SPEICHERUNG V ON CO IM TIEFEN UNTERGRUND Eine
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Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:38 Uhr Seite II SPEICHERUNG VON CO2 IM TIEFEN UNTERGRUND Eine Schlüsseltechnologie für den Klimaschutz Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:38 Uhr Seite III Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:38 Uhr Seite 1 Inhalt Was ist Kohlendioxid (CO2)? 2 Abscheidung und Lagerung des Treibhausgases CO2 – Warum? 5 Die Prozesskette »CO2-Abscheidung, -Transport und -Speicherung« 9 CO2-Speicherung in Deutschland 20 Sicherheit zukünftiger CO2-Speicher 22 Was kostet die CCS-Technologie? 25 Die CCS-Technologie – Ein innovatives Forschungsfeld 26 CCS – Eine grenzüberschreitende Technologieentwicklung 29 Glossar 32 Anhang 34 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:38 Uhr Seite 2 Was ist Kohlendioxid (CO2)? Kohlendioxid oder besser Kohlenstoffdioxid (CO2) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Es ist ein farb- und geruchloses Gas und ein natürlicher Bestandteil unserer Atmosphäre CO2 entsteht sowohl bei der vollständigen Verbrennung Natürliche CO2-Ausgasungen sind ebenfalls allgegenwär- von kohlenstoffhaltigen Substanzen unter ausreichendem tig. So geben die Böden offenbar in erheblichen Mengen Sauerstoff, als auch im Organismus von Menschen und CO2 ab. Messungen im brandenburgischen Ketzin ergaben, Tieren. Das CO2 wird dabei über den Atem wieder abgege- dass von einer 3 x 3 Kilometer großen Fläche rund 30.000 ben. Umgekehrt sind Pflanzen in der Lage, CO2 durch die Tonnen natürliches CO2 pro Jahr an die Atmosphäre abgege- Kohlendioxid-Fixierung in Biomasse umzuwandeln. So pro- ben werden. Aus der Eifel sind ebenfalls natürliche CO2-Ex- duzieren Pflanzen bei der Photosynthese aus anorganischem halationen bekannt. Sie sind vulkanischen Ursprungs und CO2 die lebenswichtige Glukose. zum Teil so stark, dass sich sogenannte Kaltwasser-Geysire bilden können. Wissenschaftler schätzen, dass pro Jahr 0,5 CO2 ist in unserem Alltag ein ständiger Begleiter. Weit verbreitete Anwendung findet es in der Lebensmittelindustrie: bis 1 Million Tonnen CO2 aus den Tiefen der Eifel in die Atmosphäre strömen. So ist für viele Menschen das Glas Sprudel, Bier oder Sekt ohne die »prickelnde« Wirkung des im Wasser gelösten CO2 Natürlich vorkommendes Kohlendioxid ist zudem ein wich- undenkbar. Kohlendioxid wird aber auch in Feuerlöschern, tiger Bestandteil unserer Atmosphäre. Die derzeitige Konzen- als Dünger in Gewächshäusern sowie als Trockeneis oder tration beträgt 0,0380 %. Während die kurzwellige Sonnen- Bühnennebel im Theater eingesetzt. strahlung ungehindert die Atmosphäre passieren kann, absorbiert das CO2 der Atmosphäre einen Teil der von der Erdoberfläche reflektierten Wärmestrahlung. Diese Eigenschaft macht Kohlenstoffdioxid zu einem so genannten Treibhausgas. Nach Wasserdampf ist Kohlenstoffdioxid mengen- 2 17.12.2009 9:38 Uhr Seite 3 Vulkaneifel European Geopark Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd mäßig das wirksamste Treibhausgas. Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt wäre die mittlere CO2 – ein alltäglicher Begleiter. Links: Im Kaltwasser-Geysir in Wallenborn (Vulkaneifel). Unten: CO2-Blasen im klassischen Sprudel. Temperatur auf der Erdoberfläche nur -18 °C. CO2 ist somit in hohem Maß für das lebensfreundliche Klima der Erde mitverantwortlich. In hohen Konzentrationen ist CO2 gesundheitsgefährdend. Aus der medizinischen Forschung in der Luftfahrt und im Bergbau ist bekannt, dass CO2-Konzentrationen von mehr als 8 Prozent zum Tode führen können. Unglücksfälle sind unter anderem aus Weinkellern, Futtersilos, Brunnen oder Jauchegruben bekannt, wo sich durch Gärprozesse beträchtliche Mengen an CO2 bilden. Wenn nicht für ausreichende Entlüftung – also Sauerstoffzufuhr – gesorgt ist, bilden sich gefährliche Konzentrationen von CO2: aufgrund der höheren Dichte im Vergleich zu Luft vor allem in Bodennähe (»Kohlenstoffdioxid-See«). 3 17.12.2009 NASA Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd Die Zugbahn des Hurrikans Katrina vor der Küste von New Orleans im Herbst 2005. Durch die Erwärmung der Atmosphäre könnten solche extremen Wettersituationen in Zukunft häufiger auftreten. 4 9:38 Uhr Seite 4 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:38 Uhr Seite 5 Abscheidung und Lagerung des Treibhausgases CO2 – Warum? Spätestens seit dem UN-Klimabericht vom Februar 2007 gilt es als erwiesen, dass der vom Menschen verursachte Ausstoß von Kohlendioxid (CO2) den natürlichen Treibhauseffekt verstärkt. Anthropogenes CO2 wird überall dort freigesetzt, wo Erd- Neben der Einsparung von Energie, der Effizienzsteigerung öl, Kohle oder Erdgas zur Energieerzeugung verbrannt wird. von Kraftwerken und dem verstärkten Einsatz erneuerbarer Heute liegt die CO2-Konzentration in der Atmosphäre mit Energien gilt die Abscheidung und geologische Speicherung circa 380 ppm (0,0380 %) deutlich über dem vorindustriellen von CO2 (CCS: Carbon Capture and Storage) als eine wich- Niveau von rund 280 ppm. Bis Ende dieses Jahrhunderts tige Option im Portfolio der CO2-Vermeidungsstrategien. erwarten Klimaexperten einen Anstieg auf über 700 ppm. Derzeit geht circa ein Drittel des globalen CO2-Ausstoßes auf Die Folgen wären eine globale Erwärmung um 4,5 °C oder das Konto von Kraftwerken, die mit fossilen Rohstoffen mehr, extreme Wettersituationen und nachhaltige Schäden betrieben werden – mit steigender Tendenz. Zahlreiche für viele Ökosysteme. Das Intergovernmental Panel of Energieszenarien prognostizieren, dass auch Mitte dieses Climate Change (IPCC) hält eine maximale Erwärmung der Jahrhunderts die fossilen Energieträger noch mindestens mittleren Oberflächentemperatur der Erde um 2 °C gegen- einen Anteil von 50 % an der weltweiten Energieversorgung über der vorindustriellen Zeit für noch tolerabel. Um dieses haben werden: mit unmittelbaren Auswirkungen auf die Ziel zu realisieren, müssen die globalen CO2-Emissionen weltweiten CO2-Emissionen. Große Punktquellen, wie Kohle- zunächst stabilisiert und bis 2050 auf etwa die Hälfte der kraftwerke oder Industrieanlagen, eignen sich daher am ehe- Werte von 1990 reduziert werden. sten, das klimaschädliche CO2 »einzufangen«, um es dann an geeigneter Stelle sicher zu speichern. Einige Experten sprechen bereits vom »negativen Schornstein«. 5 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:38 Uhr Seite 6 CO2-Emissionen – Wo steht Deutschland heute? Deutschland beteiligt sich an einer Reihe internationaler Aktivitäten, um die anthropogenen Treibhausgasemissionen zu mindern. Im Rahmen des Gewerbe: 58,1 Mio. t (6,6 %) Kyoto-Protokolls hat sich die Bundesregierung verpflichtet, bis spätestens Verkehr: 167,4 Mio. t (18,9 %) 2012 den Ausstoß an Treibhausgasen um 21 % gegenüber dem Bezugsjahr 1990 zu reduzieren. Dem Kohlendioxid kommt die größte Bedeutung zu. Deutschland gehört zu den wenigen Industrieländern, die ihre CO2- Industrie: 160,7 Mio. t (18,2 %) Emissionen seit 1990 deutlich reduzieren konnten. Um das Kyoto-Ziel zu erreichen, müssen jedoch weitere Anstrengungen unternommen werden. Auch über 2012 hinaus sind anspruchsvolle Ziele ins Auge gefasst: So sollen die jährlichen CO2- Emissionen Deutschlands bis 2020 um 40 % gegenü- Haushalte: 115,6 Mio. t (13,1 %) ber 1990 abgesenkt werden. Auf dem G8 Gipfel in Heiligendamm (6.