Kohlenstoffspeicherung in Basaltgestein

Um den Boden in seiner Gesamtheit zu betrachten, gilt es auch die CO2-Speichermöglichkeiten im Gestein zu berücksichtigen.

Das gesamte CO2 in der Atmosphäre, in Lebewesen und im Ozean ist aus Gestein entstanden und wird letztendlich wieder zu Gestein werden. Das Gestein der Erde stellt das größte CO2-Reservoir des Planeten dar. Auf der Erde bewegt sich der Kohlenstoff im sogenannten Kohlenstoffkreislauf von einem Speicher in einen anderen [1]. Die Menschheit hat diesen Kreislauf durch das Abbauen und Verbrennen von fossilen Energieträgern beschleunigt, dies hat zu einer höheren Konzentration von CO2 in der Atmosphäre geführt, welche der Hauptgrund für die Klimaerwärmung ist. Eine Möglichkeit die globale Erwärmung zu reduzieren, stellt die Abscheidung des CO2´s aus der Atmosphäre und dessen Speicherung für tausende Jahre im Gestein dar. Durch die Beschleunigung der Versteinerung des CO2´s zu Mineralien ist es möglich den Kohlenstoffkreislauf wieder in ein Gleichgewicht zu bringen und eine Langzeitspeicherlösung zu bieten, jedoch ist dieser Prozess technisch herausfordernd und teuer.

Die meisten solcher Projekte haben bisher das CO2 in große Sedimentbecken in der Erde injiziert (siehe Abbildung 1 A). Das bekannteste solcher Projekte dürfte das in Sleipner im Westen Norwegens sein, wo seit 1996 jährlich etwa eine Million Tonnen CO2 in 700m Tiefe unter dem Meeresspeigel in das Utsira Sandgestein injiziert wurden. Das Problem mit dieser Art der Speicherung ist, dass es mehrere Zehntausend bis zu Hunderttausend Jahre dauert, bis das CO2 mineralisiert ist [2]. Dieses Problem resultiert zum einen aus der geringen Reaktivität der Silikat Mineralien im Sedimentgestein sowie dem Mangel an Calcium, Magnesium und Eisen, welche zur Herstellung von Karbonaten benötigt werden.

Abbildung 1: Verschiedene Arten der CO2 Speicherung im Gestein

Um diese Probleme zu umgehen wurde die Alternative entwickelt, das CO2 in reaktives Basaltgestein zu injizieren. Dieser Prozess bietet einige Vorteile, das Basaltgestein besteht zu ca. 25% aus Calcium, Magnesium und Eisenoxiden [3]. Zudem ist Basaltgestein in Verbindung mit Wasser wesentlich reaktiver als sedimentäre Silikatgesteine und die Metalle, welche im Basaltgestein enthalten sind, sind daher ständig für die Reaktion mit dem injizierten CO2 verfügbar [3-5]. Zudem kommt Basalt auf der Erde reichlich vor; ~10% der Kontinente und ein großer Teil der Ozeanböden besteht aus Basalt [4,6].

Die Speicherung von CO2 in Basalt könnte daher eine wichtige Speichermöglichkeit für Kohlenstoff werden. Jedoch gibt es eine Herausforderung bei der Speicherung, und zwar der Auftrieb des CO2´s, welche dazu führen könnte, dass es durch Poren und Risse wieder an die Erdoberfläche gelangt.

Ein Praxisprojekt, welches sich mit der Durchführbarkeit der Kohlenstoffspeicherung in Basaltgestein beschäftigt, ist das CarbFix Projekt im Südwesten Islands [4,7], wo die CO2 Speicherung im Boden 2012 begonnen hat. Hierbei wird das CO2 in Form von kleinen Bläschen in einer Tiefe von 350m in nach unten fließendes Wasser im Injektionsbohrloch gepumpt (siehe Abbildung 1 B). Die CO2-Bläschen lösen sich im Wasser bevor dieses das Gestein erreicht. Sobald das CO2 einmal im Wasser gelöst ist, hat es keinen Auftrieb mehr. Zusätzlich beschleunigt das CO2 versetze Wasser die Lösung von Metallen aus dem Basalt und somit die Formation von festen Kohlenstoffkarbonaten. Einmal in ein Mineral umgewandelt, ist das CO2 für eine sehr lange Zeit gespeichert. Mehr als 80% des injizierten CO2´s während des CarbFix Projekts war innerhalb eines Jahres in einer Tiefe von 500-800m mineralisiert [8,9].

