CO₂-Speicherung in der Tiefe sicherer als gedacht

Co2-Speicherung Das Kleinwinkelneutronenstreuinstrument KWS-3 betreibt das JCNS am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching. © W. Schürmann /TU München

Das Kleinwinkelneutronenstreuinstrument KWS-3 betreibt das JCNS am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching. © W. Schürmann /TU München

Neutronenuntersuchungen zeigen geringe Korrosion der Deckschicht eines natürlichen CO₂-Lagers

Die langfristige Lagerung von Kohlendioxid in tiefen, porösen Gesteinsschichten (Kohlenstoffabscheidung und -speicherung, engl. carbon capturing and storage, CCS) könnte dazu beitragen, die Emission des klimaschädlichen Gases in die Atmosphäre zu verringern. Dass in Wasser gelöstes Kohlendioxid (CO₂) in geeigneten Schichten weit länger verbleibt als angestrebt, konnte ein internationales Forscherteam unter Jülicher und Aachener Beteiligung nun an einem natürlichen, 100 000 Jahre alten CO₂-Reservoir in Utah, USA, nachweisen (Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms12268).

CO₂ wirkt in der Atmosphäre als Treibhausgas und gilt als die Hauptursache der globalen Erwärmung. Große Mengen des Gases entstehen in Kraftwerken, die fossile Brennstoffe verfeuern, im Bergbau und bei bestimmten Industrieprozessen. Um ein Entweichen in die Atmosphäre zu verhindern, kann man CO₂ bei diesen Prozessen mit unterschiedlichen Verfahren abscheiden und verdichten. Damit es dem Klimakreislauf langfristig fern bleibt, ist es notwendig, es danach über Jahrtausende sicher zu lagern.

Geysir Kaltwasser-Geysir in Utah, USA, gespeist durch Kohlendioxid aus einem natürlichen Reservoir. Das CO[~2~] gelangt durch ein Loch an die Oberfläche, das 1936 im Rahmen von Erdölerkundungsmaßnahmen gebohrt worden ist. © Dr Niko Kampman

Kaltwasser-Geysir in Utah, USA, gespeist durch Kohlendioxid aus einem natürlichen Reservoir. Das CO[~2~] gelangt durch ein Loch an die Oberfläche, das 1936 im Rahmen von Erdölerkundungsmaßnahmen gebohrt worden ist. © Dr Niko Kampman

Eine Speicherung in tiefen, porösen Gesteinsschichten ist eine favorisierte Möglichkeit. Bevor dies realisiert werden kann, sind noch zahlreiche Fragen zu klären, vor allem wie lange das CO₂ dort verbleibt. Beim Hinabpumpen verdrängt das verflüssigte Gas die Salzlösungen, die die Poren zuvor ausfüllten, und löst sich teilweise darin; dabei entstehen saure Lösungen. Sie sind leichter ist als die ursprünglich vorhandenen Flüssigkeiten und suchen sich deshalb einen Weg nach oben. Dichte Deckschichten aus wenig porösem Gestein sollen ein Austreten verhindern. Doch wie lange halten diese den Säuren stand? Im Falle des natürlichen Reservoirs in Utah mindestens 100 000 Jahre und damit zehnmal so lange wie angestrebt, zeigen die Untersuchungen.

Die Gesteinsschicht, die das Gaslager in Utah zur Oberfläche hin abdichtet, ist im Laufe der Zeit nur oberflächlich porös geworden: Etwa sieben Zentimeter tief haben die Säuren die leichter löslichen Mineralien bisher herausgewaschen. Ältere Studien hatten vorhergesagt, dass die Säuren in einem so langen Zeitraum Gestein mehrere Meter tief beschädigen müssten. Diese Diskrepanz kommt durch chemische Reaktionen zwischen dem Gestein und den Flüssigkeiten zustande, die in den Studien nicht berücksichtigt worden waren, fanden die Forscher heraus. Tonreiches Gestein scheint ein Fortschreiten der Korrosion stark zu vermindern. Die Wissenschaftler schlussfolgern daraus, dass die Zusammensetzung der Deckschicht und der CO₂-Lösungen sowie ihre chemischen Reaktionen untereinander stets im Einzelfall betrachtet werden müssen, wenn man beurteilen will, wie gut sich eine geologische Formation zur CO₂-Speicherung eignet.

Wichtige Erkenntnisse über die Veränderungen der Porenstruktur gewannen die Forscher durch Untersuchungen einer Bohrprobe an Kleinwinkelneutronenstreuanlagen des Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) in Garching bei München. „Die Kombination eines Kleinwinkelstreuinstruments, das das klassische Lochkamera-Prinzip nutzt, und eines Diffraktometers für sehr kleine Streuwinkel, das mit einem fokussierenden Spiegel arbeitet, ermöglicht die Untersuchung der Struktur einer Vielzahl von Materialien im Größenbereich von weniger als einem Nanometer bis zu mehr als einem Dutzend Mikrometern“, erläutert Dr. Vitaliy Pipich, Instrumentwissenschaftler am JCNS. „Kleinwinkelstreuuntersuchungen eignen sich damit hervorragend, um die Veränderungen der Porenstruktur und damit der Durchlässigkeit des Gesteins zu bestimmen.“ Das JCNS strebt gemeinsam mit der Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik an der RWTH Aachen, die ebenfalls an der Untersuchung beteiligt war, zukünftig eine noch engere Zusammenarbeit in der Nutzung von Neutronenuntersuchungen für die Energieforschung an.