Häufig gestellte Fragen
- Was ist CCS?
- Wo gibt es Speicherkapazitäten?
- Wie sicher ist die CO2-Speicherung im geologischen Untergrund?
- Welche geologischen Kriterien muss ein Speicher erfüllen?
- Welche Mechanismen halten das CO2 in der Tiefe fest?
- Welchen Einfluss hat CO2 auf Grundwasser und Nebengestein?
- Wie werden die Speicher überwacht?
- Was passiert, wenn CO2 doch aus dem Speicher entweicht?
- Kann die Verpressung von CO2 Erdbeben auslösen?
- Ist die CCS-Technik schon genügend erprobt?
- Welche Rolle spielt die BGR?
Was ist CCS?
Quelle: J. Rütters
CCS steht für Carbon (Dioxide) Capture and Storage, auf Deutsch: Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoffdioxid (CO2). Die CCS-Technologie besteht aus den Schritten Abscheidung, Transport und dauerhafte Speicherung von CO2. Die Grundidee ist, CO2 aus den Abgasen von z.B. großen Industrieanlagen abzuscheiden und es im tiefen geologischen Untergrund zu speichern, anstatt es in die Atmosphäre abzugeben. Damit die Speicherung von CO2 im Untergrund klimawirksam ist, muss das Treibhausgas für viele Jahrtausende unter der Erde verbleiben. Nur so kann die Anwendung von CCS einen Beitrag leisten, die globale Erderwärmung zu begrenzen.
Informationen zu den Grundlagen des Klimawandels sind zum Beispiel auf den Seiten des Umweltbundesamts zu finden.
Die Abscheidung des CO2 aus Industrieabgasen ist technisch sehr aufwändig. Daher kommen insbesondere große ortsfeste Industrieanlagen, Müllverbrennungsanlagen und Gas- oder Biomassekraftwerke für den Einsatz der Technologie in Frage.
Für die CO2-Abscheidung werden derzeit verschiedene Verfahren eingesetzt. Allen Verfahren ist gemein, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen Produktionsvorgängen einen höheren Energieeinsatz benötigen und somit mit gesteigerten Produktionskosten verbunden sind. Daher werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die bestehenden Verfahren zu optimieren oder alternative Abscheideverfahren zu entwickeln.
Nach der Abscheidung ist ein Transport des CO2 zum Speicherstandort erforderlich. Wo möglich, werden Speicherstandorte in der Nähe der Emittenten gesucht, um die Transportkosten gering zu halten. Für den Transport größerer CO2-Mengen ist die Pipeline eine günstige Variante. Die Trassenführung für CO2-Pipelines könnte bestehenden Pipelines folgen, um Aufwand, Flächenverbrauch und Kosten zu begrenzen. Das abgeschiedene CO2 wird für den Pipelinetransport verdichtet und unter hohem Druck (häufig zwischen ungefähr 80 und 150 bar) transportiert, damit möglichst viel CO2 in eine Pipeline bestimmter Größe passt. Dies entspricht Drücken, die auch für Hochdruckleitungen für Erdgas gebräuchlich sind.
Quelle: BGR
Die Speicherung von CO2 lässt sich am effektivsten im Porenraum von Gesteinen in mindestens etwa 800 m Tiefe realisieren. Unter den in diesen Tiefen üblicherweise herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen hat das CO2 im Vergleich zu atmosphärischen Bedingungen ein stark verringertes Volumen, also eine hohe Dichte. Mit der Tiefe nehmen Druck und Temperatur im Untergrund weiter zu. Hierdurch ändert sich die Dichte des komprimierten CO2 nur noch wenig (siehe Abbildung). Damit das CO2 dauerhaft im Speichergestein verbleibt, muss dieses von ausreichend mächtigen, für CO2 undurchlässigen Gesteinsschichten (Barrieregesteine) abgedeckt sein. Genauere Informationen zu den geologischen Anforderungen an einen CO2-Speicher sind hier zu finden.
Wo gibt es Speicherkapazitäten?
