Kohlendioxidlagerung im CCS-Verfahren Wird die Erde zur Sprudelflasche?

Das wäre also geregelt: Am vergangenen Mittwoch hat die Bundesregierung einen Gesetzentwurf beschlossen, um die unterirdische Lagerung von Kohlendioxid rechtlich abzusichern. Betreibern neuartiger Kohlekraftwerke, die mit einem Verfahren namens "Carbon Capture and Storage" (CCS) ihre Kohlendioxidabgase abscheiden und im Boden speichern, sind danach nur bis zu 30 Jahren nach Versiegelung eines CO2-Speichers für eventuelle Schäden verantwortlich zu machen. Danach liegt das Risiko beim Staat.

Am Donnerstag nun erschien im Wissenschaftsmagazin Nature eine Studie von Forschern um Stuart Gilfillan von der University of Manchester, die auf den ersten Blick dazu angetan sein könnte, die Verabschiedung des CCS-Gesetzes im Bundestag zu gefährden. Der britische Geochemiker und seine Kollegen hatten sich gefragt, was mit CO2 passiert, das sich längere Zeit im Boden befindet: Reagiert es mit den Gesteinen zu festen Mineralen, oder löst es sich in dem in Sedimenten gespeicherten Wasser? Ist in letzterem Fall nicht zu befürchten, dass das Klimagas nach einiger Zeit wieder als blubbernder Sprudel an die Oberfläche dringt und die teure CCS-Technik zur Makulatur macht?

Kohlensäure kommt ins Spiel

Tatsächlich gelangt das Gas ins Bodenwasser. Das konnten Gilfillan und Kollegen bei neun natürlichen Gasfeldern mit hohem CO2-Anteil nachweisen. Dazu untersuchten sie Gasproben auf den Gehalt an dem seltenen Edelgas Helium-3 sowie den häufigeren Helium-4 und Neon-20. Während das Helium-3 nur aus dem Erdmantel stammen kann, von wo aus es zusammen mit dem Natur-CO2 in die Gasfelder gelangte, kommen Helium-4 und Neon-20 hauptsächlich aus der Erdkruste beziehungsweise der Atmosphäre. Gilfillan beobachtete nun, dass Gasproben, in denen weniger CO2-Moleküle auf ein Helium-3-Atom kamen, mehr von den anderen Edelgasen enthielten. Ihr Schluss: Das leicht wasserlösliche CO2 war in Lösung gegangen, während die weniger gut löslichen Edelgase aus dem Wasser in die Gasbläschen entfleucht waren, aus denen die untersuchten Proben stammen. Dass das CO2 tatsächlich ins Wasser entschwunden war und nicht mit umgebenden Gestein zu festen Mineralen reagierte, konnten sie aus dem Gehalt an dem schweren Kohlenstoffisotop C-13 schließen. CO2 mit diesem Isotop wird eher in Minerale eingebaut als das leichtere C-12.

"Das bestätigt, was bisher nur eine Theorie war: Dass wir uns bei der CO2-Einlagerung über längere Zeiträume auf die Lösung des Gases in dem Wasser konzentrieren müssen", freut sich Gilfillans Koautor Chris Ballentine, "Wasser, das natürlicherweise in den Gesteinsporen vorhanden ist." Trotzdem klingt das Resultat aus zwei Gründen erst einmal gar nicht gut: Der erste betrifft die gasundurchlässigen Schichten in Öl- und Erdgasfeldern, die als aussichtsreiche Endlager für das CO2 aus verstromter Kohle gelten. Nun löst sich Kohlendioxid in Wasser aber unter Bildung von Kohlensäure. Das ist zwar eine relativ schwache Säure, doch im Laufe der Zeit zersetzt sie auch Gesteine, insbesondere Kalkstein und solche, die Feldspat-Minerale enthalten. So wurden schon Bedenken laut, das kohlensaure Wasser könnte sich den Weg zurück zur Oberfläche ätzen, und dort seine CO2-Fracht wieder an die Atmosphäre abgeben, von der man sie ja fernzuhalten hofft.