-8. Juni 2007) vereinbarten die führenden Industrienationen, die globalen CO2Emissionen bis 2050 um mindestens die Hälfte zu reduzieren. Grundlage Energiewirtschaft: 382,3 Mio. t (43,2 %) der in Heiligendamm getroffenen Klimaschutzvereinbarung bilden die Primärenergieträger. Bei der Stromerzeugung wird dies besonders deutlich: Allein die Steinkohle und die heimische Braunkohle tragen mit knapp 47 % zur gegenwärtigen Stromerzeugung bei. Rund 27 % beträgt der Anteil der Kernenergie. Zu 11 % kommt Erdgas zum Einsatz. Die regenerativen Energien tragen mit rund 10 % zur Stromerzeugung Quelle: DIW Wochenb In Deutschland sind fossile Rohstoffe derzeit die wichtigsten ericht, No. 12, 2006 Beschlüsse der EU. bei. Damit ist der Energiesektor der wichtigste CO2-Emittent in Deutschland. Mit großem Abstand folgen Verkehr, Industrie und die privaten Haushalte. Viele Experten gehen davon aus, dass Kohle auch in Zukunft einen erheblichen Anteil am deutschen Energiemix behalten wird – trotz des verstärkten Ausbaus der erneuerbaren Energien. In einer nachhaltigen Energiewirtschaft ist die Kohleverstromung jedoch nur möglich, wenn das CO2, das bei ihrer Nutzung entsteht, minimiert oder erst gar nicht in die Atmosphäre gelangt. 6 CO2-Emissionen in Deutschland nach Branchen (Stand: 2005; Daten: DIW-Wochenbericht, Nr. 12/2006) Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:38 Uhr Seite 7 Entwicklung der energiebedingten CO2-Emissionen in Deutschland 1050 zwischen 1990 und 2005 (Daten: DIW-Wochenbericht, Nr. 12/2006) 1000 950 Mio. t 900 850 800 90 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 19 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05 20 Bruttostromerzeugung in Deutschland bis 2030 (in TWh); (Daten: EWI/PrognosStudie »Die Entwicklung der Energiemärkte bis zum Jahr 2030«, Mai 2005) 7 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 8 Kraftwerksstandort »Schwarze Pumpe« nahe Cottbus. Hier wird derzeit in direkter Nachbarschaft zu dem bestehenden Braunkohlekraftwerk die erste deutsche Pilotanlage mit CO2 - Abscheidung gebaut. Die 30 MW-Anlage wird Ende 2008 in Betrieb genommen. Mehr als 100.000 Tonnen CO2 werden abgeschieden und zu Testzwecken in eine Erdgaslagerstätte der Altmark injiziert. 8 Vattenfall Europe Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 9 Vattenfall Europe Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd Die Prozesskette »CO2-Abscheidung, -Transport und -Speicherung« Die CCS-Technologie besteht aus drei Prozessschritten: CO2-Abscheidung, -Transport und -Speicherung. Sie sind eine Kette, in der jedes Glied unmittelbar in das andere greift. Der sicheren CO2-Speicherung kommt jedoch entscheidende Bedeutung zu. Nur wenn sie sichergestellt ist, kann das innovative Gesamtkonzept erfolgreich umgesetzt werden. Abscheidung von CO2 Abscheidung nach dem Verbrennungs- Die Abscheidung und weitere Verwertung prozess (»Rauchgaswäsche«) von CO2 ist in diversen Industrieprozessen be- Bei diesem Verfahren wird das CO2 nach dem reits heute ein etabliertes Verfahren. Beispiele eigentlichen Verbrennungsprozess (post-combus- sind die Düngemittel- und Chemie-Industrie. Im tion) aus dem Rauchgas herausgewaschen. Dazu Kraftwerksbereich dagegen ist die Abscheidung werden die Abgase (Rauchgas) durch spezielle des bei der Verbrennung von Kohle und Gas Flüssigkeiten geleitet, beispielsweise wässrige freiwerdenden CO2 noch eine technologische Aminlösungen, die das CO2 chemisch binden. Herausforderung. Hohe Kosten und Einbußen Die mit der Waschsubstanz verbundenen CO2- im Wirkungsgrad der Kraftwerke lassen noch Moleküle werden anschließend durch Erhitzen einen großen Spielraum für technologische wieder separiert. Das CO2 wird zur Speicherung Verbesserungen zu. Derzeit werden drei tech- abtransportiert, die gesäuberte Waschsubstanz nische Optionen favorisiert: dem erneuten Einsatz zugeführt. Vorteil der Rauchgaswäsche ist, dass dieses Verfahren nur geringfügig in den Kraftwerksprozess eingreift. 9 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 10 Bestehende Kraftwerke könnten vergleichsweise folglich mit fast reinem Wasserstoff betrieben, 200 °C aus flüssiger Luft destilliert wird. Ein einfach nachgerüstet werden. Nachteil des Ver- dessen Abgase im Wesentlichen aus Luftstick- energetischer Aufwand von etwa 250 - 270 fahrens: Die für den abschließenden Trennungs- stoff und reinem Wasserdampf bestehen. Vorteil kWh/Tonne O2, der je nach Reinheitsanforde- prozess erforderliche Wärme von etwa 3-4 GJ/ dieses Verfahrens: Es benötigt weniger Energie rung noch ansteigen kann. Tonne CO2 wird dem Dampf - der für den An- als die chemische Bindung und thermische trieb der Turbinen notwendig ist - entzogen. Der Trennung der Rauchgaswäsche und erreicht da- Wirkungsgrad der Kraftwerke wird dadurch mit geringere Wirkungsgradeinbußen. Als erstes Kraftwerk Europas wurde im Frühjahr 2006 ein Kohlekraftwerk im dänischen Esbjerg mit einer CO2-Abscheidevorrichtung erheblich gesenkt: um bis zu 15 %. Das Oxyfuel-Verfahren nach dem Prinzip der Rauchgaswäsche nach- Abscheidung vor dem Bei dem Oxyfuel-Verfahren wird das Brenn- gerüstet. Stündlich werden circa zwei Tonnen Verbrennungsprozess material (z.B. Kohle) mit reinem Sauerstoff ver- CO2 aus dem Rauchgas gefiltert (Stand: Juli Bei dieser Methode wird dem Brennstoff das feuert. Das heißt, aus der für den Verbrennungs- 2006). Die Wissenschaftler und ihre Kollegen CO2 vor dem Verfeuern entzogen (pre-combus- prozess notwendigen Luft werden vorab Stick- aus der Industrie wollen dabei testen, wie diese tion). Kohle wird beispielsweise bei Temperatu- stoff, Schwefelverbindungen und andere Verun- Technologie weiter optimiert werden kann und ren von über 1000 °C durch die Zufuhr von reinigungen herausgezogen. Da eine Verbren- wie wirtschaftlich sie letztendlich ist. In Deutsch- Sauerstoff zunächst in ein brennbares Rohgas nung in reinem Sauerstoff jedoch zu viel zu land baut der Energieversorger Vattenfall derzeit umgewandelt (Integrated Gasification Combi- hohen Verbrennungstemperaturen führen wür- ein Braunkohlekraftwerk, das auf dem Oxyfuel- ned Cycle, IGCC-Kraftwerk). Dieses aus Kohlen- de, wird ein Teil des Abgases zurückgeführt, das Verfahren basiert. Die Pilotanlage mit einer monoxid (CO) bestehende Synthesegas wird an- den Luftstickstoff ersetzt. Großer Vorteil dieses Leistung von 30 MW geht Ende 2008 am Kraft- schließend durch die Zuführung von Wasser- Verfahrens: Nach der Verbrennung besteht das werksstandort »Schwarze Pumpe« nahe Cottbus dampf (H2O) zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser- Abgas überwiegend nur noch aus zwei Kompo- in Betrieb. Das Energieunternehmen RWE hat stoff (H2) umgewandelt (»CO-shift«). Das CO2 nenten: CO2 und Wasserdampf, die durch Küh- angekündigt, bis 2014 ein CO2-freies Kohle- wird dann durch physikalische Absorption aus len leicht trennbar sind: Der Dampf kondensiert kraftwerk mit einer Bruttoleistung von etwa 450 dem Brenngas entfernt. Der verbleibende ele- zu Wasser, das CO2 bleibt übrig und kann unter- MW ans Netz zu bringen, das auf der IGCC- mentare Wasserstoff wird in einer Gasturbine irdisch gespeichert werden. Erheblicher Nachteil Technologie basiert. verbrannt, die einen Generator zur Stromerzeu- des Verfahrens: Er ist sehr energieaufwändig, gung antreibt. Ein solches Kraftwerk würde da reiner Sauerstoff üblicherweise bei minus 10 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 11 Die drei derzeit favorisierten CO2 -Abscheidungstechnologien im Kraftwerk 11 STATOIL Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd Modernes Flüssiggas-Tankschiff. In vergleichbaren Schiffen wird auch CO2 transportiert. 