Klimaschutz : Sprudelflasche im Untergrund

Was passiert, wenn Kohlendioxid in tiefe Erdschichten gepresst wird?

Ralf Nestler

Kohlekraftwerke haben ein schlechtes Image. Neben den Mondlandschaften, die der Braunkohlebergbau hinterlässt, wird vor allem der Ausstoß des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) kritisiert. Von den 350 Millionen Tonnen CO2, die die deutsche Energiewirtschaft jährlich in die Atmosphäre bringt, kommt der größte Anteil aus den Kohlekraftwerken. Dieses Problem soll die CCS-Technologie lösen. Die Abkürzung steht für „carbon capture and storage“, das heißt: Das Kohlendioxid wird aus dem Rauchgas abgetrennt und in wasserführende Erdschichten in mehreren hundert Metern Tiefe gepumpt. So soll es dauerhaft von der Atmosphäre getrennt bleiben und das Klima nicht weiter aufheizen.

Wie sich das Gas im Untergrund verhält und wie groß die Gefahr ist, dass es an die Oberfläche gelangt, wird in mehreren Forschungsprojekten untersucht. „Am besten wäre es, wenn das CO2 über chemische Reaktionen zu festen Mineralen umgewandelt wird – dann bleibt es definitiv unten“, sagt Michael Kühn, der am Geoforschungszentrum Potsdam entsprechende Versuche leitet. Doch es dauert Jahrtausende, bis das Gas in Mineralen gebunden ist. Und es passiert nur mit einem kleinen Teil des CO2, weit mehr als die Hälfte wird im tief liegenden Salzwasser gelöst, berichten Forscher von der Universität Manchester im Fachmagazin „Nature“ (Band 458, Seite 614). Das Team um Stuart Gilfillan analysierte neun Erdgasfelder in Nordamerika, Europa und China, in denen CO2 enthalten ist. Anhand chemischer Analysen schließen die Forscher, dass das Kohlendioxid meist von Magma stammt, das vor Jahrtausenden in der Erdkruste nach oben stieg.

Um herauszufinden, welcher Anteil des Gases heute in flüssiger oder fester Form gebunden ist, bestimmten sie den Gehalt von Isotopen des Kohlenstoffs sowie der Edelgase Helium und Neon. Isotope sind unterschiedliche schwere Sorten von Atomen eines Elements. Bei manchen chemischen Reaktionen werden bestimmte Isotope bevorzugt verwendet. Der Gehalt bestimmter Atomsorten in chemischen Verbindungen ermöglicht es den Wissenschaftlern, die umgesetzten Mengen zu berechnen.

Die Isotopenanalysen in den Erdgasfeldern zeigen, dass selbst nach Jahrtausenden mehr als die Hälfte des CO2-Gases in Wasser gelöst ist – wie Kohlensäure in einer Sprudelflasche. Nur etwa ein Fünftel des Gases war im Lauf der Zeit gemeinsam mit weiteren Elementen zu festen Mineralen geworden.

„Die Ergebnisse entsprechen ziemlich genau unseren Abschätzungen darüber, welche Gasmenge langfristig fixiert wird“, sagt Kühn. 100 Jahre nachdem das Gas in die Tiefe gepumpt wird, sind etwa 20 bis 25 Prozent im Wasser gelöst. Die Mineralbildung fängt zu dieser Zeit erst an. „Um den Prozess zu starten, muss das CO2 nämlich erst im flüssigen Zustand vorhanden sein, andernfalls gibt es kein Kristallwachstum“, erläutert Kühn. Nach 1000 Jahren sind knapp zehn Prozent des Gases in festen Carbonaten gebunden.

„Je basischer das Gestein ist, desto schneller laufen die Reaktionen ab“, sagt der Geochemiker. Ideal wäre Basalt, der etwa an Vulkanen entsteht. Doch dieses Gestein bildet dichte Schichten, in denen kaum Platz für Wasser ist. Deshalb suchen Forscher nach porösen, wasserführenden Sandsteinen, um darin CO2 zu versenken. Der Stromkonzern Vattenfall hat dazu kürzlich die Erlaubnis für detaillierte Studien in Ostbrandenburg beantragt. Dabei soll der Untergrund um Beeskow (Landkreis Oder-Spree) und Neutrebbin (Märkisch-Oderland) erkundet werden.

In Europa wird das CCS-Verfahren bislang nur im Sleipner-Gasfeld in der Nordsee angewandt. Auf Betreiben der Stromkonzerne soll die Speichertechnik nun auch an Land etabliert werden, um Kohlekraftwerke klimaneutral zu machen. Doch das kostet: Allein das Abtrennen des Treibhausgases ist so energieaufwendig, dass bis zu 20 Prozent mehr Kohle verbrannt werden müssen, um die gleiche Menge Strom ins Netz speisen zu können. Dieser Aufwand soll über den Handel mit Emissionszertifikaten finanziert werden.

Die Menschen, die in direkter Nachbarschaft zu den CO2-Endlagern leben, fragen sich vor allem, ob die Speicher wirklich dichthalten. Theoretisch verhindern Tonschichten, die über den Sandsteinen lagern, dass das Gas nach oben strömt. Für jede potenzielle Lagerstätte muss allerdings genau untersucht werden, ob es nicht verborgene Spalten gibt, über die das CO2 entweichen kann.

Seit Sommer vergangenen Jahres testet das Team um Michael Kühn in Ketzin bei Berlin verschiedene Verfahren, mit denen die Bewegung des Gases in der Tiefe möglichst genau erfasst werden soll. Bislang sei es zu keinen Gasaustritten gekommen, sagt der Geoforscher.

Bis die CCS-Technologie im großen Stil eingesetzt wird, dürften noch einige Jahre vergehen. Die Vorerkundungen von Vattenfall etwa sind bis 2011 geplant. Den Zeitpunkt, zu dem die Strom- und Wärmeerzeugung klimaneutral ist, beziffert die Unternehmensleitung auf das Jahr 2050.

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