Für die Speicherung von CO2 werden momentan in Deutschland erschöpfte Erdgaslagerstätten und tiefe, Salzwasser führende Gesteinsschichten (sog. salinare Aquifere) in Betracht gezogen.
Quelle: BGR/Knopf et al. (2010)
Die Speicherung von CO2 in erschöpften Erdgaslagerstätten wird als eine sehr günstige Möglichkeit angesehen, da die Deckschichten der Lagerstätten erwiesenermaßen über Jahrmillionen Gase zurückhalten konnten, der Untergrund bereits gut bekannt ist und die ursprünglich für die Erdgasförderung aufgebaute Infrastruktur teilweise auch für die CO2-Speicherung genutzt werden kann. Die Speicherkapazität erschöpfter Erdgasfelder wird in Deutschland mit etwa 2,75 Milliarden Tonnen CO2 beziffert. Erschöpfte Erdöllagerstätten sind aus ähnlichen Gründen ebenfalls gut geeignet, sind in Deutschland aber überwiegend klein. Ihre CO2-Speicherkapazität beläuft sich auf etwa 130 Millionen Tonnen CO2.
Aufgrund ihrer weiten Verbreitung haben in Deutschland tiefe salinare Aquifere die größte volumetrische CO2-Speicherkapazität. Wegen ihrer tiefen Lage und des hohen Salzgehaltes ihrer Formationswässer sind diese Aquifere nicht für die Trinkwassergewinnung geeignet. Geowissenschaftler der BGR haben anhand von Regionalstudien die Speicherkapazität der salinaren Aquifere in den drei großen Sedimentbecken Deutschlands – an Land und im Meeresgebiet – auf 6,3 bis 12,8 Milliarden Tonnen CO2 abgeschätzt (Neuberechnung möglicher Kapazitäten zur CO2-Speicherung in tiefen Aquifer-Strukturen (PDF, 3 MB)). Es wurden hierfür Aufwölbungsstrukturen in ca. 75% der Gesamtfläche der drei Sedimentbecken betrachtet.
Zum Vergleich: Die CO2-Emissionen in Deutschland beliefen sich im Jahr 2021 auf 675 Millionen Tonnen pro Jahr (Quelle: Umweltbundesamt). Davon stammen rund 25% aus dem Industriesektor. Ein Großteil dieser Emissionen wird auf dem Weg zur Klimaneutralität 2045 durch Effizienzsteigerung, Einsatz erneuerbarer Energien und Einsatz treibhausgasneutraler Produkte reduziert werden können. Dennoch werden unvermeidbare Restemissionen von etwa fünf Prozent verbleiben.
Außerhalb des deutschen Hoheitsgebietes gibt es unter anderem im Untergrund der Nordsee untersuchungswürdige Gebiete für die CO2-Speicherung. Dort werden derzeit 50 mögliche Speicherstandorte erkundet. Wenige davon sind bereits im Betrieb, vor der norwegischen Küste bereits seit 1996.
Wie sicher ist die CO2-Speicherung im geologischen Untergrund?
Die geologische Speicherung von CO2 sollte in einer Tiefe von mindestens etwa 800 m erfolgen, so dass der Speicher, außer von der eigentlichen Barriereschicht, von verschiedenen weiteren Gesteinsschichten (sekundäre Barrieren und Reservespeicher sowie vom Deckgestein) überdeckt ist. Für die Langzeitsicherheit eines CO2-Speichers haben die geologischen Gegebenheiten im Untergrund die größte Bedeutung . Durch das Vorkommen natürlicher Erdgas- und CO2-Lagerstätten wissen wir, dass geologische Schichten in der Lage sind, Gase über viele Millionen von Jahren zurückzuhalten.
Beantragte Speicherprojekte dürfen nur genehmigt werden, wenn die Speichergesteinsschichten nachweislich von undurchlässigen Gesteinsschichten abgedeckt und eventuell vorhandene geologische Störungen ebenfalls undurchlässig sind. Darüber hinaus müssen die im Bohrloch verwendeten Materialien langfristig korrosionssicher gegenüber CO2, ggf. den weiteren Bestandteilen des CO2-Stroms und salzhaltigen Tiefenwässern sein.