12 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 12 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 13 Transport von CO2 Nachdem das CO2 aus dem Abgas abgeschie- LNG-Transport (LNG: Liquefied Natural Gas), im den ist, muss es für den Transport konditioniert flüssigen Zustand transportiert. Für kleine werden. Nur in den seltensten Fällen kann das Mengen ein heute bereits vielfach angewende- CO2 direkt an Ort und Stelle gespeichert oder tes Verfahren, beispielsweise zur Weiterverwer- weiterverarbeitet werden. Aufgrund der großen tung in der Lebensmittelindustrie. Der Pipeline- CO2-Mengen, die bei der Abscheidung aus Kraft- Transport erfolgt unter hohem Druck. Hierzu ist werksprozessen anfallen, erfolgt der Transport ein erheblicher Energieaufwand notwendig. am sinnvollsten in Pipelines oder mit Schiffen. Beim Pipeline-Transport über große Entfer- Auf Schiffen wird das CO2, ähnlich wie beim nungen muss das CO2 daher auch in regelmäßi- PTRC, Kanada gen Abständen neu komprimiert werden, um einen Druckabfall zu vermeiden. Vorteil der Pipeline: Große Mengen CO2 können kontinuierlich, umweltverträglich und in großen Mengen transportiert werden. In den USA existiert bereits ein ausgedehntes Pipeline-Netz zum CO2-Transport. Es wird in erster Linie durch die Energiekonzerne genutzt, die das aus natürlichen Quellen stammende CO2 in ölführende Erdschichten einpressen, um die Produktion versiegender Lagerstätten zu steigern. Über Land wird CO2 bereits heute in solchen Pipelines transportiert. 13 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 14 Speicherung von CO2 Die bei der Stromgewinnung aus Kohle anfallenden CO2-Mengen können nur zu circa 0,1 % Technologisch bieten sich derzeit Erdöl- und Erdgaslagerstätten drei Speicheroptionen an: Viele Erdöl- und Erdgaslagerstätten finden für weitere technologische Anwendungen genutzt werden. Auch in Zukunft wird der Markt für eine kommerzielle Nutzung von CO2 als sich in porösen Sand- oder Kalksteinen tief un Erdöl- und Erdgaslagerstätten terhalb der Erdoberfläche. Sie sind geologisch Tiefliegende, salzwasserführende gut erforscht und eignen sich daher hervorra- Sandsteinschichten (Deep Saline Aquifer) gend als natürliche Speicher für das Treibhaus- Tiefliegende, derzeit nicht förderbare gas. Erste Schätzungen gehen davon aus, dass Kohleflöze in den porösen Sand- und Kalksteinen der Erdöl- schwierig eingeschätzt, zumal das CO2 bei den meisten Verwertungsmöglichkeiten bald wieder in der Atmosphäre endet. In der Gesamtkonzep- tion eines »CO2-freien« Kraftwerks kommt da- 14 und Erdgasprovinzen weltweit bis zu 900 Giga- her der langfristig sicheren Speicherung des CO2 In welchem Umfang diese Speicheroptionen tonnen CO2 eingelagert werden könnten. Einen eine technologische Schlüsselposition zu. Nur zukünftig genutzt werden, hängt unter ande- möglicherweise positiven Begleiteffekt hätte die wenn sichergestellt ist, dass das abgeschiedene rem von den geographischen Rahmenbedin- Injektion von CO2 in noch produktive, aber nahe- CO2 nicht wieder in die Umwelt gelangt, kann gungen ab: Denn nur wenn Emissionsquelle und zu erschöpfte Lagerstätten, um auf diese Weise diese Technologie ihren Beitrag zur Reduktion Speicherort in vertretbarer Entfernung zueinan- nicht förderbare Reserven an Öl und Gas zu mo- der anthropogenen Treibhausgase leisten. der liegen, lässt sich die Technologie auch wirt- bilisieren. Experten sprechen von Enhanced Oil schaftlich realisieren. Darüber hinaus muss das Recovery (EOR) und Enhanced Gas Recovery Der unterirdischen Speicherung in tiefliegen- CO2 in Tiefen größer 800 Meter versenkt wer- (EGR). Die Idee basiert auf umfangreichen Er- den geologischen Formationen an Land und den, da es hier aufgrund seines dann deutlich fahrungen aus den USA, wo bereits seit Mitte unter dem Meeresboden werden aus ökolo- verringerten Volumens weniger Speicherplatz der 50er-Jahre Erdöllagerstätten mit CO2 aus gischer wie technologischer Sicht die größten benötigt. Der Lagerung von CO2 in der Wasser- natürlichen Vorkommen »stimuliert« werden. Chancen eingeräumt. Die Aufnahmekapazität säule der Ozeane oder am Grunde der Tiefsee Im kanadischen Weyburn wird seit 2000 eine ist groß. Weltweit, so schätzen Experten, könn- werden keine Chancen eingeräumt: Zu groß sind Pilotanlage betrieben, die erstmals CO2 aus ten bis zu 2.000 Gigatonnen des Treibhausgases die Risiken für die marinen Ökosysteme, die sich einer Industrieanlage für EOR-Maßnahmen im Untergrund versenkt werden. Optimistische durch eine zusätzliche »Versauerung« der Meere benutzt. Durchschnittlich 1,8 Millionen Tonnen Prognosen gehen gar von bis zu 11.000 ergeben würden. CO2 werden hier jährlich in eine nahezu er- Gigatonnen. aus. Zum Vergleich: Im Jahr 2005 schöpfte Erdöllagerstätte eingepumpt. Während betrugen die energiebedingten CO2-Emissionen das umweltschädliche CO2 auf Dauer in den zer- weltweit 27,3 Gigatonnen. klüfteten Kalksteinen verbleiben soll, erwarten Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 15 Kraftwerk CO2-Injektionsbohrung CO2 - Pipeli ne KW-Bohrung Süßwasser abdichtende Tonsteinhorizonte KW-Bohrung CO2-Injektionsbohrung Salzwasser Sandstein abdichtende Tonsteinhorizonte CO2 Sandstein Sandstein Sandstein Salz CO2 Kohleflöze CO2 CO2 Kohleflöze Schemazeichnung über die Möglichkeiten der geologischen CO2 -Speicherung im Untergrund 15 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 16 Rote Sandsteine der Buntsandstein-Formation (ca. 240 Mio. BGR Jahre alt). In 3000 Metern unterhalb Norddeutschlands wird aus solchen Sandsteinen bis heute Erdgas gefördert. Inwieweit sie auch als natürliche CO2-Speichergesteine genutzt werden könnten, wird derzeit untersucht. kein Erdgas oder Erdöl ansammeln konnte, füllt zusätzlich 130 Millionen Barrel Öl gefördert zu Salzwasser die Poren oder Klüfte des Gesteins. haben. In Erdgasfeldern gibt es bislang erst sehr Für die Trinkwasserversorgung sind diese wenige Erfahrungen mit dieser Technologie. In Horizonte aufgrund der großen Tiefe und des der Altmark, circa 200 Kilometer westlich von hohen Salzgehaltes ungeeignet. Gegenüber den Berlin, werden unter Federführung der deut- Süßwasserhorizonten durch undurchlässige schen Tochter des französischen Energiekon- Schichten abgeschirmt, können sie sich über zerns Gaz de France ab 2009 rund 100.000 Ton- viele Kilometer erstrecken. Die Speicherkapazitä- nen CO2 zu Testzwecken in eine der größten ten der salzwasserführenden Aquifere sind ent- Erdgaslagerstätten Europas gepumt. Mit einem sprechend groß: Theoretisch ließen sich hier dem Mikroskop. Die einzelnen Quarzkörner bil- begleitenden Forschungsprogramm im Rahmen weltweit bis zu 10.000 Gigatonnen CO2 lagern. den einen lockeren Verband mit Zwischenräu- der GEOTECHNOLOGIEN soll untersucht wer- Praktisch nutzbar erscheinen derzeit jedoch men. Sie sind auf dem Bild blau gefärbt. In den den, inwieweit die EGR-Technologie wirtschaft- »nur« 1/10, nämlich circa 1000 Gigatonnen Erdgaslagerstätten Norddeutschlands sind solche lich einsetzbar ist und ob das Treibhausgas CO2. Vorteil der Aquiferspeicherung ist, dass Poren häufig mit Erdgas gefüllt. Nach der Erd- sicher im Untergrund verbleibt. sich das flüchtige CO2 hier über lange Zeiträume BGR die Betreiber, am Ende der Versuchsphase 2015 Sandstein der Buntsandstein-Formation unter gasförderung bieten sie Platz für das CO2. 