CO2STORE Salinare Aquifere in Nordost-Deutschland

Land / Region: Deutschland

Projektanfang: 01.02.2003

Projektende: 31.07.2006

Projektstand: 31.07.2006

Abb. 1: Modernes Braunkohlekraftwerk „Schwarze Pumpe“. Quelle: Vattenfall

Aufgaben des Projektes sind die Fortführung und Weiterentwicklung geophysikalischer Überwachungsmethoden am Beispiel des CO₂-Speichers Sleipner (Nordsee) sowie die Übertragung der dort gemachten Erfahrungen auf weitere, geologisch verschiedene Standorte. Im Rahmen des CO2STORE-Projektes wurden in Europa vier Fallstudien zur Speicherung von CO₂ in Salzwasserführenden Aquiferen an Land und unter dem Meeresboden untersucht: im St. Georges Channel (Wales), vor Mittel-Norwegen, in Dänemark sowie die Antiklinalstruktur Schweinrich in Nordostdeutschland.

An der deutschen Fallstudie “Schwarze Pumpe” mit waren neben der BGR die nationalen Geologischen Dienste Frankreichs (BRGM) und der Niederlande (NITG-TNO) sowie Vattenfall Utveckling AB (Schweden) beteiligt.

Des Weiteren wurde von der BGR und dem LBNL eine Simulationsstudie zur CO₂-Speicherung in der Erdgaslagerstätte Altmark in Verbindung mit der Ausbeutesteigerung der Lagerstätte durchgeführt.

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Das Projekt wurde von der Europäischen Kommission und einem Industrie-Konsortium finanziert.

Homepage: Research project CO2STORE

Aufgaben und Zielsetzung 

Abb. 2: Salz-tektonische Strukturen Nordostdeutschlands. Die Struktur Schweinrich befindet sich in der Mitte der Karte und das Kraftwerk „Schwarze Pumpe“ im Südosten. Quelle: BGR

Die Aufgaben der deutschen Fallstudie „Schwarze Pumpe“ sind die Auffindung, Evaluierung und Charakterisierung potentieller Strukturen mit Salzwasserführenden Aquiferen in Nordost-Deutschland. Geeignete Strukturen sollen ein Speicherpotential von mehr als 400 Millionen Tonnen besitzen und somit das innerhalb der üblichen Betriebszeit von ca. 40 Jahren emittierte CO₂ eines modernen Braunkohlekraftwerkes (z.B. „Schwarze Pumpe“, Abb. 1) aufnehmen können.

Das moderne Kraftwerk „Schwarze Pumpe“ liegt ca. 100 km südöstlich von Berlin (Abb.2). Die zwei Kraftwerksblöcke haben eine Leistung von je 750 MW Elektrizität und etwa 250 MW Wärme. Sie emittieren etwa 10 Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr.












Im Rahmen der Fallstudie werden folgende interdisziplinäre Aufgaben bearbeitet:

• Auffindung, Evaluierung und Charakterisierung einer salzwasserführenden Speicherstruktur: BGR
  
• Numerische Modellierung möglicher geochemischer Prozesse im Speicher- und Abdeckergestein: BRGM
  
• Erstellung eines geologischen 3D-Modells: NITG-TNO und BGR
  
• Simulation der Ausbreitung von gasförmigem und gelöstem CO₂: NITG-TNO
  
• Standortbezogene Risikoanalyse: Vattenfall Utveckling AB, NITG-TNO und BGR

Standortauswahl und Charakterisierung

Die Mesozoischen Schichten des nordostdeutschen Beckens enthalten zahlreiche salzwasserführende Aquiferstrukturen (Abb. 3). Unter Anwendung der Kriterien Tiefenlage, Mächtigkeit, Porosität, Permeabilität, geschätztes Speichervolumen, Fallenstruktur und Vorhandensein geeigneter Abdeckergesteine wurden 26 dieser Strukturen miteinander verglichen. Die Struktur Schweinrich (Abb. 2 und 3) wurde für weitere Untersuchungen ausgewählt.

