- Stroms im Speicher führen. Kohlensäure reagiert mit Felspäten und anderen basischen Mineralen unter Bildung von Karbonaten, wodurch das CO₂ in fester, langfristig stabiler Form gebunden werden kann. Von basischen Vulkaniten abgesehen, sind diese Minerale meist nur Nebenbestandteile von Sandsteinen, so dass nur ein Teil des CO₂ als Feststoff im Speicher gebunden werden kann, was zudem, je nach Mineral, nur sehr langsam erfolgt.

Bild 2: Kopf der Injektionsbohrung mit Absperrund Messeinrichtungen am Forschungsspeicher Ketzin im Jahr 2010.

In Deutschland bieten sich erschöpfte Erdgaslagerstätten als Speicher an. Die Lagerstätten haben Gase bereits über viele Millionen Jahre im Untergrund zurückgehalten. Ihre Eigenschaften sind gut bekannt und das entnommene Erdgas hat Platz geschaffen für CO₂ als Porenfüllung. Vorhandene Bohrungen könnten für die Injektion von CO₂ oder die Speicherüberwachung genutzt werden. Allerdings sind diese Bohrungen ursprünglich nicht für die langfristige Nutzung und dauerhafte Speicherung von CO₂ ausgelegt worden, so dass deren Eignung im einzeln überprüft und die Bohrungen ggf. neu verfüllt oder ertüchtigt werden müssten.

In Tiefen von mehr als 800 m, die zur effizienten Speicherung von verdichtetem CO₂ (> ca. 650 kg/m³) erforderlich sind, sind salzwasserführende Gesteine weit verbreitet, die ebenfalls als Speicher in Frage kommen. Aufgrund der meist hohen Salzgehalte von 100 – 330 g/l sind Wässer aus mehr als 1.000 m Tiefe bisher selten genutzt worden. Die tiefen salzwasserführenden Aquifere sind generell weniger gut erkundet als Erdgasreservoire. Daher gibt es dort weniger Altbohrungen, die eventuell aufwändig saniert werden müssten. Jedoch sind die Formationswässer gering kompressibel und die CO₂- Einleitung würde zu einem Druckaufbau und zur Verdrängung der Solen im Umfeld eines Speichers führen. Daher werden in Australien Solen aus einem tiefen salinaren Grundwasserleiter gefördert, um Raum für die CO₂- Speicherung zu schaffen. Vorschläge zur Verwendung geförderter Solen zur geothermischen Nutzung, zur Extraktion gelöster Stoffe (u. a. Lithium) oder, nach deren Entsalzung, zur landwirtschaftlichen Bewässerung in semiariden Gebieten, sind noch Gegenstand von Forschung und Entwicklung. Deckschichten aus undurchlässigen und CO₂- beständigen Gesteinen, wie Steinsalz oder Tonstein, verhindern ein Aufsteigen und Entweichen des Speicherinhalts; Antiklinalen genannte Aufwölbungen der Deckschichten verhindern dessen unkontrollierte seitliche Ausbreitung.

Regional werden die größten Speicherkapazitäten in Norddeutschland erwartet (Bild 3). Lokal sind aber auch Speichermöglichkeiten im Alpenvorland, im Oberrheingraben oder im Thüringer Becken zu erwarten. Rein rechnerisch könnten allein die deutschen Erdgaslagerstätten die nicht vermeidbaren Industrieemissionen, in der Größenordnung von etwa 50 Millionen Tonnen pro Jahr, für mehrere Jahrzehnte aufnehmen. Die bisher geförderte Erdgasmenge würde etwa 2,5 Milliarden Tonnen CO₂ entsprechen. Die Speicherkapazität hängt aber nicht alleine vom Volumen des Speichergesteins ab. Geotechnisch bedeutsam sind die Injektivität und die interne Struktur der Speicher, damit ausreichende Raten sicher, unterhalb kritischer Drücke und mit vertretbarem Aufwand injiziert werden können. Wieviel CO₂ im weiträumigen Untergrund gespeichert werden könnte, hängt maßgeblich auch von der Wirtschaftlichkeit der Speicherung einschließlich der Entwicklung von Betriebskosten (Energie), CO₂- Steuern und dem Markt für Emmissionsberechtigungen ab. Zudem haben rechtliche Rahmenbedingungen Einfluss auf die Speicherkapazität, und diese ist nach dem in Deutschland gültigen Kohlendioxidspeicherungsgesetz derzeit gleich Null. Zudem schränken Landesgesetze in Norddeutschland, oder Verordnungen über Meeresschutzgebiete die Speichermöglichkeiten ein. So sind bisher lediglich etwa 67.000 Tonnen des CO₂- Speicherpotenzials in dem Forschungsspeicher bei Ketzin, in Brandenburg, genutzt worden.