16 hinweg auflöst oder mit anderen Stoffen zu Salzwasserführende Aquifere festen Mineralphasen, beispielsweise Kalzit, rea- Salzwasserführende Gesteinsformationen, Ex- giert. Es ist damit auf Dauer der Atmosphäre perten sprechen von einem »salinaren Aquifer“, entzogen. Der norwegische Energiekonzern werden weltweit als die wichtigsten CO2-Spei- Statoil betreibt bereits seit 1996 eine entspre- cher angesehen. Sie sind häufig mit Erdgas- chende Anlage in dem Sleipner-Gasfeld: In die oder Erdöllagerstätten verknüpft. Dort, wo sich unverfestigten Sande der »Utsira Formation«, Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 17 STATOIL Auf dieser Bohrinsel des norwegischen Energiekonzerns Statoil wird seit über 10 Jahren CO2 aus dem geförderten Erdgas abgetrennt …… circa 1000 Meter unterhalb des Nordseebodens, werden jährlich bis zu 1 Millionen Tonnen CO2 injiziert, das dem geförderten Erdgas als unerwünschte Verunreinigung entzogen wurde. Aufgrund der in Norwegen üblichen CO2-Steuer ist die noch kostenintensive Technologie auch wirtschaftlich attraktiv; offenbar so sehr, dass das Unternehmen in der nördlichen Barentssee – im Snøhvit-Gasfeld – im April 2008 eine weitere Anlage in Betrieb genommen hat. Tiefliegende, nicht förderbare Kohlflöze vermögen wird auf maximal 200 Gigatonnen offenbarte sich jedoch ein erheblicher Nachteil Kohle kann aufgrund seiner internen Struktur CO2 taxiert. Neben den erheblichen Adsorp- der Kohle: Aufgrund ihrer hohen Dichte ist sie binden. tionskapazitäten der Kohle haben Kohlelager- für gasförmige Stoffe nur schlecht durchlässig, Bevorzugt lagert sich Methan (CH4) auf den stätten als CO2-Speicher zwei weitere Vorteile: was die Aufnahmekapazität für CO2 eheblich Oberflächen der Kohlepartikel an. Die Schlag- Erstens liegen sie häufig in regionaler Nähe zu herabsetzt. Weltweit werden daher umfangrei- wetterexplosionen im Kohlebergbau sind dafür den Kraftwerken, was die Transportkosten er- che Forschungsarbeiten durchgeführt, wie sich ein nachdrücklicher Beweis. Eine noch größere heblich reduzieren würde. Zweitens könnte das dieses erhebliche Potenzial zukünftig doch noch Affinität besitzt Kohle jedoch für Kohlendioxid an die Kohle gebundene Methan durch das für die CO2-Speicherung erschließen lässt. gasförmige Stoffe ausgezeichnet (CO2). Deshalb werden tiefliegende, derzeit Einpressen von CO2 verdrängt und als Wertpro- nicht abbaubare Kohleflöze weltweit als poten- dukt gewonnen werden (ECBM-Verfahren). In zielle CO2-Speicher getestet. Deren Aufnahme- ersten Großversuchen in den USA und Polen 17 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 18 …… und in salzwasserführende Sandschichten, tief unterhalb des Nordseebodens, zurückgeführt. (Grün: Erdgasförderhorizont; Blau: CO2-Injektionshorizont) Ausstoß von 7.000 Tonnen CO2 pro Tag müssten STATOIL täglich mehr als 20.000 Tonnen Gestein zerkleinert und an das Kraftwerk geliefert werden. Werden Basaltgesteine in ihrer natürlichen Umgebung mit dem abgetrennten CO2 versetzt, spart man zwar die kostenintensive Logistik. 18 Mineralische Bindung beruht im Wesentlichen auf folgendem Prinzip: Die Umwandlung des flüchtigen CO2 in eine Magnesiumreiche Gesteine (Basalte, Serpenti- licherweise langen Transportwege für das CO2 immobile mineralische Substanz ist vermutlich nite) werden aufgemahlen und unter hohem und die physikalischen und chemischen Rah- Limitierende Faktoren sind dann aber die mög- die sicherste »Speicherung« von CO2. Obwohl Druck und hohen Temperaturen mit CO2 ver- menbedingungen der »Wirtsgesteine«, wie ge- bislang erst unzureichend erforscht, findet diese setzt. Das Treibhausgas reagiert mit dem ringe Durchlässigkeiten, Druck und Temperatur. Technologie zunehmendes Interesse in Wissen- Ausgangsmaterial zu Kalk und ist damit dauer- Andere Forschungsansätze zielen auf tiefliegende schaft und Industrie. Sie wird im Gegensatz zu haft gebunden. Das Verfahren ist jedoch außer- Sandsteinschichten mit einem hohen Anteil an den drei oben genannten Optionen jedoch auch ordentlich energieintensiv und mit einem erheb- Kalziumsulfatmineralen. In ersten Laborversu- in Zukunft eher eine Nischentechnologie blei- lichen logistischen Aufwand verbunden. Allein chen reagierte beispielsweise Anhydrit (CaSO4) ben. Das Konzept der mineralischen Bindung für ein 500-MW-Kraftwerk mit einem CO2- mit gelöstem CO2 zu festem Kalk (Kalzit). Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd Speicheroptionen 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 19 Generelle Charakteristika Theoretische Speicherkapazität (weltweit/GtCO2) Theoretische Speicherkapazität (Deutschland/GtCO2) (Erschöpfte) natür- Poröse und permeable Kalksteine und Sandsteine. CO2 füllt Max. 900 Erdgasfelder: 2,75 liche Erdöl- und Erd- Hohlräume und Klüfte (Kalksteine), bzw. freie Poren zwi- Min. 675 Erdölfelder: 0,13 gaslagerstätten schen den Sandkörnern (Sandsteine) die ursprünglich mit Max. 200 0,37-1,67 20 ±8 Erdöl/Erdgas gefüllt waren. Nicht förderbare Öl/Gasanteile könnten noch mobilisiert und damit gewinnbar werden. Nicht abbaubare CO2 lagert sich auf der Oberfläche der Kohlepartikel an Kohleflöze und verdrängt dabei Methangas, das wirtschaftlich gewon- Tiefliegende salinare CO2 wird in sole-führende Gesteinsschichten im tiefen Min. 1.000 Aquifere Untergrund injiziert. Max. 10.000 Mineralische CO2 reagiert mit magnesiumreichen (Basalt) oder sulfatrei- Unbekannt Bindung chen Gesteinen (Sandsteine mit Anhydrit) zu Karbonat Unbekannt IPCC, BGR Hannover nen werden könnte. Optionen für die geologische CO2-Speicherung in Deutschland und weltweit 19 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 20 CO2-Speicherung in Deutschland In Deutschland kommen für die geologische Speicherung von CO2 insbesondere ausgediente Erdgasfelder sowie salinare Aquifere in Frage. Experten der Bundesanstalt für Geowissen- Dazu kommen die Speicherkapazitäten in sali- Die Speicherkapazität der deutschen Öllager- schaften und Rohstoffe (BGR) in Hannover hal- naren Aquiferen, deren Aufnahmefähigkeit auf stätten ist mit circa 130 Millionen Tonnen dage- ten insbesondere den Untergrund Norddeutsch- circa 20 Gigatonnen (+- 8 Gigatonnen) geschätzt gen gering. Sie könnten nur im Einzelfall und lands – von den Niederlanden bis an die Grenze werden. Auf der Grundlage der augenblicklichen sehr beschränkt zur CO2-Speicherung beitragen. nach Polen und weiter nach Norden – prinzipiell Emissionsraten aller deutschen Kohlekraftwerke Das gilt auch für die nicht produktiven Kohle- für geeignet, CO2 zu speichern. Hier konzentrie- von 345 Millionen Tonnen CO2 jährlich (Stand: flöze im Untergrund des Ruhr- und Saargebietes. ren sich die größten deutschen Erdgaslager- 2004) würde dieser Speicherraum – rein rechne- Deren Speicherkapazitäten werden derzeit auf stätten und tiefliegende Salzwasserhorizonte, risch – bereits für mehrere Jahrzehnte ausrei- maximal knapp 1,7 Gigatonnen geschätzt. die sogenannten salinaren Aquifere. Das Erdbe- chen. Die Nachnutzung von Erdgaslagerstätten benrisiko ist extrem gering. Die Speicherkapa- als CO2-Speicher bietet eine Reihe praktischer zität der verschiedenen Gesteinsformationen ist Vorteile. So sind die Felder geologisch ausge- hoch. Allein in den Sandsteinen der norddeut- zeichnet erkundet und die abdeckenden Ge- schen Erdgaslagerstätten könnten nach aktu- steinsschichten haben sich für gasförmige Stoffe ellen Berechnungen circa 2,7 Gigatonnen CO2 über viele Millionen Jahre als dicht erwiesen. Die gespeichert werden. Anbindung an bestehende Pipelinenetze ist vielfach bereits gegeben und in versiegenden Lagerstätten könnte durch die Einpressung des Treibhausgases zudem die Erdgasausbeute verlängert werden. Zwei wichtige Faktoren für die Wirtschaftlichkeit der neuen Technologie. 