Das „DVC-Konzept“ - ein mehrstufiger Ansatz für das Unterwasser-Gas-Monitoring bei der geologischen Speicherung von CO₂

Beitrag zum Projekt:

• CO2ReMoVe Research on CO2 Monitoring and Verification

Abb. 1: Oberflächen- und Unterwasser-Ansicht von natürlichen Gasaustritten am Grund des Laacher Sees (Eifel, Deutschland) Quelle: BGR

Eine häufig gestellte Frage im Zusammenhang mit der geologischen Speicherung von Kohlendioxid (CO₂) unterhalb des Meeres- oder Seebodens ist die nach dem möglichen Auftreten von Leckagen und den daraus resultierenden möglichen Auswirkungen auf die unmittelbare Umgebung. Unterwasser-
Gas-Monitoring sollte daher einen unerlässlichen Bestandteil von Erkundungs-, Betriebs- und Sicherheitskonzepten für die Speicherung von CO₂ unterhalb von Gewässern bilden.

Als Beitrag zu dem EU-geförderten Projekt CO₂ReMoVe (CO₂ Geological Storage: Research into Monitoring and Verification Technology) wurden im Fachbereich „Geochemie der Rohstoffe“ der BGR Monitoring-Verfahren und -Instrumente zur Detektion und Überwachung von Gasaustritten in Gewässern entwickelt. Diese Messinstrumente und -Verfahren wurden an sog. „natürlichen Analoga“ getestet und optimiert, also an Stellen, an denen natürlich Gas aus dem Untergrund austritt (Abb. 1).

Die Ergebnisse der umfangreichen Forschungsarbeiten an der BGR zeigen, dass ein wirkungsvolles und verlässliches Unterwasser-Gas-Monitoring nur durch ein mehrstufiges Vorgehen erreicht werden kann, bei dem verschiedene Messverfahren kombiniert sowie unterschiedliche räumliche und zeitliche Skalen berücksichtigt werden. Im Grundsatz besteht das entwickelte Konzept für ein flächendeckendes Unterwasser-Gas-Monitoring, hier als „DVC“-Konzept bezeichnet, aus drei wesentlichen methodischen Schritten:

1. Detektion,
2. Verifikation und
3. Charakterisierung, einschließlich Quantifizierung der austretenden Gasmengen durch Langzeitüberwachung.

1. Detektion: Großräumiges Monitoring

Um große Gebiete in kurzer Zeit überwachen zu können, eignen sich besonders schiffsgestützte hydroakustische Verfahren, die einen sehr effizienten Weg darstellen, Signale von Gasaustritten und Leckagen aufzuspüren (Abb. 2a, b).

Abb. 2a. Sidescan Sonar-Aufnahme: Das Bild zeigt den Aufstiegsweg natürlicher Gasaustritte durch die Wassersäule. Dabei erreichen die ausgetretenen Gasblasen nicht die Wasseroberfläche, sondern werden auf ihrem Weg durch die Wassersäule vollständig gelöst Quelle: BGR

Abb. 2b: Horizontale Sonar-Aufnahme durch Tauchroboter (oben): Jeder hellgelbe Punkt repräsentiert einen Gasblasenaustritt innerhalb des Scan-Querschnitts. Das dazugehörige Foto (unten) zeigt die entsprechende Aufnahme der Videokamera des Roboters Quelle: BGR

In den Forschungsarbeiten wurden verschiedene, meist aktive akustische Sonarverfahren und messgeräte getestet und auf ihre Eignung untersucht. Anhand sehr unterschiedlicher Parameter, wie z. B. Handhabbarkeit, Messgenauigkeit, Zeitbedarf oder Kosten konnten die Vor- und Nachteile der eingesetzten Methoden, bedingt durch ihre jeweiligen technischen Charakteristika, aufgezeigt werden (s. Abb. 3).