Bild 3: CO₂- Quellen und Speichermöglichkeiten in Deutschland.

Mit der CO₂- Speicherung verbundene Befürchtungen betreffen vor allem die Leckage von CO₂ über undichte Bohrungen oder Störungen an die Oberfläche, sowie die Beeinträchtigung oberflächennaher, der Wasserversorgung dienender Grundwasserleiter durch verdrängte Solen. Diese Risiken sind, mit unterschiedlichen Methoden, unter anderem an natürlichen Vorkommen, untersucht worden. Natürliche CO₂- Lagerstätten und CO₂- Austritte gibt es auch in Deutschland und sie wurden unter anderem für die Erprobung und Entwicklung von Überwachungsmethoden genutzt. Aufgrund der Wechselfolge von geringdurchlässigen Barrieren und porösen Resevespeichern im Deckgebirge natürlicher CO₂- Vorkommen, sind die CO₂- Flüsse an der Erdoberfläche gering und die natürlichen Austritte meist lokal eng begrenzt und daher leicht zu überwachen und abzusichern. Größere Leckagen könnten an Bohrungen austreten. Bei diesen kann man aber auf vielfach erprobte und in Jahrzehnten entwickelte Tiefbohrtechnik der Kohlenwasserstoffindustrie zurückgreifen. Erdgas wird in Deutschland sowohl in Kavernen, als auch in Porenspeichern seit 1955 gespeichert. Derzeit sind hierzulande etwa 50 Untergrundspeicher in Betrieb. CO₂ wird seit 1996 zum Klimaschutz im tiefen Untergrund der norwegischen Nordsee gespeichert. Weltweit sind bereits 40 Projekte zur CO₂- Abscheidung und Speicherung in Betrieb und viele weitere in Planung. Die Auswirkungen der Speicherung an der Erdoberfläche sind gering. Mikroseismische Aktivität oder Hebungen im Millimeterbereich können zur Überwachung der Ausbreitung des CO₂- Stroms im Speicher genutzt werden. Die CO₂- Speicherung unter Tage ist zwar öffentlich wenig bekannt und in Europa bisher wenig zum Einsatz gekommen, kann aber dennoch als eine ausgereifte Technologie angesehen werde, was sich unter anderem darin widerspiegelt, dass es seit 2017 eine internationale Norm, ISO 27914, dafür gibt.

Ursprünglich als Option zur Minderung der CO₂- Emissionen von Kohlekraftwerken gedacht, konzentriert sich die Abscheidung von CO₂ nun, nach dem beschlossenen Kohleausstieg, auf industrielle Quellen und hat neben der Speicherung auch die Nutzung des abgeschiedenen Gases in langlebigen Produkten, u. a. Beton, im Blick. Ebenso hat die angestrebte Kopplung von Sektoren im Rahmen der Energiewende, unter anderem bei der Wasserstofferzeugung aus Erdgas, in Europa zu einem verstärkten Interesse an Untertage- Speichermöglichkeiten geführt.

Bei sorgfältiger, umfassender Erkundung und Überwachung, die für jeden Standort erforderlich sind, sowie unabhängiger Genehmigung und Kontrolle der Einhaltung genehmigter Betriebspläne, ist die CO₂- Speicherung, aufgrund der bisherigen Erfahrungen und im Vergleich zu den o. g. Risiken des Klimawandels, als eine recht sichere Brückentechnologie zur Minderung von Treibhausgasemissionen anzusehen.