20 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 21 BGR Hannover Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd Der Untergrund Deutschlands. Für die geologische Speicherung von CO2 bietet Norddeutschland mit seinen mächtigen Sandsteinvorkommen (Grün eingefärbte Bereiche) hervorragende geologische Voraussetzungen. Die Karte zeigt ferner, die größten Erdgaslagerstätten (gelbe Kreise), die wichtigsten industriellen CO2-Emissionsquellen (blaue Kreise) und unterirdische Steinkohlevorkommen (schwarz schraffiert). 21 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 22 Sicherheit zukünftiger CO2-Speicher Wichtigste Voraussetzung für die geologische Speicherung des CO2 ist, dass die ausgewählten Speicherhorizonte nachweislich dicht sind: Denn das in der Tiefe gespeicherte CO2 darf weder zurück in die Atmosphäre gelangen, noch sollen Trinkwasserhorizonte beeinträchtigt oder Menschen gefährdet werden. Dies gilt nicht nur für die Zeit des Betriebes, rungen liegen zwar aus der unterirdischen Spei- sondern auch weit darüber hinaus. Erlaubt sind cherung von Erdgas vor; diese lassen sich jedoch nur minimale Verluste, die nach Expertenmei- nicht ohne weiteres auf die unterirdische Spei- nung nicht mehr als 0,01 Prozent pro Jahr betra- cherung von CO2 übertragen. Es muss daher ein gen sollten. Rein rechnerisch bedeutet dies, dass verlässliches Instrumentarium für die Auswahl selbst nach 1000 Jahren weniger als 10 Prozent und Langzeitüberwachung der CO2-Lagerstätten des ursprünglich eingelagerten CO2 entwichen entwickelt werden. sein dürfen. Zukünftige Lagerstätten müssen daher auf Herz und Nieren auf ihre Dichtigkeit geprüft werden. Leckagen können beispielsweise auftreten, wenn das überlagernde Gestein die CO2-Speicher nicht ausreichend nach oben hin »abdichtet«. Auch tiefreichende Brüche im Gestein oder Bohrlöcher sind potenzielle »Lecks«. Wichtige Erkenntnisse und langjährige Erfah- 22 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 23 Das seismische Abbild eines CO2Speichers im tiefen Untergrund (SleipnerFeld, Norwegen). Die mit CO2 injizierten Horizonte (gefärbte Bereiche) heben sich deutlich von CO2-freien Bereichen ab. Es zeigt sich, dass seit Beginn der Injektion in 1996 offenbar kein CO2 die abdeckende Schicht durchdrungen hat. Die Seismik ist damit eine unentbehrliche Kontrolltech- Rob Arts, TNO nologie für unterirdische CO2-Speicher. Seismische Verfahren, die den Untergrund gegenüber dem umliegenden Gestein bilden mit Hilfe von Schall- oder Druckwellen abta- sich CO2-führende Horizonte besonders auf- Ausbreitung des CO2 im Untergrund in sten, haben sich insbesondere bei der Suche fällig in dem Seismogramm ab. Würde das »Echtzeit« verfolgen. nach Erdöl und Erdgas bewährt. Sie werden eingelagerte Kohlendioxid durch die überla- auch bei der Erkundung geeigneter Standorte gernde »Deckschicht« nach oben hin ent- Für eine Langzeitprognose sind die Exper- und der späteren Überwachung von CO2- weichen, könnte das Leck lokalisiert wer- ten auf Modellrechnungen angewiesen. Sie Speichern eingesetzt. Praktische Erfahrungen den. Komplementär zu den geophysikali- ermöglichen den Blick weit voraus in die Zu- zur seismischen Überwachung liegen aus schen müssen auch verlässliche geochemi- kunft. Wie schnell verteilt sich das CO2 im dem Sleipner Gasfeld in der norwegischen sche Kontrolltechnologien eingesetzt wer- Untergrund, welche Wegsamkeiten nutzt es sensoren eingesetzt, lässt sich mit ihnen die Nordsee vor. Hier wird der mit CO2 injizierte den. Geeignet sind unter anderem optische und zu welchem Zeitpunkt hat sich das CO2 Bereich seit Beginn der Injektion im Jahre oder elektrochemische Sensoren für extre- aufgelöst? Diese und viele andere Fragen 1996 kontinuierlich kontrolliert. Aufgrund me chemische und physikalische Bedin- lassen sich mit numerischen Simulationen ihrer charakteristischen Dichteunterschiede gungen. Als Bohrloch- und Oberflächen- beantworten. Experten halten zudem die 23 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 24 Zukunftsprognosen, wie sich das CO2 im Untergrund ausbreiten wird, sind mit Hilfe mathematischer Simulationsrechnungen möglich. Sie erlau- TNO - B&O ben einen Blick weit voraus in die Zukunft. Entwicklung neuer Injektionstechnologien für notwendig. Da CO2 chemisch sehr aggressiv wirken kann, müssen beispielsweise geeignete Stähle und spezielle Bohrlochzemente entwickelt werden. Laborversuche zeigen, dass herkömmliche Zemente unter CO2-Einfluss korrodieren. Bohrlöcher, die mit herkömmlichen Zementen verfüllt wurden, könnten langfristig also undicht werden. Doch nicht nur zukünftige Reinicke, TU Clausthal CO2-Injektionsbohrungen Handelsübliche Portlandzemente mit hochreaktivem CO2 behandelt. 24 sind mit dauerbeständigen Zementen zu versiegeln. Auch viele verwaiste Bohrungen der nicht mehr produktiven Erdgas- und Erdöllagerstätten müssen geortet und neu abgedichtet werden, sollen sie als CO2Speicher genutzt werden. Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 25 Was kostet die CCS-Technologie? Die CO2-Abscheidung und Speicherung ist nach augenblicklichem Stand der Technik noch mit erhöhten Kosten verbunden. Die CO2-Abscheidung ist das kostenbestim- Kostenkalkül mit einbezogen, belaufen sich die Für einzelne Wirtschaftsbranchen bestehen mende Glied in der Prozesskette Abscheidung – Kosten für Transport und Speicherung auf etwa schon heute kommerzielle Anreize, beispiels- Transport – Speicherung. Dies liegt hauptsäch- 10 - 24 € pro Tonne vermiedenes CO2. weise durch die Injektion von CO2 in versiegen- Neueren Berechnungen zufolge könnten die de Erdöl- und Erdgaslagerstätten, um deren Pro- gründet, der den Wirkungsgrad des Kraftwerks CO2-Vermeidungskosten bis 2020 jedoch auf duktionsraten zu steigern. Mitentscheidend verringert: bei kohlebefeuerten Anlagen um 8 Werte zwischen 35 und 50 € / tCO2 sinken. wird jedoch die Entwicklung der Preise für Emis- bis 15 Prozentpunkte, bei gasbefeuerten Kraft- Sollten – wie derzeit geplant – bis 2020 kom- sionszertifikate sein. Die Europäische Kommis- werken um 9 bis 12 Prozentpunkte. Allein für merziell einsatzfähige CCS-Kraftwerke zur Ver- sion hat bereits signalisiert, CCS in den europä- die Abscheidung werden derzeit zusätzliche fügung stehen, muss von Stromgestehungs- ischen Emissionshandel aufzunehmen. Das Kosten in Höhe von bis zu 50 Euro pro Tonne kosten frei Kraftwerk zwischen 6,5 bis 7 ct/kWh Deutsche