Falls du mehr über das CarbFix Projekt erfahren willst, gucke dir das folgenden Video an:

Dieses Ergebnis lässt darauf schließen, dass die CarbFix Methode den zeitlichen Ablauf der Mineralisierung des Kohlenstoffs wesentlich beschleunigen kann. Die CarbFix Methode benötigt sehr viel Wasser, lediglich 5% der injizierten Masse sind CO2. Poröses Basalt in der Nähe der Kontinentalränder bietet riesige Speichermöglichkeiten benachbart von nahezu unendlichen Meerwasservorräten. Auf den Kontinenten, kann das Wasser welches sich im Zielgestein befindet heraufgepumpt und für die Lösung des CO2´s während der Injektion verwendet werden.

Eine der größten Herausforderungen aller Carbon Capture and Storage Technologien stellen die hohen Kosten dafür dar. Die geschätzten Kosten für den Transport und die Speicherung einer Tonne CO2 im CarbFix Projekt betragen 17$ [10]. Diese Kosten sind circa doppelt so hoch wie die Kosten für die direkte Speicherung von CO2 in Sedimentbecken [10,11], bietet dafür jedoch erhöhte Sicherheit, da das in Wasser gelöste CO2 keinen Auftrieb besitzt. Den größten Teil der Kosten stellen jedoch die Kosten der Abscheidung und Gastrennung dar, diese betragen zwischen 55$ und 112$/Tonne CO2 [11]. Im Kontrast dazu ist der aktuelle CO2 Zertifikatspreis viel zu gering. Wenn dieser nicht aufgrund von Marktkräften oder CO2 Steuern steigt, gibt es keinen finanziellen Anreiz für Carbon Capture and Storage, unabhängig welche der Technologien genutzt wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Speicherung von CO2 in Basaltgestein noch in den Kinderschuhen steckt, jedoch in Zukunft eventuell eine sichere Alternative zur einfachen CO2 Speicherung in Sedimentgestein darstellen kann.

Quellen:

[1] D. Archer, J. Geophys. Res.110, C09S05 (2005).

[2] S. M. V. Gilfi llan et al., Nature458, 614 (2009).

[3] Schaef, B. P. McGrail, A. T. Owen, Int. J. Greenh. GasControl4, 249 (2010).

[4] S. R. Gislason et al., Int. J. Greenh. Gas Control4, 537 (2010).

[5] J. Rosenbauer, B. Thomas, J. L. Bischoff, J. Palandri, Geochim. Cosmochim. Acta89, 116 (2012).

[6] D. S. Goldberg, T. Takahashi, A. L. Slagle, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.105, 9920 (2008).

[7] E. S. Aradóttir, E. Sonnenthal, G. Bjornsson, H. Jonsson, Int. J. Greenh. Gas Control9, 24 (2012).

[8] S. R. Gislason et al., Min. Mag. (Lond.)77, 1178 (2013).

[9] J. M. Matter et al., American Geophysical Union Fall Meeting, abstract V41A-2753 (2013).

[10] E. Ragnheidardottir, H. Sigurdardottir, H. Kristjansdottir, W. Harvey, Int. J. Greenh. Gas Control5, 1065 (2011).

[11] Global CCS Institute, Economic Assessment of Carbon Capture and Storage Technologies: 2011 Update; see www.globalccsinstitute.com/publications/economic-assessment-carbon-capture-and-storage-technologies-2011-update (2011).