Aus der Luft oder Fabrik zur Energieproduktion in den Untergrund
Geothermie mit CO₂‑Speicherung (CPG *)
Die Illustration zeigt eine Landschaft mit Industrieanlagen, Rohrleitungen, Kompressoren, Turbine/Generator, Kühlturm und Stromleitungen. Darunter ein Querschnitt des Untergrunds mit porösem Speichergestein, aufliegender undurchlässiger Deckschicht und einer gelb‑roten CO2‑Plume. Ein nummerierter Ablauf beschreibt den Kreislauf: 1) CO2 wird an Punktquellen oder aus der Luft abgeschieden und verflüssigt. 2) Es wird per Lkw, Zug, Schiff oder Pipeline zu einer Anlage gebracht und mindestens zwei Kilometer tief injiziert, wo Temperaturen von über 100 °C herrschen. 3) Das CO2 wird in Sandstein mit vielen Poren gepresst. 4) Durch Erdwärme wird es gasförmig, steigt auf und sammelt sich unter der Deckschicht als CO2‑Plume. 5) Unter der Deckschicht wird CO2 auf vier Arten gespeichert: struktureller Einschluss unter der Deckschicht, residueller Einschluss in Gesteinsporen, Lösung im Porenwasser zu Kohlensäure/Carbonat sowie dauerhafte Mineralbindung. 6) Ein zweites Bohrloch entnimmt einen Teil des erwärmten CO2. 7) An der Oberfläche treibt es eine Turbine an, die Strom erzeugt; Abwärme wird als Fernwärme genutzt. 8) Im Kühlturm kühlt das Gas ab und wird wieder flüssig. 9) Das verflüssigte CO2 wird erneut in den Untergrund geleitet, während gleichzeitig neues CO2 injiziert wird; so wird der Untergrundspeicher mit der Zeit zum langfristigen Kohlenstoffspeicher. Ein vergrößerter Kreis zeigt poröse, mit Wasser und Mineralen gefüllte Körner, die die verschiedenen Speicherprozesse veranschaulichen.
CPG kombiniert die Speicherung von CO₂ mit der Nutzung von Erdwärme (Geothermie): CO₂ wird über ein Bohrloch in tiefe Gesteinsschichten gepumpt, erwärmt sich dort und wird wieder an die Erdoberfläche geleitet. Dort wird es zur Stromproduktion und Wärmeerzeugung genutzt, bevor es wieder zurück in den Untergrund gepumpt wird. Im Laufe der Zeit bleibt immer mehr CO₂ im Untergrund gespeichert, während kontinuierlich zusätzliches CO₂ eingespeist wird.
CPG kann Treibhausgasemissionen einsparen und CO₂ aus der Atmosphäre entfernen. Die Einsparung erfolgt zum einen dadurch, dass mithilfe von Erdwärme erneuerbare, CO₂-neutrale Energie produziert wird. Zum anderen wird verhindert, dass Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen, da sie bei Industrieprozessen abgefangen und dauerhaft im Untergrund gespeichert werden. Da CO₂ abgefangen, genutzt und gespeichert wird, spricht man von «Carbon Capture, Utilisation and Storage (CCUS)». Zusätzlich wird CO₂ aus der Atmosphäre entfernt (Carbon Dioxide Removal CDR), indem es direkt aus der Luft gefiltert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass Geothermie mit CO₂ viel effizienter Strom und Wärme produziert als mit Wasser, das normalerweise dafür verwendet wird.
CPG befindet sich derzeit im Übergang von der reinen Forschungsphase hin zur praktischen Umsetzung – ein entscheidender Schritt, für den 2023 das CPG-Konsortium an der ETH Zürich ins Leben gerufen wurde.
*CPG: CO₂-Plume Geothermal
Bevor CPG draussen in der Natur getestet werden kann, braucht es aufwändige Experimente und Modellierungen im Labor, um Prozesse besser zu verstehen und Risiken zu minimieren. Foto: Ulrike Kastrup (focusTerra)
Interaktives Exponat
Foto: Nicola Pitaro
Hinten: Schilfsandstein (Ergolz-Member); Schleitheim, Seebi
Vorne: Schiefer (Ardesia Nera); Italien
EIN SPRUDELNDER STEIN
Um CO₂ unterirdisch zu speichern, braucht man u.a. ein durchlässiges Gestein mit vielen, miteinander vernetzten Poren, die sich mit CO₂ füllen können. Teste an diesem Experiment die Durchlässigkeit von zwei Gesteinen.
- Ziehe den Griff nach oben und drücke ihn wieder nach unten. So pumpst du Luft in die Mitte des porenreichen Sandsteins im Wasserbecken. Bitte rückenschonend pumpen.
- Was passiert mit der Luft, wenn du ein paarmal gepumpt hast?
- Siehst du einen Unterschied zwischen der linken und der rechten Hälfte des Sandsteins? Was bewirkt das dunkle Schiefergestein, das den Sandstein abdeckt?
ERKLÄRUNG
Während Luft leicht durch die Poren des Sandsteins fliessen und an den offenen Seiten austreten kann, lässt sie der dichte Schiefer nicht hindurch. Dies macht Schiefer zu einem guten Deckgestein: Es sorgt dafür, dass Luft aus dem porösen Gestein nicht nach oben entweichen kann.
Bei der Speicherung von CO₂ im geologischen Untergrund nutzt man dasselbe Prinzip: CO₂ wird in poröses Gestein eingespeist und bleibt unter dichtem Deckgestein über Jahrtausende bis Jahrmillionen eingeschlossen. In der Natur ist das Deckgestein meist grossflächig, sodass CO₂ auch seitlich nicht entweichen kann. Mit der Zeit löst sich das CO₂ im Porenwasser.
Poröse Gesteinsschichten mit dichten Deckschichten sind auch ein natürlicher Speicher für Erdöl und Erdgas. Deshalb eignen sich erschöpfte Erdöl- und Erdgasfelder auch besonders gut für die CO₂-Speicherung.