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Questions and Answers on the directive on the geological storage of carbon dioxide



Was ist CCS?

Prinzipskizze CCS (CCS steht für Carbon (Dioxide) Capture and Storage, auf deutsch Abscheidung und Speicherung von CO2)

CCS steht für Carbon (Dioxide) Capture and Storage, auf Deutsch Abscheidung und Speicherung von CO2. Die CCS-Technologie besteht aus den Prozessschritten Abscheidung, Transport und Speicherung von CO2. Die Grundidee ist, das aus fossilen Brennstoffen abgeschiedene CO2 dorthin zurückbringt, wo es herkommt: in den tiefen geologischen Untergrund. Es soll dauerhaft der Atmosphäre entzogen werden. Damit die Speicherung von CO2 im Untergrund klimawirksam ist und nachteilige Folgen für Mensch und Umwelt ausgeschlossen werden können, muss das Treibhausgas für mehrere Jahrtausende unter der Erde verbleiben.




Die Abscheidung des Kohlendioxids ist technisch sehr aufwändig. Daher kommen insbesondere große ortsfeste Industrieanlagen und Kraftwerke für die Technologie in Frage. In Kraftwerken werden derzeit drei Verfahren erprobt:

  • die Abscheidung des CO2 aus dem Rauchgas nach der Verbrennung
  • die Abscheidung des Kohlenstoffs aus dem Brennstoff vor der Verbrennung
  • die Verbrennung mit reinem Sauerstoff (Oxyfuel-Verfahren)

Allen Verfahren ist gemein, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen Produktionsvorgängen einen höheren Energieeinsatz benötigen, der mit einem Mehrverbrauch von Rohstoffen, einem verringerten Kraftwerkswirkungsgrad und somit gesteigerten Stromerzeugungskosten verbunden ist. Daher werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die bestehenden Verfahren zu optimieren oder alternative Abscheideverfahren zu entwickeln.

Nach der Abscheidung ist ein Transport des CO2 zu den Injektionsbohrungen am Speicherstandort erforderlich. Wo immer möglich, sollten Speichermöglichkeiten in der Nähe der Emittenten genutzt werden, um die Transportkosten gering zu halten. Für den Transport größerer Gasmengen ist die Pipeline die günstigste Variante. Die Trassenführung sollte möglichst entlang bestehender Pipelines erfolgen, um Aufwand und Kosten zu begrenzen.


Die Speicherung von CO2 lässt sich am effektivsten im Porenraum von Gesteinen in mindestens 800 m Tiefe realisieren. Unter den in diesen Tiefen herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen hat das CO2 im Vergleich zu atmosphärischen Bedingungen ein stark verringertes Volumen. Mit der Tiefe nehmen Druck und Temperatur in der Erde weiter zu. Hierdurch ändert sich die hohe Dichte des komprimierten CO2 nur noch wenig (siehe Abbildung).




Wo gibt es Speicherkapazitäten?

Speichermöglichkeiten in DeutschlandSpeichermöglichkeiten in Deutschland Quelle: BGR

Erschöpfte Erdgaslagerstätten werden als sehr günstige Speichermöglichkeit für CO2 angesehen, da die Deckschichten erwiesenermaßen über Jahrmillionen Gase zurückhalten konnten, der Untergrund bereits gut bekannt ist und zum Teil auch vorhandene Infrastruktur genutzt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Injektion von CO2 in nahezu erschöpfte Erdgasfelder die Produktion von sonst nicht förderbaren Reserven stimulieren und somit auch einen wirtschaftlichen Anreiz bieten kann. Die Speicherkapazität erschöpfter Erdgasfelder wird in Deutschland mit etwa 2,75 Milliarden Tonnen beziffert.

Erschöpfte Erdöllagerstätten sind aus ähnlichen Gründen ebenfalls gut geeignet, in Deutschland aber zu klein, um einen nennenswerten Beitrag zur CO2-Speicherung leisten zu können. Ihr CO2-Speicherpotenzial beläuft sich auf nur etwa 130 Millionen Tonnen.

Aufgrund ihrer weiten Verbreitung haben in Deutschland tiefe salinare Aquifere das größte CO2-Speicherpotenzial. Wegen ihrer tiefen Lage und des hohen Salzgehaltes sind diese Aquifere nicht für die Trinkwassergewinnung geeignet.





Geowissenschaftler der BGR haben in den letzten Jahren anhand von Regionalstudien die Speicherkapazität der salinaren Aquifere Deutschlands fortlaufend konkretisiert. Zuletzt haben Knopf et al. 2010 die bereits vorher untersuchten Regionen „Norddeutsches Becken“ (inklusive des deutschen Nordseesektors), „Oberrheingraben“ und „Alpenvorland-Becken“ einer einheitlichen Neuberechnung unterzogen. Dabei wurden etwa 75 % der Fläche dieser drei Regionen erfasst (siehe Abbildung) und Fallenstrukturen in die Berechnung mit einbezogen. Aus diesem Ansatz resultiert je nach simulierter Wahrscheinlichkeit (10, 50 oder 90%) eine Speicherkapazität von 6,3 bis 12,8 – im Mittel 9,3– Milliarden Tonnen CO2.


