Projekt-Cluster / 06.03.2012
CO2-Speicher
Forschungsansatz
Erfolgreich angewandte Abtrenntechnologien führen zu erheblichen CO2-Mengen – hochkonzentriert im Bereich von Megatonnen pro Jahr. Daher kommt der dauerhaft sicheren geologischen Speicherung von CO2 eine wichtige Funktion zu, da andere Technologien in absehbarer Zeit noch nicht großtechnisch zur Verfügung stehen.
Nach den erfolgversprechenden Pilotversuchen zur geologischen Speicherung in salinen Aquiferen (z.B. im Projekt CO2SINK in Ketzin) müssen die Technologien im nächsten Schritt auf größere Demoanlagen ausgeweitet werden. Dabei stehen geologische Speichermöglichkeiten in nahezu leergeförderten Erdgasfeldern ebenso wie in größeren salinen Aquiferen im Mittelpunkt.
Durch die unterschiedlichen Abtrenntechnologien entstehen CO2-reiche Gase mit unterschiedlichen Verunreinigungen. Ein detailliertes Verständnis der Wechselwirkungen mit dem Untergrund der verschiedenen Gase ist dabei wesentlich für die langzeitsichere Verwahrung des CO2.
Auch ist eine detailliertere Kenntnis der vorhandenen „Off- und On-Shore“-Speicherpotenziale für strategische Entscheidungen von großer Bedeutung - unter dem Meeresboden und unter Land. Für die Überwachung der Speicher müssen geeignete Monitoring-Technologien entwickelt und weiterentwickelt werden, um neben der Aufsuchung geeigneter Speicher die Überwachung während und nach Abschluss der Injektion sicherstellen zu können. Die Entwicklung langzeitsicherer Verschlüsse der geologischen Speicher ist von großer Wichtigkeit.
Forschungsziele
Einfluss der CO2-Abgasqualität auf Transport, Injektion und Speicherung
- Thermodynamisches und technisches Verhalten von CO2 und CO2-Gas-Gemischen
- Qualitätsanforderungen an Abgas-CO2 für den Transport und die Injektion
- Experimentelle Untersuchung der Korrosionsraten von Bohrlochstählen in Abhängigkeit von der Konzentration verschiedener Komponenten des CO2-Mix
- Erhöhung der langfristigen Korrosionsfestigkeit der Bohrlochverrohrung
- Experimentelle und analytische Untersuchungen der petrophysikalischen und geochemischen Eigenschaften von Gesteinen unter Einwirkung von CO2 und CO2-Gas-Gemischen
- Einfluss von Begleitstoffen des CO2 auf Speicher und Deckgesteine
Informationssystem für CO2-Speicher- und Deckgesteine
- CO2-Speicheratlas: Systematische Erfassung, Klassifizierung und Quantifizierung von Speicherstandorten in Deutschland
- Spezifische Erkundungs- und Erschließungstechnologien für geologische Speicher
- Charakterisierung ausgewählter Speicher- und Deckschichten: Geologie, Lithologie, Hydrologie, Kapazität, Injektivität, Reaktivität, Stabilität
- Durchlässigkeit von Speicher- und Deckgesteinen für überkritisches CO2
- Leckage- und Reaktionsverhalten natürlicher CO2-Vorkommen
- Erstellung einer Datenbank von Parametern und Modellen für die Bewertung der Speichereignung
Methodenentwicklung zur Erhöhung von Speichereffizienz und -sicherheit
- Numerische Simulationen der Geoprozesse im Speicher und Deckgebirge bei der CO2-Injektion
- Optimierung des thermodynamischen Regimes für CO2 und CO2-Gemische bei der Injektion
- Verbesserung der geowissenschaftlichen Monitoring-Technologien für die CO2-Speicherung hinsichtlich räumlicher und zeitlicher Auflösung, Eindringtiefe und Sensitivität sowie Zuverlässigkeit und Kosten
- Technologieentwicklung für einen sicheren Verschluss von CO2 Speicherbohrungen nach Projektende und Nachweis der langfristigen Dichtigkeit des Speichers
- Kontrolle des geologisch gespeicherten CO2 und Verifikation der planmäßigen Ausbreitung im Untergrund in der Betriebs- und Nachbetriebsphase
- Entwicklung von Methoden zur qualitativen und quantitativen Risikobewertung
Perspektiven
Die für eine CO2-Speicherung notwendigen Schwerpunkte der laufenden und zukünftigen Forschung und Entwicklung sind folgende drei Felder:
1. Einfluss der CO2-Abgasqualitäten auf Transport, Injektion und Speicherung
Dies umfasst Untersuchungen zum thermodynamischen und technischen Verhalten von CO2 und CO2-Gasgemischen, Qualitätsanforderungen an Abgas-CO2 für den Transport und die Injektion, experimentelle Untersuchungen der Korrosionsraten von Bohrlochmaterialien, Untersuchungen zur langfristigen Korrosionsfestigkeit der Bohrlochverrohrung, experimentelle und analytische Untersuchungen der geochemischen Eigenschaften von Gesteinen unter Einwirkung von CO2 und CO2-Gasgemischen sowie Einfluss von Begleitstoffen des CO2 auf Speicher und Deckgebirge. Diese Arbeiten bedürfen forcierter F&E-Anstrengungen, da die Reinheitsanforderung die vorgeschaltete Abscheide- und CO2-Aufbereitungstechnik (Kompression, Destillation/Flash) unmittelbar beeinflusst. Je höher die Anforderungen, umso höher der technische sowie kostenseitige Aufwand der vorgelagerten Techniken. Hohe Reinheitsanforderungen können mitunter auch die Wahl einer CCS-Technikroute bestimmen.