Jeder Speicherstandort muss während und nach der Betriebsphase durch verschiedene Untersuchungen an der Erdoberfläche bzw. dem Meeresboden, Grundwasseranalysen und geophysikalische Messungen der Untergrundeigenschaften sorgfältig überwacht werden. So können ggf. Abweichungen vom erwarteten Ausbreitungsverhalten sowie Art und Ausmaß einer Leckage frühzeitig erkannt und geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden, um Schaden für Mensch und Umwelt zu vermeiden.
Für die sichere Injektion des CO2 in den Untergrund (Betriebsphase) kann auf Betriebserfahrungen sowohl aus laufenden CO2-Speicherprojekten weltweit und entsprechende internationale Normen als auch auf jahrzehntelange Erfahrungen aus der Erdöl- und Erdgasproduktion, dem Betrieb von Erdgasspeichern und der Förderung von CO2 aus natürlichen Lagerstätten zurückgegriffen werden. Im Gegensatz zu Erdgas ist CO2 weder brennbar, noch bildet es mit Luft explosive Gemische.
Für sorgfältig erkundete und im Genehmigungsverfahren als geeignet befundene Standorte kann bei ordnungsgemäßem, dem Stand von Wissenschaft und Technik entsprechenden Betrieb davon ausgegangen werden, dass die Speicherung von CO2 im geologischen Untergrund mit Risiken behaftet ist, die in etwa vergleichbar sind mit denen anderer, laufender Nutzungen des tieferen Untergrundes.
Welche geologischen Kriterien muss ein Speicher erfüllen?
Quelle: BGR
Die geologischen Anforderungen an unterirdische CO2-Speicher entsprechen weitgehend den Gegebenheiten natürlicher CO2- und Kohlenwasserstoff-Lagerstätten: Als Speicher braucht man ein poröses Gestein, dessen Porenraum genügend CO2 aufnehmen kann, und darüber mindestens eine abdeckende Gesteinsschicht, die undurchlässig für Gase und Flüssigkeiten ist. Die Nutzung einer Aufwölbungsstruktur ist für die Kontrolle und die Vorhersage der Ausbreitung des CO2 im Speichergestein von Vorteil. Das Deckgebirge sollte möglichst nicht von Störungen durchzogen sein. Falls doch Störungen vorhanden sind, sollten diese nachweislich undurchlässig sein.
Ebenso muss die Beschaffenheit und Dichtigkeit von eventuell vorhandenen alten, bereits verfüllten Bohrungen im Deckgebirge über dem Speicher und in dessen Umfeld bei der Eignungsprüfung eines Standorts nachgewiesen werden.
Die Kriterien für die Charakterisierung und Bewertung potenzieller Speicherstandorte und der potenziellen Speicherkomplexe sowie ihrer Umgebung sind in der Anlage 1 des KSpG beschrieben. Darüber hinaus macht die internationale Norm ISO 27914:2017 unter anderem Vorgaben zur Standorterkundung und -auswahl sowie zur sicheren geologischen Speicherung von CO2.
Welche Mechanismen halten das CO2 in der Tiefe fest?