Zum Vergleich: Die CO2-Emissionen in Deutschland beliefen sich im Jahr 2008 auf 833 Millionen Tonnen pro Jahr (Quelle: Umweltbundesamt). Davon sind rund ein Drittel durch Verkehr und Kleinverbraucher verursacht und kommen damit für CCS derzeit nicht in Frage.













Wie sicher ist die CO2-Speicherung im geologischen Untergrund?

Für sorgfältig erkundete und für geeignet befundene Standorte kann bei ordnungsgemäßem, dem Stand von Wissenschaft und Technik entsprechendem Betrieb davon ausgegangen werden, dass die Speicherung von CO2 im geologischen Untergrund mit nur geringfügigen Risiken behaftet ist.

Während der Einspeicherung des CO2 in den Untergrund (Betriebsphase) ist vor allem die gute technische Handhabung der einzelnen Betriebsvorgänge für die Sicherheit relevant. Hier kann auf jahrzehntelange Erfahrungen und „best practice“ aus der Erdöl- und Erdgasproduktion, dem Betrieb von Erdgasspeichern (DIN 1918) und der Förderung von CO2 aus natürlichen Lagerstätten zurückgegriffen werden. Im Gegensatz zu Erdgas ist CO2 weder brennbar noch explosiv.

Für die Langzeitsicherheit haben die geologischen Bedingungen des Untergrundes die größte Bedeutung. Durch das Vorkommen natürlicher Erdgas- und CO2-Lagerstätten wissen wir, dass geologische Schichten in der Lage sind, Gase über mehrere Millionen von Jahren zurückzuhalten. Beantragte Speicherprojekte dürfen nur genehmigt werden, wenn die Speicherhorizonte nachweislich von undurchlässigen Gesteinsschichten sicher abgedeckt und eventuell vorhandene geologische Störungen dicht sind. Darüber hinaus müssen die Bohrlochmaterialien langfristig korrosionssicher gegenüber CO2-haltigen Lösungen sein.

Jeder Speicherstandort muss während und nach der Betriebsphase durch oberflächennahe Untersuchungen, Grundwasserbeobachtungen und geophysikalische Messungen des unterirdischen Speicherkörpers sorgfältig überwacht werden.





Welche geologischen Kriterien muss ein Speicher erfüllen?

3D-Modell einer unterirdischen Schichtenfolge in etwa 3500 m Tiefe mit ungestörter Aufwölbungsstruktur. Violett: Speicherhorizonte (Sandstein), hellrot: undurchlässige Schichten (Tonstein).3D-Modell einer unterirdischen Schichtenfolge in etwa 3500 m Tiefe mit ungestörter Aufwölbungsstruktur. Violett: Speicherhorizonte (Sandstein), hellrot: undurchlässige Schichten (Tonstein). Quelle: BGR

Die geologischen Anforderungen an unterirdische CO2-Speicher entsprechen weitgehend den Anforderungen an natürliche Erdöl- und Erdgaslagerstätten. Für den Speicherhorizont braucht man ein poröses Gestein, dessen Porenraum genügend Fluid aufnehmen kann, und darüber mindestens eine dichte, abdeckende Gesteinsschicht, die undurchlässig für Gase und Flüssigkeiten ist. Eine geschlossene Aufwölbungsstruktur ist für die sichere Berechnung von Speicherkapazitäten sowie der Vorhersage der Ausbreitung des CO2 von Vorteil. Das Deckgebirge sollte möglichst nicht von Störungen durchzogen sein, und falls doch Störungen vorhanden sind, sollten diese nachweislich dicht sein (z. B. durch Tonsteinbeläge).





Welche Mechanismen halten das CO2 in der Tiefe fest?

In freier Form ist CO2 leichter als Wasser (bzw. Sole) und bewegt sich durch den Auftrieb in Richtung Erdoberfläche. Deswegen ist eine genügend mächtige Gesteinsbarriere aus undurchlässigem Gestein (insbesondere Tongesteine oder Steinsalz) über dem Speicher so wichtig. Neben diesem sogenannten „strukturellen Rückhalt“ sorgen insbesondere die Kapillarkräfte in den Gesteinsporen dafür, dass das CO2 nicht einfach so wieder an die Erdoberfläche zurückströmen kann (kapillarer Rückhalt). Im Laufe der Zeit löst sich das CO2 zunehmend in der Sole. Diese CO2-reiche Lösung ist schwerer als das Umgebungswasser und sinkt deshalb nach unten (Lösungs-Rückhalt). Über längere Zeiträume kann das CO2 mit Calcium-Ionen reagieren und als Calciumcarbonat, kurz Calcit, kristallisieren (mineralischer Rückhalt). Durch die beschriebenen Rückhalte-Mechanismen wird das CO2 im Laufe der Zeit immer sicherer in der Tiefe festgehalten.