Abb. 3: Vergleich verschiedener Sonarsysteme für die großräumige Detektion von Unterwasser-Gasaustritten Quelle: BGR

2. Verifikation: Mobiles Monitoring

Nach dem Aufspüren “auffälliger” Gebiete kann ein ferngesteuerter Tauchroboter mit geeigneter Ausrüstung sehr schnell zur Probenahme und näheren Analyse an der entsprechenden Stelle eingesetzt werden (Abb. 4). Sogar das Aufspüren von Gasaustritten über eine größere Fläche hinweg ist mit Hilfe eines am Roboter befestigten rotierenden Sonars möglich (Abb. 2b oben). Die Reichweite des Roboters, der für das Sammeln von Gasproben und das Aufzeichnen von Gasströmen konzipiert wurde, ist jedoch begrenzt.

Als Beispiel für eine kostengünstige Variante wurde der Mikro-Tauchroboter VideoRay Pro 3 XE als Trägersystem für das Monitoring-System umgerüstet (Abb. 4b). Seine maximale Einsatztiefe beträgt 150 m. Für den Einsatz am Roboter wurden verschiedene Probenahme- oder Aufzeichnungseinrichtungen entwickelt bzw. angepasst: Gasprobenehmer, Gasflussmessgerät, Wasserprobenehmer etc.

Abb. 4a: Einsatz eines Mikro-Tauchroboters, der für den Einsatz als Gas-Monitoringsystem umgebaut wurde. Hier: Steuereinheit des Tauchroboters Quelle: BGR

Abb. 4b: Mikro-Tauchroboter Quelle: BGR

3. Charakterisierung und Quantifizierung durch Langzeit-Monitoring mittels stationärer Messsysteme

Da die Wartung von unter Wasser installierten Messsystemen kompliziert und teuer ist, ist das von der BGR entwickelte stationäre Unterwasser-Gas-Monitoringsystem möglichst einfach aufgebaut. Es besteht im Wesentlichen aus einem Trichter zum Sammeln der aufsteigenden Gasblasen, aus einem am Kopf des Trichters angebrachten Sensor sowie einem druckfesten Behälter für die Elektronik und die Batterien (Abb. 5).

Verschiedene Sensortypen wurden unter Labor- und Feldbedingungen getestet. Dabei stellte sich heraus, dass die verlässlichsten Daten von einer Eigenkonstruktion geliefert wurden, deren Messprinzip an ein „umgedrehtes Niederschlagsmessgerät“ angelehnt ist.

Abb. 5a: Stationäres Langzeit-Monitoringsystem vor der Versuchsdurchführung Quelle: BGR

Abb. 5b: Stationäres Langzeit-Monitoringsystem während der Versuchsdurchführung Quelle: BGR

Bei der Messung strömt das aufgefangene Gas in das “umgedrehte Niederschlagsmessgerät” und verdrängt dadurch das Wasser innerhalb des Sensors. Wird ein bestimmtes Gasvolumen erreicht, wird das Gas wieder freigesetzt und der Sensor füllt sich erneut mit Wasser. Danach kann ein weiterer Messzyklus beginnen. Aus Füllzeit und Behältervolumen kann die Flussrate berechnet werden, die jedoch erst nach notwendigen p-T-Korrekturen in die reale Gasflussrate umgewandelt wird. Beispiele für Ergebnisse von Langzeit-Experimenten sind Abb. 6 dargestellt.

Abb. 6a: Datensätze verschiedener Langzeit-Gas-Monitoring-Experimente - Bodensee: Langzeittest über einem Methanaustritt Quelle: BGR

Abb. 6b: Datensätze verschiedener Langzeit-Gas-Monitoring-Experimente- Laacher See: Vergleich zwischen abgeleitetem CO2-Fluss (Stundenmittelwerte; dunkelgrün) und Wassertemperatur (dunkelblau), Luftdruck (orange) und Windgeschwindigkeit (mittelblau) Quelle: BGR

Zusammenfassung

Die an der BGR entwickelten Monitoringsysteme bewiesen sowohl unter Laborbedingungen als auch in umfangreichen Feldversuchen, z. B. im Laacher See, im Bodensee und in der Nordsee, ihre Eignung, natürliche CO₂-Austritte am Boden von Gewässern verlässlich aufzuspüren, zu beproben und über längere Zeiträume zu überwachen. Für die effiziente Überwachung von Gewässern oberhalb geologischer CO₂-Speicher wird das „DVC-Konzept“ unter Verwendung der entwickelten Unterwasser-Gas-Monitoringsysteme vorgeschlagen.