Institut für Wirtschaftsforschung CO2 veranschlagt. Hinzu kommen die Kosten ausgegangen werden. (DIW) kommt zu dem Schluss, dass eine Strom- lich in dem zusätzlichen Energieaufwand be- für den Transport und die Speicherung. Ver- erzeugung aus emissionsfreien Kohlekraftwer- glichen mit den Zusatzkosten für die CO2-Ab- Der internationale Klimarat (IPCC) veran- ken ab einem Zertifikatspreis von über 30 Euro scheidung sind die Transportkosten eher von schlagt in seinem Sondergutachten 2005 fol- pro Tonne wirtschaftlich werden könnte. Wei- untergeordneter Bedeutung: 1-10 € pro Tonne gende Kosten: Abscheidung: 15 bis 75 US$/ tere Kostenanreize entstehen durch die Weiter- CO2 werden derzeit kalkuliert, je nach Entfer- tCO2; Transport: 1 bis 8 US$/tCO2 je 250 Kilo- entwicklung und Optimierung der CCS-Tech- nung und Transportart. Je näher sich also ein meter; Speicherung und Überwachung: 0,51 bis nologien oder durch Exportmöglichkeiten der potenzieller Speicher zum Kraftwerk befindet, 8,3 US$/tCO2. Technologie. Nach Angaben der IEA werden bei- desto günstiger. Bezogen auf die Gesamtkosten spielsweise in China jedes Jahr 20 bis 25 GW einer CCS-Kette macht der Transportanteil circa neuer Kohlekraftwerksleistung installiert. 10 Prozent aus. Wird auch die Speicherung ins 25 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 26 Die CCS-Technologie – Ein innovatives Forschungsfeld Schon heute darf davon ausgegangen werden, dass die CCS-Technologie einen technisch machbaren und ökologisch akzeptablen Beitrag zur Reduzierung der anthropogenen CO2Emissionen leisten kann. Für einen großtechnischen Einsatz fehlt es derzeit 2011 circa 45 Millionen Euro für Forschungsarbeiten aber noch an verlässlichen Daten, insbesondere was zur Verfügung. Derzeit werden mehr als 20 interdiszi- die langfristig sichere Speicherung des Treibhausgases plinäre Forschungsverbünde gefördert, in denen Un- im Untergrund angeht. Hier bestehen derzeit noch ternehmen mit Universitäten und anderen Wissen- offene Fragen. Sie sind Gegenstand zahlreicher natio- schaftsinstitutionen zusammenarbeiten. Die For- naler wie internationaler Forschungsprogramme, in schungsprojekte konzentrieren sich neben der Aus- denen Wissenschaftler und ihre Kollegen aus der In- wahl und Untersuchung von möglichen Speicherop- dustrie eng zusammenarbeiten. Größte Bedeutung tionen insbesondere auf die Entwicklung von verläss- kommt dem Nachweis zu, dass das CO2 auch in gro- lichen Methoden und Technologien zur dauerhaften ßen Mengen langfristig und ohne Gefahr für Mensch Überwachung geeigneter Standorte. Bislang sind viele und Natur im Untergrund gelagert werden kann. der Forschungsarbeiten auf Laborversuche beschränkt oder werden im Modellmaßstab simuliert. Verlässliche 26 Das Bundesministerium für Bildung und Forschung Aussagen sind jedoch nur möglich, wenn die neue (BMBF) hat die Verantwortung für die geologische Technologie realitätsnah in Pilot- und Demonstrations- Speicherung von CO2 übernommen. Im Rahmen des projekten getestet wird. In zwei standortspezifischen FuE-Programms GEOTECHNOLOGIEN stehen dafür bis Pilotprojekten in der Altmark (Sachsen-Anhalt) und in Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 27 Das europäische Forschungsprojekt CO2-SINK IIm brandenburgischen Ketzin, wenige Kilometer westlich von Berlin, entsteht unter Leitung des GeoForschungsZenSchleswig-Holstein, sollen daher die Speicher- und Sicher- trums Potsdam die europaweit erste landgestützte Pilotan- heitstechnologien unter realistischen Bedingungen vor Ort lage, die in großem Stil CO2 in den Untergrund injiziert. getestet werden. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Insgesamt 60.000 Tonnen sollen hier ab Herbst 2008 in Technologie (BMWi) unterstützt in dem Forschungspro- 800 Meter tiefe, poröse und salzwassergesättigte Sand- gramm COORETEC die Entwicklung neuer und verbesserter steine (Typ: Deep Saline Aquifer) gepumpt werden. In an- Technologien zur CO2-Abscheidung und Effizienzsteigerung geschlossenen Langzeitexperimenten wird mit einem gro- zukünftiger Kraftwerke. ßen technologischen Aufgebot das Verhalten von CO2 im Untergrund untersucht. Dazu gehören Analysen von Ge- CCS ist eine noch junge Technologie, für die auch rechtliche steinsproben, die Untersuchung von Wasserproben und Rahmenbedingungen geschaffen werden müssen. Für die Mikroorganismen aus dem Untergrund, Messungen und geologische Speicherung von CO2 wird derzeit unter Feder- Experimente in Bohrlöchern, geophysikalische und geo- führung der Europäischen Kommission ein Rechtsrahmen er- chemische Überwachungen an der Erdoberfläche und in arbeitet. Wird er von den Mitgliedsstaaten akzeptiert und in der Tiefe sowie theoretische Vorhersagemodelle. Mit die- nationales Recht überführt, werden ab 2009 verbindliche sen Untersuchungen werden die Dichtigkeit und die Rechtsvorschriften zur geologischen Speicherung von CO2 be- Sicherheit potenzieller CO2-Speichergesteine vor Ort gete- stehen. Erst am Anfang steht die Wahrnehmung der Tech- stet und beurteilt. Zum ersten Mal – weltweit – wird auch nologie in der Öffentlichkeit. Noch sind es weitestgehend die die Ausbreitung des CO2 direkt am Ort der Injektion im Vertreter aus der Politik, der Wirtschaft und den Umwelt- Untergrund zu beobachten sein. Insgesamt 14 internatio- verbänden, die sich mit dieser Technologie befassen. Für den nale Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft sind an die- Erfolg ihrer praktischen Umsetzung aber ist es unumgänglich, sem Großversuch beteiligt, der maßgeblich durch die die Akzeptanz einer sehr viel breiteren Öffentlichkeit zu erlan- Europäische Kommission gefördert wird. gen. Wesentlicher Bestandteil zukünftiger Forschungs- und Demonstrationsvorhaben wird daher auch die transparente Information gegenüber der Allgemeinheit sein. 27 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 28 FuE-Programm Förderung/ Partner FuE-Fokus Weitere Information CO2SINK Deutschland/EU Speicherung von CO2 www.co2sink.org GEOTECHNOLOGIEN Deutschland Speicherung von CO2 www.geotechnologien.de COORETEC Deutschland Abscheidung von CO2 www.cooretec.de PICOREF Frankreich Speicherung von CO2 www.ifp.fr CATO Niederlande Abscheidung, Speicherung von CO2 www.CO2-cato.nl CO2CRC Australien Abscheidung, Speicherung von CO2 www.co2crc.com.au Carbon Sequestration Partnership Program USA Abscheidung, Speicherung von CO2 www.netl.doe.gov/sequestration Future Gen USA Abscheidung, Speicherung von CO2 www.fossil.energy.gov/programs/powersystems/futuregen/ Carbon Mitigation Initiative USA Abscheidung, Speicherung von CO2 www.princeton.edu/~cmi The Global Climate and Energy Project USA Abscheidung, Speicherung von CO2 http://gcep.stanford.edu/ CO2GEONET EU Speicherung von CO2 www.co2geonet.com CASTOR EU Abscheidung, Speicherung von CO2 www.co2castor.com Abscheidung von CO2 www.encapco2.org/ ENCAP CO2STORE EU Speicherung von CO2 www.co2store.org Weyburn EU Speicherung von CO2 www.ieagreen.org.uk/glossies/weyburn.pdf ETP ZEP EU Abscheidung, Speicherung von CO2 www.zero-emissionplatform.eu CO2 Capture Project Weltweit operierendes Industriekonsortium Abscheidung, Speicherung von CO2 www.co2captureproject.org IEA Greenhouse Gas R&D-Programme Weltweit operierendes Forschungsnetzwerk Abscheidung, Speicherung von CO2 www.ieagreen.org.uk/ Laufende