Säureresistente Formationen

Allerdings spricht nicht zuletzt das zum Teil enorme Alter natürlicher kohlensaurer Gasvorkommen deutlich gegen ein solches Szenario. So hat Jiemin Lu von der University of Texas in Austin im Januar zusammen mit britischen Kollegen im Fachmagazin Geology die Untersuchung eines CO2-reichen Erdgasvorkommens im Miller-Oil Field in der Nordsee, 250 Kilometer östlich der Orkney-Inseln, veröffentlicht. Das Gas wird dort vier Kilometer unter dem Meeresboden durch tonhaltige Sedimente gefangen gehalten - und zwar schon seit 70 oder 80 Millionen Jahren, also seit der Zeit der Dinosaurier.

Wie Lu und Kollegen durch Isotopenanalyse von Bohrkernen herausfanden, hat sich die Kohlensäure in dieser Zeit gerade mal zwölf Meter weit in die gasdichte Deckschicht gefressen. Solche Formationen sind also ziemlich säureresistent, was Geologen nicht sonderlich überrascht, entstehen solche tonigen Sedimente doch bereits durch Verwitterung von Silikaten unter Aufnahme von CO2. "Die Sedimentgesteine haben die Verwitterung bereits hinter sich", erläutert Susan Hovorka, die wie Lu an der University of Texas in Austin arbeitet. "Sie sind daher nicht sonderlich reaktiv."

Auf mehrere Mechanismen setzen

Aber ist es nicht trotzdem unsympathisch, wenn in die Erde eingeleitetes CO2 sich im Wasser löst, anstatt mit den Gesteinen zu festen Mineralien zu reagieren? Das ist der zweite Grund, weswegen Gilfillans Resultate den CCS-Technologen Kopfschmerzen bereiten könnten. Doch Hovorka winkt ab. "Speicherung in festen Mineralien ist nicht immer sicherer", sagt die Geologin. "Viele natürliche CO2Quellen, etwa in der Perrier-Region in Frankreich oder dem Colorado-Plateau, beruhen auf erhitzten Carbonat-Mineralen."

Überhaupt müsse man sich für die CO2-Endlagerung immer mehr als nur einen Mechanismus zunutze machen. Neben mehreren Lagen gasdichter Deckschichten und der chemischen Reaktion des CO2 zu festen Mineralien - von der Gilfillan und Kollegen jetzt gezeigt haben, dass sie nur von untergeordneter Bedeutung ist - nennt Susan Hovorka noch zwei andere. Da wären einmal die sogenannten Kapillarkräfte, die gasförmiges CO2 als Bläschen in Gesteinsporen festhalten. "Das ist dasselbe Prinzip, das schuld daran ist, warum man einen Fettfleck nicht aus der Krawatte kriegt", sagt Hovorka. "Das Einzige, was da hilft, ist ein Lösungsmittel, aber auch damit geht es nicht perfekt."

Insgesamt keine schlechten Nachrichten

Und als vierten Prozess gebe es da noch einen, bei dem die Lösung des CO2 in Wasser ausdrücklich erwünscht ist: die Speicherung des Gases in salzwasserhaltigen Gesteinsschichten, sogenannten salinen Aquiferen. "Aufgrund ihres Salzgehaltes hat diese Lauge eine höhere Dichte", sagt Hovorka. "Sie bleibt daher über geologische Zeiträume hinweg in der Tiefe - zum Glück für uns, die wir Oberflächengewässer aus Süßwasser brauchen." Auch für Chris Ballentine hat die Injektion von Kraftwerks-CO2 in saline Aquifere viele Vorteile: "Diese Laugen werden durch das CO2 noch dichter. Damit sinkt auch die Wahrscheinlichkeit dafür, dass sie aufsteigen und sich mit weniger salzigem Grundwasser mischen."

Insgesamt bedeuten die neuen Ergebnisse also für die mit CCS befassten Geologen keine schlechten Nachrichten: Man hatte erstens nicht mit einem anderen Befund gerechnet und ist zweitens von jeher darauf aus, dass die Schichten, in die man das CO2 injizieren will, durch mehrere Barrieren von den Oberflächengewässern getrennt sind. Neu ist, dass man nun mehr darüber weiß, was mit dem CO2 in der Tiefe passiert. Und mehr zu wissen ist für Wissenschaftler zunächst immer eine gute Nachricht.