2. Informationssystem für CO2-Speicher und Deckgesteine
Hierunter fallen die systematische Erfassung, Klassifizierung und Quantifizierung von Speicherstandorten in Deutschland (ein Speicherkataster befindet sich derzeit in der Entwicklung), spezifische Erkundungs- und Erschließungstechnologien für geologische Speicher, die Charakterisierung ausgewählter Speicher- und Deckschichten, die Untersuchung von Leckage- und Reaktionsverhalten natürlicher CO2-Vorkommen sowie die Erstellung einer Datenbank von Parametern und Modellen für die Bewertung der Speichereignung.
3. Methodenentwicklung zur Erhöhung von Speichereffizienz und -sicherheit
Hierunter fallen numerische Simulationen der Geoprozesse, die Optimierung des thermodynamischen Regimes für CO2 und CO2-Gemische bei der Injektion, die Verbesserung geowissenschaftlicher Monitoring-Technologien hinsichtlich zeitlicher und räumlicher Auflösung, Eindringtiefe, Sensitivität, Zuverlässigkeit und Kosten. Darüber hinaus sind Technologien für einen sicheren Verschluss von CO2-Speicherbohrungen nach Projektende sowie Methoden zur Verifikation der planmäßigen Ausbreitung im Untergrund (Betriebs- und Nachbetriebsphase) und Methoden zur quantitativen und qualitativen Risikobewertung zu entwickeln.
Hintergrund
Der Einsatz von Kraftwerken mit CO2-Abscheidetechnik erfordert den Transport und die Speicherung von Kohlendioxid. Seit Anfang der 70er-Jahre wurde in den USA ein CO2-Pipelinenetz mit einer Transportkapazität von ca. 45 Mio. t/a aufgebaut, das heute eine Länge von ca. 3.100 km besitzt. Hintergrund ist die Nutzung von CO2 zur Erdölförderung zur Steigerung der Entleerungsraten. CO2-Pipelines sind somit Stand der Technik. Weltweit sind derzeit über 4.000 km CO2-Pipelinenetz installiert.
Als mögliche CO2-Lagerstätten kommen in Deutschland hauptsächlich tiefe saline Aquifere in Frage. Eine wesentlich kleinere Speicherkapazität haben erschöpfte Erdgasfelder. Darüber hinaus stellt die Offshore-CO2-Speicherung eine weitere Möglichkeit dar. Potenzialangaben zur Speicherkapazität sind derzeit mit großen Unsicherheiten behaftet. Geht man von der CO2-Emissionsmenge heutiger Kraftwerke in Deutschland aus, dürfte die statische Reichweite der Onshore-Speicher maximal zwei Kraftwerksgenerationen (ca. 80 Jahre) betragen.
Die derzeit weltweit größten Speicherprojekte befinden sich in Norwegen (Sleipner, 1 Mio. t CO2/a, salinarer Aquifer), in Algerien (In Salah, 1,2 Mio. t CO2/a, salinarer Aquifer) sowie Kanada (Weyburn, 1 Mio. t CO2/a, Erdöllagerstätte). Daneben läuft weltweit eine Vielzahl kleinerer Projekte, mit denen unterschiedlichste Probleme der CO2-Speicherung untersucht werden. Im Rahmen des EU-Forschungsprogramms CO2SINK lief von 2004 bis 2010 ein Speicherprojekt in Deutschland (Ketzin, 0,06 Mio. t CO2). Weitere Forschungsprojekte (z. B. Altmark, Birkholz/Beeskow) verzögern sich. Mit dem Gesetz zur Regelung von Abscheidung, Transport und dauerhafter Speicherung von Kohlendioxid, das 2012 im Vermittlungsausschuss zwischen Bundestag und Bundesrat verhandelt wird, sollen erste Vorstellungen für einen zukünftigen Rechtsrahmen konkretisiert werden.
Seit September 2010 werden im Rahmen des Forschungsprojektes CO2MAN die Arbeiten zur CO2-Speicherung am Pilotstandort Ketzin, die im EU-Projekt CO2SINKbegannen, fortgeführt. CO2MAN steht für CO2-Reservoirmanagement und ist ein Verbundprojekt. Es sind insgesamt sechs wissenschaftliche Institutionen sowie Industriepartner aus dem Energie- und Stahlsektor an der Projektdurchführung beteiligt. CO2MAN wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und hat eine dreijährige Laufzeit bis August 2013 (Förderkennzeichen 03G0760).
5 aktuelle Forschungsvorhaben
Verbundprojekt CO2SINK - Teilvorhaben CORTIS
Forschende Organisation: Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Förderkennzeichen: 0327735A
Reinheitsanforderungen an CO2-Gemische nach der Abscheidung am Kraftwerk auf Basis thermodynamischer und technischer Untersuchungen
Forschende Organisation: DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH, Leipzig
Förderkennzeichen: 0327790B
Experimentelle geomechanische und geochemische Kombinationsuntersuchungen
Forschende Organisation: Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg - Naturwissenschaftliche Fakultät III - Institut für Geowissenschaften – Ingenieurgeologie
Förderkennzeichen: 0327790D
Prozessgasdefinition, Transportnetz und Korrosion
Forschende Organisation: Technische Universität Hamburg-Harburg - Institut für Energietechnik
Förderkennzeichen: 0327790E
System- und Phasenverhalten CO2-reicher Ströme aus Kraftwerken unter Einfluss von Feuchte
Forschende Organisation: Technische Universität Hamburg-Harburg - Institut für Thermische Verfahrenstechnik
Förderkennzeichen: 0327790F