nationale und internationale Forschungsprogramme zur CCS-Technologie (Auswahl) 28 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 29 CCS – Eine grenzüberschreitende Technologieentwicklung Carbon Capture and Storage (CCS) ist nicht nur in Deutschland ein Thema. Weltweit wird diese Technologie inzwischen ernsthaft in Erwägung gezogen, um den anthropogenen CO2-Ausstoß zu reduzieren. In Europa ist es die Europäische Kommission, cherung von CO2. Weltumspannend sind die die bereits seit etlichen Jahren einschlägige FuE- Forschungsaktivitäten im Rahmen des »Carbon Programme zu diesem Thema fördert. In der Sequestration Leadership Forum (CSLF)« und European Technology Platform for Zero Emis- des »Greenhouse Gas R&D-Programme« der sion Fossil Fuel Power Plants (ETP-ZEP) sitzen Internationalen Energie Agentur (IEA). Deutsch- beispielsweise wichtige europäische Unterneh- land ist Mitglied dieser beiden internationalen men, Forschungsinstitutionen und Nicht-Regie- Initiativen. Parallel zu den staatlich geförderten rungs-Organisationen an einem Tisch, um die FuE-Aktivitäten haben zahlreiche internationale ökologischen, ökonomischen und technologi- Energiekonzerne ihrerseits die Initiative ergriffen schen Perspektiven der CCS-Technologie auszu- und konkrete Forschungs- und Demonstra- loten. In den USA fördert das Department of tionsvorhaben gestartet, unter anderem in der Energy im Rahmen seines »Carbon Sequestra- algerischen Sahara, in Frankreich, Norwegen tion Partnership Programs« verschiedene Pilot- und Deutschland. projekte zu Abscheidung, Transport und Spei- 29 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 30 Sand-/Kalksteine (EOR) 3 4 7 10 9 Sand-/Kalksteine (EGR) 14 12 15 11 Salinarer Aquifer Kohle Mineralische Bindung ≥ 1 Mio. t CO2 /Jahr ≥ 100.000 t CO2 /Jahr < 100.000 t CO2 /Jahr 2 13 6 5 1 8 In Pilot- und Demonstrationsvorhaben werden weltweit die Möglichkeiten der CO2-Injektion in den tiefen Untergrund ausgelotet. (siehe auch nebenstehende Tabelle). 30 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 31 Lfd. Nr. Projekt Land Start der CO2-Injektion Tonnage Geplante Gesamttonnage Lagerstättentyp 1 Gorgon Australien ~2012 Ca. 10.000 t/Tag k.A. Sandsteine, salinarer Aquifer 2 Carson USA 2011 4.000.000 t/Jahr k.A. Sandsteine, EOR 3 Sleipner Norwegen 1996 1.000.000 t/Jahr Ca. 20.000.000 Sandsteine, salinarer Aquifer 4 Weyburn Kanada/USA 2000 Max. 5.000 t/Tag > 20.000.000 Kalksteine, EOR 5 In Salah Algerien 2004 Max. 4.000 t/Tag 17.000.000 Sandsteine 6 K12B Niederlande 2004 Max. 1.000 t/Tag 8.000.000 Sandsteine, EGR 7 Snøhvit Norwegen 2008 700.000 t/Jahr > 7.000.000 Sandsteine, salinarer Aquifer 8 Otway Basin Australien 2008 150 t/Tag 100.000 Sandsteine 9 Altmark Deutschland 2010 – 100.000 Sandsteine, EGR 10 Ketzin Deutschland 2008 100 t/Tag 60.000 Sandsteine, salinarer Aquifer 11 Minami-Nagaoka Japan 2003 40 t/Tag 10.000 Sandsteine, salinarer Aquifer 12 Deccan Vulkan Province Indien k.A. k.A. 2.000 Mineralische Bindung in Basaltgesteinen 13 Frio USA 2004 177 t/Tag 1.600 Sandsteine, salinarer Aquifer 14 Kattowitz/ RECOPOL Polen 2004 k.A. 760 Kohleflöze, ECBM 15 Qinshui Basin China 2003 30 t/Tag 150 Kohleflöze, ECBM Daten: IPCC-Special Report, 2005; persönliche Mitteilungen 31 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 32 Glossar Adsorption Aquifer Gigajoule (GJ) Beim Vorgang der Adsorption (lat.: adsorptio Ursprünglich aus dem englischen Sprachraum 1 Gigajoule = 109 J = 1000 Megajoule (Energie- bzw. adsorbere = (an)saugen) lagert sich ein stammender Begriff. Bezeichnet im weitesten einheit). Atom oder Molekül aus einem Gas oder einer Sinne einen Gesteinskörper mit Hohlräumen, Flüssigkeit an einer inneren Oberfläche des Ad- der zur Abgabe und Weiterleitung von signifi- Gigatonne (Gt) sorbens (Plural: Adsorbentien) an. Im Unter- kanten Wassermengen geeignet ist. Die Gigatonne (Gt) ist eine Masseneinheit. Eine Gigatonne entspricht einer Milliarde (109) schied dazu bezeichnet die Absorption die EinBarrel freie Volumen eines Festkörpers bzw. einer Das Barrel (engl. Fass) ist unter anderem Flüssigkeit. eine Maßeinheit für Erdölprodukte. 1 Barrel Gigawatt (GW) sind 159 Liter. 1 Gigawatt = 109 W = 1000 Megawatt (Leistungseinheit). Affinität In der Chemie ist Affinität die Triebkraft einer ECBM chemischen Reaktion, nämlich das Bestreben Enhanced Coalbed Methane. Gewinnung von IPCC von Atomen oder Atomgruppen, eine Bindung Flözgas aus Kohlevorkommen. Der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen, englisch Intergovernmental Panel on einzugehen (Reaktionsaffinität). Beruht hingegen eine Bindung allein auf elektrostatischer Fossil Climate Change (IPCC), wurde 1988 vom Anziehung der Bindungspartner, spricht man Als Fossil (von lat. fossilis (aus)gegraben) be- Umweltprogramm der Vereinten Nationen von Bindungsaffinität. zeichnet man jedes Zeugnis vergangenen UNEP und der Weltorganisation für Meteo- Lebens aus der Erdgeschichte. Die fossilen Ener- rologie (WMO) ins Leben gerufen. Das Panel Anthropogen gieträger Erdöl, Erdgas und Kohle haben sich hat die Hauptaufgabe, Risiken des Klima- Der Begriff anthropogen (vom griechi- demnach im Verlauf der Erdgeschichte aus wandels zu beurteilen und Vermeidungsstra- schen anthropos = Mensch und von gene- pflanzlichen und tierischen Lebewesen gebildet. tegien zusammenzutragen. Der Sitz des IPCCSekretariats befindet sich in Genf. se = Erzeugung/Erschaffung) bezeichnet 32 Tonnen oder einer Billion (1012) Kilogramm. lagerung eines Atoms oder Moleküls in das alles vom Menschen Beeinflusste, Verur- FuE sachte oder Hergestellte. Forschung und Entwicklung. Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 33 Kalzit Kyoto-Protokoll ppm Kalzit, auch Calcit oder Kalkspat, ist ein Mineral Das Kyoto-Protokoll (benannt nach dem Ort der (Parts per Million), 10-6, ein millionstel Teil. mit der chemischen Formel CaCO3. Farbe: Weiß Konferenz Kyoto in Japan) schreibt verbindliche oder farblos. Es ist als gesteinsbildendes Ziele für die Verringerung des Ausstoßes von Schlagwetter Mineral eines der häufigsten in der Erdkruste. Treibhausgasen fest, welche als Auslöser der glo- Schlagwetter ist ein Begriff aus der Bergmanns- balen Erwärmung gelten. Die Zunahme dieser sprache. Er bezeichnet im Kohlebergbau, je- Kilowattstunde (kWh) Treibhausgase wird großteils auf menschliche doch auch im Salz- und Erzbergbau unter Tage Kilowattstunde (kWh) ist die am häufigsten im Aktivitäten zurückgeführt, insbesondere auf das austretendes Grubengas (Methangas), welches, allgemeinen Gebrauch verwendete Einheit für Verbrennen fossiler Brennstoffe. Die reglemen- mit Luft gemischt, explosiv reagiert (Schlag- Energie oder Arbeit. Wenn beispielsweise eine tierten Gase sind: Kohlendioxid (CO2, dient als wetterexplosion). Als Wetter bezeichnet der Solaranlage mit der Leistung von einem Referenzwert), Methan (CH4), Distickstoffoxid Bergmann die Gesamtheit der in einem Berg- Kilowatt eine Stunde lang elektrische Energie (Lachgas, N2O), teilhalogenierte Fluorkohlenwas- werk befindlichen Luft. (umgangssprachlich: Strom) produziert, so ent- serstoffe (H-FKW/HFCs), perfluorierte Kohlen- spricht das einer Energiemenge von einer wasserstoffe (FKW/PFCs) und Schwefelhexa- Treibhausgas Kilowattstunde. fluorid (SF6). Treibhausgase sind gasförmige Stoffe, die zum Kohlendioxid