Geologische CO2-Speicherung: Riskantes Geschäft oder vielversprechende Lösung?

Weltweit werden jedes Jahr schwindelerregende 36 Milliarden Tonnen Kohlendioxid (CO2) in die Atmosphäre ausgestoßen, wobei 25 % des Gesamtausstoßes aus der Stromerzeugung stammen. Die gute Nachricht ist, dass die heutige Technologie bereits in der Lage ist, CO2-Emissionen aus fossilen Energieerzeugungsanlagen aufzufangen und tief unter der Erde in geologischen Formationen dauerhaft einzuschließen. Das Verfahren wird als geologische Sequestrierung (GS) bezeichnet. Aber wie sicher ist es?

Um diese Frage zu beantworten, muss man zunächst wissen, dass die US-amerikanische Erdölindustrie seit drei Jahrzehnten jedes Jahr 35 Millionen Tonnen CO2 - das Äquivalent von acht Kohlekraftwerken - erfolgreich in tiefe Gesteinsschichten einleitet, um die Ölförderung zu steigern - insgesamt also fast eine halbe Milliarde Tonnen. Die Stadt Seminole in West-Texas liegt über einer der ältesten und größten EOR-Anlagen des Landes, in der derzeit eine Million Tonnen CO2 pro Jahr eingepresst werden, ohne dass es dabei zu einer schädlichen Freisetzung von CO2 kommt. Bei der verstärkten Erdölgewinnung (Enhanced Oil Recovery, EOR) stellen die Ingenieure fest, dass das teure, natürlich gewonnene CO2, das sie zu diesem Zweck verwenden, nur schwer aus dem Gestein zurückgewonnen werden kann. EOR ist in Wirklichkeit Kohlenstoffbindung, das "S" in CCS (CO2-abscheidung and sequestration from coal and natural gas fired power plants).

Das Konzept von CO2-abscheidung und Sequestrierung (CCS) ist recht einfach: Kohlendioxid wird chemisch "abgeschieden" und von den Emissionen eines modernen Kraftwerks getrennt, und der daraus resultierende nahezu reine CO2-Strom wird in einen fast flüssigen Zustand komprimiert und in den Untergrund gepumpt. Die aufnehmenden Gesteinsschichten (in der Regel Sandsteine) sind bewährte Fallen, die bekanntermaßen geologische Flüssigkeiten und/oder Gase enthalten. Diese Wirtsgesteine müssen unter einem Deckgestein" aus dichten Schlammsteinen (z. B. Schiefer) liegen, durch das das CO2 nicht aufsteigen kann. Überall in den USA gibt es große unterirdische geologische CO2-Quellen in Sandsteinen, die von undurchlässigem Schiefergestein bedeckt sind. In Mississippi zum Beispiel gibt es eine 150 bis 200 Millionen Jahre alte unterirdische geologische Struktur, die eine halbe Milliarde Tonnen CO2 enthält. Wenn natürliche CO2-, Öl- und Gasvorkommen in geologischen Zeiträumen in solchen unterirdischen Strukturen verbleiben können, kann dies auch für vom Menschen erzeugtes CO2 gelten.

Da CO2 nach der Injektion nur schwer aus dem Gestein zu entfernen ist, ist es sehr unwahrscheinlich, dass es in Mengen in die Atmosphäre entweicht, die eine Gefahr für die Gesundheit oder die Umwelt darstellen. Es stimmt, dass CO2 in sehr hohen Konzentrationen den Sauerstoff in der Luft verdrängen kann und die Gefahr des Erstickens besteht. Geysire wie der Old Faithful im Yellowstone-Nationalpark stoßen jedoch beträchtliche Mengen eines Gemischs aus Wasser und CO2 aus, das von glücklichen Schaulustigen umgeben ist, ohne dass dies irgendwelche negativen Auswirkungen hat.

Leider berufen sich einige Gegner von CO2-abscheidung und der Sequestrierung als Panikmache auf einen Vorfall, der sich 1986 am Nyos-See in Kamerun ereignete und bei dem 1746 Menschen durch eine höchst ungewöhnliche natürliche Freisetzung von CO2 ums Leben kamen. Aber dieser Vorfall ist eine andere Geschichte, die eine außergewöhnliche geologische Situation betrifft und für die geologische Sequestrierung nicht relevant ist. Der Nyos-See füllt einen sehr jungen (400 Jahre alten) Krater in einem aktiven vulkanischen Gebiet. In dieser tropischen Umgebung werden sehr große Mengen CO2 aus vulkanischen Spalten in das kalte Wasser am Seeboden freigesetzt, wo sich das gelöste CO2 über einen langen Zeitraum in enormen Mengen konzentriert. Im Jahr 1986 wurde die kalte Wasserschicht am Boden des Nyos-Sees durch einen Erdrutsch unterbrochen, wobei auf einmal zwei Millionen Tonnen CO2 freigesetzt wurden, was den jährlichen Emissionen eines kleinen Kohlekraftwerks entspricht. Da dieses CO2 schwerer als Luft ist, setzte es sich auf einem Dorf ab und ließ die Bewohner ersticken. Kritiker der Kohlenstoffsequestrierung verweisen zu Unrecht auf die Tragödie am Nyos-See - zu Unrecht, denn die Wissenschaft sagt, dass es sich um ein völlig anderes Szenario handelt, das nur in Gebieten vorkommt, die gleichzeitig vulkanisch sind und in tropischem Klima liegen, wo das Wasser des Sees nur wenig natürlich umgewandelt wird.