Quelle: BGR
In freier Form ist ein bestimmtes Volumen an CO2 leichter als ein gleiches Volumen Wasser (bzw. Formationswasser). Dadurch ist das CO2 bestrebt, sich im Untergrund in Richtung Erdoberfläche zu bewegen (Auftrieb). Deswegen ist eine ausreichend mächtige Barriere, also eine ausreichend dicke Schicht aus für CO2 undurchlässigem Gestein, über dem Speicher erforderlich, um das CO2 in einer geeigneten Speicherstruktur2 (potenziell) geeignete Gesteinsstruktur im Untergrund, in Deutschland werden vor allem Aufwölbungsstrukturen betrachtet gefangen zu halten. Geeignete Barrieregesteine sind insbesondere Tongesteine oder Steinsalz. Neben diesem „strukturellen Rückhalt“ sorgen insbesondere die Kapillarkräfte in den Gesteinsporen dafür, dass einmal in die Poren gelangtes CO2 nicht ohne Weiteres wieder vollständig daraus entfernt werden kann, sondern ein Teil des CO2 darin verbleibt („kapillarer Rückhalt“). Zudem löst sich das CO2 im Formationswasser, das natürlicherweise im Porenraum vorhanden ist. Diese CO2-reiche Lösung ist schwerer als das umgebende Formationswasser und sinkt deshalb nach unten ("Lösungsrückhalt"). CO2 kann auch mit Formationswässern und Gesteinen reagieren und feste Karbonate bilden, in denen das CO2 langfristig festgelegt wird („mineralischer Rückhalt“). Reaktionen mit verschiedenen Gesteinsbestandteilen laufen unterschiedlich schnell. Beispielsweise verlaufen Reaktionen mit Silikatmineralen der Speichergesteine recht langsam, so dass auch noch Hunderte oder Tausende von Jahren nach der Einleitung des CO2 weiter Karbonate gebildet werden können. Durch die beschriebenen verschiedenen Rückhalte-Mechanismen wird das CO2 im Laufe der Zeit immer sicherer in der Tiefe festgehalten. Es hängt von den Gegebenheiten an jedem Speicherstandort ab, welche Mechanismen dort in welchem Umfang zum Rückhalt des CO2 im Speicher beitragen.
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 Gesteinsschichten in über 800 m Tiefe gespeichert wird. Der Porenraum des Speichergesteins ist meist mit Formationswässern (Solen) gefüllt, deren Salzgehalt je nach Tiefe zwischen 100 und 400 g Salz pro Liter betragen kann. Zum Vergleich: Meerwasser enthält ungefähr 35 g Salz pro Liter.
Im Fall von erschöpften Lagerstätten sind im Porenraum zudem noch Reste von Erdöl oder Erdgas enthalten. Diese Fluide sind von den oberflächennahen Grundwasserleitern durch mächtige, undurchlässige Gesteinspakete getrennt, die auch das CO2 zurückhalten können. Außerdem ist durch die Kohlenwasserstoffförderung der Druck in den Lagerstätten gegenüber den umgebenden Gesteinen gesunken. Wenn durch die CO2-Injektion der Druck im Speicher, also in der ehemaligen Lagerstätte, den in den umgebenden Gesteinen herrschenden Druck nicht überschreitet, wirkt dieses Druckgefälle einer Ausbreitung des Speicherinhalts – über die Grenzen der ursprünglichen Lagerstätte hinaus – entgegen.
Die im Porenraum vorhandene Sole ist nur gering kompressibel und wird durch das eingepresste CO2 verdrängt. Bei einer 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 im Untergrund keine Wegsamkeiten für einen Aufstieg der Solen in Süßwasservorkommen vorhanden sind. Im Gorgon CO2-Speicherprojekt in Australien wird z.B. aktiv Sole aus dem Speicher gefördert, um in kürzerer Zeit größere Mengen an CO2 injizieren zu können. Die geförderte Sole muss an der Erdoberfläche aufwändig behandelt und entsorgt oder in eine andere poröse Gesteinsschicht injiziert werden. Für Deutschland wird eine solche Option nicht in Betracht gezogen.
Quelle: BGR
Im Speicher löst sich das CO2 im Laufe der Zeit in der Sole und bildet dabei Kohlensäure. Die Kohlensäure kann mit dem Speichergestein reagieren. Einige Minerale des Speichergesteins können aufgelöst oder umgewandelt werden und es können sich neue Minerale bilden. Durch diese Reaktionen können sich die hydraulischen Eigenschaften und die Porosität der Gesteine verändern, sowohl zum Vorteil, als auch zum Nachteil für die Langzeitsicherheit und den Speicherbetrieb. In welchem Ausmaß solche Mineralreaktionen auftreten und welche Auswirkungen sie auf die Gesteinseigenschaften haben, ist von der Gesteinsbeschaffenheit an dem jeweiligen Speicherstandort abhängig. Daher ist die geochemische Charakterisierung als Bestandteil der Standorterkundung im Kohlendioxid-Speicherungsgesetz vorgeschrieben. Günstige Speichergesteine sind quarzreiche Sandsteine, die nur sehr wenige reaktive Minerale enthalten.