Welchen Einfluss hat CO2 auf Grundwasser und Nebengestein?

Das oberflächennahe Grundwasser, aus dem Trinkwasser gewonnen wird, ist von der CO2-Speicherung nicht betroffen, da das abgeschiedene CO2 in viel tiefer liegenden Gesteinshorizonten in über 800 m Tiefe gespeichert werden muss. Deren Porenraum ist mit stark salzigen Formationswässern (Solen) gefüllt und kann in erschöpften Lagerstätten noch Reste von Erdöl oder Erdgas enthalten. Diese Flüssigkeiten sind von den höheren Grundwasserleitern durch mächtige, undurchlässige Gesteinspakete getrennt, die auch das CO2 zurückhalten können.

Geologische Störungen und Bohrungen stellen mögliche Verbindungswege zwischen diesen tiefliegenden Speichern und den oberflächennahen Grundwasservorkommen dar. Voraussetzung für die Genehmigung von Speichern ist daher der Nachweis der Dichtigkeit eventuell vorhandener Störungen. Injektions- und Erkundungsbohrungen müssen mit langfristig korrosionsresistenten Materialien verfüllt werden. Alte, bereits verfüllte Bohrungen im Umfeld von Speichern müssen eventuell aufgebohrt und neu verfüllt werden.

Die im Porenraum vorhandene Sole ist nur gering kompressibel und muss durch das eingepresste CO2 verdrängt werden. Bei der Standorterkundung ist daher darauf zu achten, dass ein ausreichend großer Aquifer zur Aufnahme der verdrängten Sole zur Verfügung steht und dass im Umfeld des Speichers keine Wegsamkeiten für einen Aufstieg des Salzwassers in Süßwasservorkommen vorhanden sind.

Im Laufe der Zeit löst sich das CO2 in der Sole und bildet dabei Kohlensäure. Die Kohlensäure kann mit dem Nebengestein reagieren. Minerale können aufgelöst, umgewandelt oder neu gebildet werden. Dadurch können sich die hydraulichen Eigenschaften und die Porosität der Gesteine verändern, sowohl zum Vorteil, als auch zum Nachteil für die Langzeitsicherheit und den Speicherbetrieb. Daher ist die geochemische Charakterisierung als Bestandteil der Standorterkundung durch die Europäische Richtlinie zur CO2-Speicherung (2009/31/EG) vorgeschrieben. Günstige Speichergesteine sind quarzreiche Sandsteine, die nur sehr wenig reaktive Minerale enthalten.





Wie werden die Speicher überwacht?

Die Europäische Richtlinie zur CO2-Speicherung (2009/31/EG), sowie die Emissionshandelsrichtlinie (2009/29/EC) definieren Anforderungen an die Überwachung von CO2-Speichern.

Zahlreiche Methoden stehen für die Überwachung des tiefen geologischen Untergrunds, der Erdoberfläche sowie von Grund- und Oberflächenwässern zur Verfügung. Der Betreiber hat unter Berücksichtigung der standortspezifischen Bedingungen einen Überwachungsplan für den vorgesehenen Speicher und seine Umgebung zu erstellen und bereits bei der Beantragung des Speichers mit vorzulegen. Die Überwachung muss über das Ende der Injektion hinaus andauern, um sicherzustellen, dass alle Anzeichen auf eine vollständige und langfristig sichere Speicherung des CO2 hinweisen. Nur dann kann der Betreiber aus der Verantwortung für den Speicher entlassen werden kann – laut EU-Richtlinie frühestens 20 Jahre nach Stilllegung des Betriebs. Bei Abweichungen vom geplanten Speicherverhalten und bei einer Neubewertung von Risiken sind die Überwachungspläne entsprechend anzupassen.



Was passiert, wenn CO2 doch aus dem Speicher entweicht?

Andernacher Kaltwassergeysir – ein natürlicher CO2-AustrittAndernacher Kaltwassergeysir – ein natürlicher CO2-Austritt Quelle: BGR

Entscheidend für die Auswirkungen auf Mensch, Tier und Umwelt an der Erdoberfläche ist die Konzentration des Gases in der Atemluft. CO2 ist zwar ungiftig und weder brennbar noch explosiv, doch wie bei anderen Gasen auch, kann eine zu hohe Konzentrationen in der Atemluft zu gesundheitlichen Problemen bis hin zum Ersticken führen.
Die Konzentrationen in der Luft hängen von den Austrittsraten und den Bedingungen am Austrittsort ab. Zahlreiche natürliche CO2-Austritte, wie sie zum Beispiel in der deutschen Urlaubsregion Eifel vorkommen, zeigen, dass sich aus dem Erdinneren entweichendes CO2 schnell mit der Umgebungsluft vermischt und dadurch auf ein ungefährliches Maß verdünnt wird. Im Freien kann sich das Gas lediglich unter sehr ungünstigen Bedingungen, d.h. bei Windstille in Senken derart anreichern, dass es zu einer Gefahr wird. Die größte Gefahr einer Anreicherung besteht in geschlossenen, schlecht belüfteten Räumen, insbesondere Kellern und Stollen.