Die geologische Sequestrierung würde in einer Geologie wie der des Nyos-Sees niemals durchgeführt werden, und außerdem muss GS sorgfältig überwacht werden. Bei geologischen Sequestrationsprojekten wird das CO2 im Untergrund verfolgt, da es in mikroskopisch kleinen Poren in stabilen Gesteinsformationen in mindestens einer halben Meile Tiefe eingeschlossen wird. In einem GS-Feld könnte bei den ersten Anzeichen einer unerwarteten CO2-Migration durch ein umfassendes Programm zur Überwachung des Untergrunds eine Warnung an eine Kontrolleinrichtung übermittelt werden. Der Betreiber würde dann die Injektion einstellen, um den Druck zu verringern und die CO2-Bewegung einzudämmen, und das Problem untersuchen und beheben oder den Betrieb in diesem Gebiet einstellen.

Eine weitere Sorge, die von CCS-Gegnern geäußert wird, ist das Risiko von durch den Menschen verursachten Erdbeben. Wenn Flüssigkeiten mit einem Druck in das Gestein gepresst werden, der die Festigkeit des Gesteins übersteigt, wie z. B. bei der Exploration von Schiefergas, können sich kleine Risse bilden. Dieser Prozess, der gemeinhin als "Fracking" bezeichnet wird, führt gelegentlich zu Mikroseismizität, d. h. zu kleinen Erschütterungen, die mit extrem empfindlichen Instrumenten messbar sind, aber von Menschen kaum wahrgenommen werden. Anders als bei der Gasexploration wird bei CCS jedoch darauf geachtet, Fracking zu vermeiden. Das liegt daran, dass Mikrofrakturen die CO2-Menge, die im Gestein der Lagerstätte gespeichert werden kann, eher verringern als erhöhen.

Die Seismizität, die durch die Injektion von Flüssigkeiten in das Gestein ausgelöst wird, ist umfassend erforscht worden, und diese Studien haben ergeben, dass die Injektionspraxis seit vielen Jahrzehnten fortgesetzt wird, ohne schädliche Erdbeben auszulösen. In einer aktuellen Studie der University of Texas und der Southern Methodist University über die Seismizität in der öl- und gasproduzierenden Region Dallas-Fort Worth heißt es: "In Texas gibt es Tausende von Injektionsbohrungen, von denen die überwiegende Mehrheit keine gefühlte oder instrumentell aufgezeichnete Seismizität erzeugt. "Tatsächlich werden in den USA jedes Jahr mehr als zwei Milliarden Tonnen aller Arten von Flüssigkeiten, einschließlich gefährlicher Abfälle, tief in den Untergrund gepresst, und nur in wenigen Fällen haben die mit der Injektion verbundenen Beben ein Ausmaß erreicht, das in den umliegenden Gemeinden zu spüren war. In einer der größten unterirdischen CO2-Injektionsanlagen der Welt, dem Weyburn-Feld in Kanada, wurden seit dem Jahr 2000 17 Millionen Tonnen injiziert, ohne dass es zu seismischen Ereignissen kam.

Das eigentliche Risiko von GS ist die Verunreinigung des Grundwassers durch die Bewegung von unterirdischem CO2 in Richtung eines Süßwasser-Aquifers. Dank der neuen EPA-Vorschriften ist nun ein umfassendes Überwachungssystem erforderlich, um solche Bewegungen zu erkennen (siehe Blog vom 22. November "EPA's New Rules Pave Way for Geologic Sequestration of CO2"). Auch hier liegt die Antwort in der richtigen Standortwahl und Projektplanung. Der Schlüssel zum Schutz der Grundwasserleiter liegt darin, dass GS-Standorte unter dicken, undurchlässigen Gesteinsschichten liegen, die über der Injektionszone liegen. Die Überwachung der chemischen Zusammensetzung und des Drucks der unmittelbar über dieser Barriere liegenden Schichten ist eine Maßnahme, die im Rahmen des EPA-Programms ergriffen werden kann, um eine frühzeitige Warnung vor einer potenziell schädlichen CO2-Migration zu geben. Laut einer unabhängigen Studie der University of Texas haben die Betreiber des westtexanischen SACROC-Ölfeldes mit Tausenden von Bohrlöchern seit 1972 175 Millionen Tonnen CO2 (das entspricht der Jahresproduktion von 20 großen Kraftwerken) sicher eingeleitet, ohne die darüber liegenden Süßwasser-Aquifere zu schädigen.

Da die weltweite Energienachfrage die Bemühungen zur Eindämmung der Treibhausgasemissionen rasch übersteigt, ist die Kohlenstoffsequestrierung eine sichere Technologie, die wir jetzt einsetzen können, um die Klimaauswirkungen der Nutzung fossiler Brennstoffe zu verringern. Mit den gleichen Fähigkeiten, die Erdölgeologen bei der Förderung von Öl und Gas einsetzen, sollten wir in der Lage sein, Kohlendioxid sicher zu verpressen und für Millionen von Jahren zu speichern. Das Sleipner-Feld der norwegischen Statoil Hydro in der Nordsee ist ein weiteres Projekt zur geologischen Sequestrierung, bei dem jährlich etwa 1 Million Tonnen CO2 eingepresst werden, mit einer angestrebten Kapazität von 20 Millionen Tonnen CO2 über die gesamte Lebensdauer des Projekts. Die Ingenieure gehen von einem Risikoniveau aus, das um Größenordnungen niedriger ist als die vom International Panel on Climate Change (IPCC) festgelegte Risikotoleranz von 1 Prozent Leckage in 1.000 Jahren. Sleipner ist seit 1996 in Betrieb, ohne dass es zu erkennbaren Freisetzungen gekommen ist.

Die Technologie ist also da. Jetzt müssen wir sie in großem Maßstab einsetzen.