Wie werden die Speicher überwacht?
Das Kohlendioxid-Speicherungsgesetz legt Anforderungen an die Überwachung von CO2-Speichern fest. Da die Speicherung in Gesteinsschichten erfolgt, die mindestens etwa 800 m tief liegen, werden üblicherweise verschiedene Methoden für die Überwachung eines CO2-Speichers kombiniert. Zahlreiche Methoden stehen für die Überwachung eines Speicherstandortes – sowohl des tiefen geologischen Untergrunds als auch der Erdoberfläche sowie von Grund- und Oberflächenwässern – zur Verfügung.
Quelle: BGR
Der Betreiber eines CO2-Speichers hat unter Berücksichtigung der standortspezifischen Bedingungen einen Überwachungsplan für den vorgesehenen Speicher und seine Umgebung zu erstellen. Dieser muss bereits bei der Beantragung des Speichers vorgelegt werden. Bei Abweichungen vom geplanten Speicherverhalten und einer nötigen Neubewertung von z. B. Leckagerisiken sind die Überwachungspläne entsprechend anzupassen. Die Überwachung eines Speichers muss über das Ende der CO2-Injektion hinaus andauern, um sicherzustellen, dass alle Messdaten auf eine langfristig sichere Speicherung des CO2 hinweisen und es keine Anzeichen für eine Leckage gibt. Nur dann kann der Betreiber aus der Verantwortung für den Speicher entlassen werden – laut KSpG in der Regel frühestens 40 Jahre nach der Stilllegung des CO2-Speichers.
Was passiert, wenn CO2 doch aus dem Speicher entweicht?
Entscheidend für die Auswirkungen von CO2 auf Mensch, Tier und Umwelt an der Erdoberfläche ist die Konzentration des Gases in der Luft oder im Wasser. CO2 ist zwar nicht giftig und weder brennbar noch explosiv, doch, wie bei einigen anderen Gasen auch, kann eine zu hohe Konzentration in der Atemluft zu gesundheitlichen Problemen bis hin zum Ersticken führen. Die Konzentration in der Luft hängt davon ab, wie viel CO2 pro Zeit an der Erdoberfläche austritt und wie die Bedingungen am Austrittsort sind.
Quelle: BGR
Zahlreiche natürliche CO2-Austritte, wie sie zum Beispiel in der Eifel vorkommen, zeigen, dass sich aus dem Erdinneren entweichendes CO2 in der Regel schnell mit der Umgebungsluft vermischt und dadurch auf ein ungefährliches Maß verdünnt wird. Der an solchen Austritten freigesetzte CO2-Strom kann stark variieren, von weniger als einem Gramm bis zu einigen Tonnen CO2 pro Tag bei großen, ausgedehnten Austritten wie am Laacher See. Im Freien kann sich das Gas lediglich unter sehr ungünstigen Bedingungen, d.h. bei Windstille, in Mulden oder Tieflagen derart anreichern, dass es für Menschen oder Tiere zu einer gesundheitlichen Gefahr wird. Die größte Gefahr einer Anreicherung von CO2 besteht in geschlossenen, schlecht belüfteten Räumen, insbesondere in Kellern und Stollen.
Von natürlichen CO2-Austritten sowie aus Freisetzungsexperimenten weiß man, dass auch andere Auswirkungen von austretendem CO2 in der Regel nur im direkten Umfeld der Austrittsstelle auftreten. Zu solchen Auswirkungen gehören beispielsweise eine lokale Versauerung des Bodens bzw. des Wassers und damit einhergehende Veränderungen der dort lebenden Mikroben- und Pflanzengemeinschaften. Die Abbildung zeigt einen natürlichen Austritt eines CO2-führenden Sauerwassers.
Kann die Verpressung von CO2 Erdbeben auslösen?