Kann die Verpressung von CO2 Erdbeben auslösen?

Im Prinzip ja, so wie jede Nutzung des Untergrundes, die mit Druckänderungen und Massenumlagerungen verbunden ist. Allerdings handelt es sich hierbei zumeist um kaum spürbare Mikrobeben.
Die Spannungsänderungen, die durch die Speicherung von CO2 im Untergrund entstehen, können und müssen im Vorfeld mit Hilfe numerischer Modelle berechnet werden. Daraus werden Injektionsraten und Maximaldrücke des Speicherbetriebs so bemessen, dass die Integrität der Deckschichten nicht gefährdet und das Risiko von Erdbeben minimiert wird.



Ist die CCS-Technik schon genügend erprobt?

Praktische Erfahrungen mit der Verpressung von CO2 in geologischen Formationen gibt es seit vielen Jahren im Rahmen der Erdgasförderung. Viele Erdgasvorkommen enthalten einen natürlichen Anteil an CO2, der den Brennwert herabsetzt und daher vor dem Verkauf abgeschieden wird. Im norwegischen Erdgasfeld Sleipner werden seit 1996 jährlich rund 1 Million Tonnen CO2 in den Utsira-Sand oberhalb des eigentlichen Gasfeldes verpresst. Im algerischen In-Salah-Projekt wird das CO2 über drei Bohrungen abseits der Produktionsbohrungen wieder zurück in den Speicherhorizont verpresst. Weltweit sind weitere Speicher in Bau oder bereits in Betrieb gegangen.

Um Lieferengpässe und Bedarfsschwankungen bei der Versorgung mit Erdgas auszugleichen, wird Erdgas seit Jahrzehnten im Untergrund gespeichert. Deutschland ist in der EU der größte und nach den USA, Russland und der Ukraine weltweit der viertgrößte Anwender unterirdischer Erdgasspeicher (gemessen am Arbeitsgasvolumen). Dabei unterscheidet man zwischen Kavernenspeichern (künstliche Höhlen, die in Salzstöcken durch Laugung geschaffen wurden) und Porenspeichern (natürliche Gesteine, in deren Porenräumen Flüssigkeiten zirkulieren können). Die Porenspeichertechnologie, die auch bei der Speicherung von CO2 zum Einsatz kommt, ist also seit Jahrzehnten bekannt und erprobt.

In den USA wird CO2 schon seit mehr als 20 Jahren in Ferngasleitungen (Pipelines) von natürlichen CO2-Lagerstätten zu Ölfeldern transportiert, um die Ölausbeute der Lagerstätten zu steigern.



Welche Probleme sind noch zu lösen?

Die technischen Komponenten für die CCS-Technologie sind vorhanden. Deren Zusammenwirken und Optimierung lassen sich aber nur an Demonstrationsprojekten weiter entwickeln.

Dringend erforderlich für eine Einführung der Technologie ist eine gesetzliche und untergesetzliche Regelung. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) und das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) haben gemeinsam einen Gesetzesentwurf zur dauerhaften CO2-Speicherung erarbeitet.

Ein großes Problem für die Umsetzung der Technologie im industriellen Maßstab ist die Akzeptanz in der Bevölkerung. Hier gilt es, Ängste ernst zu nehmen und allgemeinverständliche, geologisch fundierte Informationen über Chancen und Risiken der tiefen geologischen CO2-Speicherung zur Verfügung zu stellen.



Welche Rolle spielt die BGR?

Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe setzt sich für die nachhaltige Nutzung von natürlichen Rohstoffen und die Sicherung menschlichen Lebensraums ein. Um ihren spezifischen Aufgaben als technisch-wissenschaftliche Oberbehörde des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie gerecht zu werden, hat sie sich ein Leitbild gegeben.

In Bezug auf die Abscheidung und Speicherung von CO2 bedeutet dies, dass die BGR das im Integrierten Energie- und Klimaprogramm der Bundesregierung formulierten Ziel, die CCS-Technologie in Deutschland zu erproben, beratend unterstützt.


Kontakt

    
Dr. Johannes Peter Gerling
Tel.: +49-(0)511-643-2631
Fax: +49-(0)511-643-3604

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