LNG natürlichen als auch einen anthropogenen Ur- Kohlendioxid (CO2) ist eine chemische Verbin- LNG ist die Abkürzung für Liquefied Natural sprung haben können. Die wichtigsten natür- dung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und ein Gas, englisch für Flüssigerdgas. lichen Treibhausgase sind Wasserdampf, Koh- Treibhauseffekt beitragen und sowohl einen farb- und geruchloses Gas. Es ist ein natürlicher Bestandteil der Luft und entsteht sowohl bei lendioxid und Methan. Sie heben die durchMegawatt (MW): 6 schnittliche Temperatur an der Erdoberfläche der vollständigen Verbrennung von kohlen- 1 Megawatt = 10 W = 1.000 Kilowatt. Ein ein- um etwa 30 °C auf +15 °C an. Ohne diesen stoffhaltigen Substanzen unter ausreichendem zelnes Steinkohlekraftwerk hat eine typische natürlichen Treibhauseffekt hätte die untere Sauerstoff als auch im Organismus von elektrische Leistung von bis zu 700 Megawatt. Atmosphäre im globalen Mittel nur -18 °C. Lebewesen als Produkt der Zellatmung. Das Künstliche Treibhausgase der Luft sind das CO2 wird dabei über den Atem abgegeben. Methan Distickstoffoxid (Lachgas, N2O, Beitrag etwa Umgekehrt sind Pflanzen in der Lage, CO2 Methan (CH4) – auch Sumpfgas genannt – ist ein 6 %), Fluorkohlenwasserstoffe (FKW bzw. durch die Kohlenstoffdioxid-Fixierung in Bio- farbloses und geruchloses Gas. Methan ist der H-FKW), Schwefelhexafluorid (SF6) und fluo- masse umzuwandeln. So produzieren Pflanzen Hauptbestandteil von Erdgas und Biogas. Nach rierte Chlorkohlenwasserstoffe (FCKW). beispielsweise bei der Photosynthese aus anor- Kohlendioxid ist es das bedeutendste Treibhaus- ganischem CO2 Glukose. gas, wobei es 20- bis 30-mal wirkungsvoller ist, allerdings in kleineren Mengen in der Atmosphäre vorkommt. 33 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 34 Anhang Mehr zum Thema CCS (Auswahl aktueller Schriften und Berichte): Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (2007): Leuchtturm COORETEC – Der Weg zum zukunftsfähigen Kraftwerk mit fossilen Brennstoffen; Forschungsbericht No. 566 Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (2005): Dokumentation Nr. 545; EWI/Prognos-Studie »Die Entwicklung der Energiemärkte bis zum Jahr 2030«; Energiewirtschaftliche Referenzprognose, Energiereport IV – Kurzfassung Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2006): Energieversorgung für Deutschland; Statusbericht für den Energiegipfel am 3. April 2006 Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2007): RECCS Strukturell-ökonomisch-ökologischer Vergleich regenerativer Energietechnologien (RE) mit Carbon Capture and Storage (CCS) (http://www.bmu.de/erneuerbare_energien/downloads/ doc/38826.php) Dooley, J.J. (2006): Carbon Dioxide Capture and Geologic Storage – A Core Element of Global Energy Technology Strategy to Address Climate Change; Global Energy Technology Strategy Program; April 2006 34 ECOFYS (2007): Sustainability framework for Carbon Capture and Storage; Januar 2007 Fischedick et al. (2007): Geologische CO2-Speicherung als klimapolitische Handlungsoption – Technologien, Konzepte, Perspektiven, Wuppertal Spezial 35, Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH, 2007 Intergovernmental Panel on Climate Change (2005): Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, September 2005 Umweltbundesamt (2006): Technische Abscheidung und Speicherung von CO2 – nur eine Übergangslösung; Positionspapier des Umweltbundesamtes zu möglichen Auswirkungen, Potenzialen und Anforderungen; Dessau, August 2006 (http://www.umweltdaten.de/ publikationen/fpdf-l/3074.pdf) VGB Powertec EV (2004): CO2 Capture and Storage, VGB Report on the State of the Art, Essen, 2004 International Energy Agency (2005): IEA; Key World Energy Statistics, 2005 Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (2003): Über Kioto hinaus denken – Klimaschutzstrategien für das 21. Jahrhundert; WBGU-Sondergutachten Kemfert, Claudia (2005): Klimaschutz im deutschen Strommarkt: Chancen für Kohletechnologien durch CO2-Abscheidung und -Speicherung; DIW Wochenbericht No. 16/2005; S. 243-248 Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (2006): Die Zukunft der Meere – zu warm, zu hoch, zu sauer; WBGU-Sondergutachten Rat für Nachhaltige Entwicklung (2003): Perspektiven der Kohle in einer nachhaltigen Energiewirtschaft – Leitlinien einer modernen Kohlepolitik und Innovationsförderung – texte No. 4; Oktober 2003 Ziesing, Hans-Joachim (2005): Stagnation der Kohlendioxidemissionen in Deutschland im Jahre 2004; DIW Wochenbericht 9/2005 Stroink, Ludwig (2006): Underground Storage of CO2 in Germany; IEA Greenhouse Gas R&D-Programme; Greenhouse Issues, No. 81, March 2006 Ziesing, Hans-Joachim (2006): CO2-Emissionen in Deutschland im Jahre 2005 deutlich gesunken. DIW Wochenbericht, No.12/2006 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 35 Thematisch relevante Webseiten Nachfolgend sind einige informative Webseiten aufgelistet, die einen weiteren Einblick in die CCS-Technologie ermöglichen. Sie komplettieren die Liste der Internetadressen aus der Tabelle »Forschungsprogramme«: 1. www.wbgu.de/wbgu_sn2006.html (WBGU-Sondergutachten, 2006: Die Zukunft der Meere – zu warm, zu hoch, zu sauer) 2. www.bmu.de/erneuerbare_energien/downloads/doc/ 38826.php (Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Naturschutz, Umwelt und Reaktorsicherheit: RECCS Strukturell-ökonomisch-ökologischer Vergleich regenerativer Energietechnologien mit Carbon Capture and Storage, 2007) 3. www.umweltbundesamt.de/energie/archiv/CC-4-2006-Kurzfassung.pdf (Verfahren zur CO2-Abscheidung und -Speicherung; Studie im Auftrag des BMU, 2006) 4. www.co2captureandstorage.info/co2db.php (Datenbank aller derzeit laufenden FuE und Demonstrationsprojekte weltweit) 5. www.iea.org/ (Internationale Energie Agentur) 6. www.ipcc.ch/ (IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change) 7. www.geotechnologien.de (FuE-Programm GEOTECHNOLOGIEN) 8. www.zero-emissionplatform.eu/website/ (European Technology Platform for Zero Emission Fossil Fuel Power Plants, ETP-ZEP) 9. www.fossil.energy.gov/programs/powersystems/futuregen/ (US-amerikanisches Forschungsprogramm Future Gen) 10. www.cslforum.org (Carbon Sequestration Leadership Forum, weltweit operierende Plattform zur CCS-Technologie) 11. www.ieagreen.org.uk/ (Internationales Forschungsnetzwerk zum Thema Carbon, Capture and Storage) 12. www.iz-klima.de/ (Informationszentrum Klimafreundliches Kohlekraftwerk) 13. www.globalccsinstitute.com/ (The Global Carbon Capture and Storage Institute (Global CCS Institute) 35 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 Die europäische Pilotanlage CO2SINK zur unterirdischen CO2-Speicherung im brandenburgischen Ketzin. 36 9:39 Uhr Seite 36 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:39 Uhr Seite 37 37 Brosch_CO2_030608.qxd:Brosch_CO2.qxd 17.12.2009 9:38 Uhr Seite I Kontakt: Dr. Ute Münch Koordinierungsbüro GEOTECHNOLOGIEN Telegrafenberg, 14473 Potsdam Tel. 0331-288 10 71 www.geotechnologien.de Das Forschungs- und Entwicklungsprogramm GEOTECHNOLOGIEN wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Impressum: Konzept, Text: Dr. Ludwig Stroink Grafik, Design: Grit Schwalbe Gedruckt auf Zanders Mega Silk. Nach dem internationalen Umweltstandard (PEFC) zertifiziert. 3. Auflage, Dezember 2009