Im Prinzip ja, so wie jede Nutzung des Untergrundes, die mit Druckänderungen und Verlagerung von Fluiden im Untergrund verbunden ist. Allerdings handelt es sich hierbei zumeist um kaum spürbare Mikrobeben. Ein Risiko für das Auslösen von Erdbeben besteht vor allem in solchen Gebieten, in denen bereits natürlicher Weise Erdbeben auftreten.
Die Veränderungen der mechanischen Spannungsverhältnisse im Gestein, die durch die Druckveränderungen im Untergrund entstehen, die mit der Speicherung von CO2 einhergehen, können und müssen im Vorfeld einer CO2-Injektion mit Hilfe numerischer Modelle berechnet werden. Aufgrund von Injektionstests und anhand der Modellergebnisse werden Injektionsraten und Maximaldrücke des Speicherbetriebs so bemessen, dass unter anderem das Risiko, Erdbeben auszulösen, minimiert und die Integrität der Deckschichten nicht gefährdet wird. Ob Schädigungen auftreten, ist jeweils von den Gegebenheiten an jedem Speicherstandort abhängig.
Quelle: BGR
Wie oben gesagt, können durch eine CO2-Injektion in den Untergrund Mikrobeben ausgelöst werden, die an der Erdoberfläche kaum wahrnehmbar sind. Dies war z.B. bei der CO2-Injektion in InSalah, Algerien, der Fall. Hier wurde durch die CO2-Injektion ein Überdruck im Speichergestein und seiner Umgebung erzeugt, durch den letztendlich Risse im Barrieregestein bis zu 100-200 m oberhalb des Speichers entstanden bzw. reaktiviert worden sind. Da die Barrieregesteinsschichten dort aber bis zu 950 m dick sind, ergab sich insgesamt keine Beeinträchtigung der Speichersicherheit.
Bei den Speicherprojekten im norwegischen Sleipner und in Weyburn, Kanada, löst die CO2-Injektion, die mit vergleichbaren Injektionsraten erfolgt wie in InSalah, keine Mikrobeben aus.
Ist die CCS-Technik schon genügend erprobt?
Die CO2-Speicherung basiert auf der Technologie zur Erdgasspeicherung unter Tage, die in Deutschland bereits seit 1955 praktiziert wird. Erfahrungen mit der Speicherung von CO2 in geologische Formationen gibt es weltweit seit mehr als einem Vierteljahrhundert. Beispielweise werden oberhalb des norwegischen Erdgasfeldes Sleipner seit 1996 jährlich rund 1 Million Tonnen CO2 in den Utsira-Sand (salinarer Aquifer) injiziert. Grund hierfür ist, dass das Erdgas dort natürlicher Weise einen Anteil an CO2 enthält, das den Brennwert des Erdgases herabsetzt und das daher vor dem Verkauf abgeschieden wird.
Quelle: BGR
Weltweit waren im Jahr 2022 nach einer Zusammenstellung des Global CCS Institute 30 kommerzielle CCS-Projekte mit einer Abscheidekapazität von ca. 40 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr im Betrieb – die meisten davon in Nordamerika. Dort wird CO2 vor allem in nahezu ausgeförderte Erdöllagerstätten gepumpt, um die Erdölausbeute zu steigern („Enhanced Oil Recovery“). Das CO2, das zur Steigerung der Erdölausbeute durch CO2-Injektion in den USA und Kanada, aber auch z.B. in Kroatien, Ungarn und der Türkei, verwendet wird, stammte ursprünglich aus natürlichen CO2-Vorkommen und wird schon seit vielen Jahren in Rohrleitungen (Pipelines) zu den Ölfeldern transportiert.
Weitere CO2-Speicher sind in verschiedenen Ländern im Bau bzw. in Planung. Eine Übersicht über aktuelle CCS-Projekte findet sich z.B. im Jahresbericht 2022 des Global CCS Institute sowie in dessen Projektdatenbank .
Welche Rolle spielt die BGR?
Im Kohlendioxid-Speicherungsgesetz (KSpG) sind für die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) verschiedene Aufgaben vorgesehen. Für die Genehmigung und Überwachung von CO2-Speichern sind die Bundesländer zuständig.
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