Abb. 3: Geologisches Profil quer (NW-SE) zum Streichen der Antiklinalstruktur Schweinrich, zwischen zwei flankierenden Salzstöcken. Quelle: BGR

Die geologische Charakterisierung der Struktur Schweinrich beinhaltet die:        

• Beschreibung der strukturgeologischen Entwicklung  
  
• geochemisch-mineralogische Analytik der Speicher- und Abdeckergesteine
  
• Bewertung der Vulnerabilität der Grundwässer in den neogenen Lockersedimenten
  

Die Struktur Schweinrich ist eine passive Antiklinalstruktur (Schildkrötenstruktur), deren strukturgeologischer Bau eng mit dem Aufstieg der benachbarten Salzstrukturen zusammenhängt. Als Speichergesteine (Reservoire) dienen poröse Sandsteine des obersten Keupers (Rät) und des untersten Jura (Lias), welche von mehreren mächtigen Tonsteinserien des Lias (Sinemur bis Toarc) überlagert werden.

Modellierung geochemischer Prozesse

Abb. 4: Elektronenmikroskopische Detailaufnahme von einer Sandsteinprobe aus dem Hettang (Speichergestein). Quelle: BGR

Das Ziel der geochemischen Modellierung ist die Identifizierung   möglicher chemische Prozesse unter Reservoirbedingungen. Zum Teil erlauben quantitative Prognosen der Stoffumsätze Aussagen zur:

• Sensitivität des Speichersystems (Formationswasser, Speicher– und Abdeckgestein gegen CO₂
  
• Kapazität des Speichergesteins, CO_2,aq in Porenfluid zu lösen durch die Umwandlung von Silikaten in Form langfristig stabiler Karbonate zu fixieren.
  
• Auswirkung CO₂-gesättigter Wässer auf das Abdeckgestein in der Nachbarschaft möglicherweise  wasserwegsamer Störungen
  
• Entgasung CO₂-gesättigter Wässer, wenn sie in Kontakt mit den Salzstöcken kämen.

 Neben der Auswertung von Bohrungslogs (Lithologie, Stratigraphie und Fazies) wurden für die geochemische Modellierung erforderliche chemische und mineralogische Analysen durchgeführt. Feldspäte und eisenreiche Karbonate sind CO₂-sensitive Komponenten in den Sandsteinen des Speichers (siehe Abb. 4).

3D-Modellierung der CO₂-Ausbreitung im Speichergestein

Abb. 5: Simulierte Ausbreitung von CO2 im Formationswasser; CO2–Konzentration (Vol.-%) ca. 10.000 Jahre nach dem Ende der Injektion Quelle: NITG-TNO

Ein geologisches 3D-Modell bildet die Basis der fluid-dynamischen Simulationen zur Vorhersage der räumlich-zeitlichen Ausbreitung der CO₂-Phase sowie des im Porenwasser gelösten CO₂ (Abb. 5). Das Modell erlaubt verschiedene Injektionsstrategien (Anzahl und Position von Injektionsbohrungen) miteinander zu verglichen.

Risiko-Analyse

In einer Standortbezogenen Analyse werden eventuelle Risiken der CO₂-Speicherung für Menschen und Umwelt (Health Security and Environment (HSE)) erfasst und daraus standortspezifische Risikoszenarien abgeleitet, die hinsichtlich ihrer Wahrscheinlichkeit und möglicher Konsequenzen von Störfällen oder Leckagen bewertet werden.  

 

Neben der Analyse  der Speicherformation und der Abdeckergesteine wird auch eine Sensitivitätsstudie der oberflächennahen Lockersedimente für den Fall der Undichtigkeit des Speichersystems durchgeführt. Die Ausbreitung von CO₂ in neogenen Grundwasserleitern könnte eine Versauerung und Kontamination von Süßwässern durch umweltrelevante Schadstoffe (z.B. Schwermetalle) zur Folge haben.

Literatur:

Chadwick, A., R. Arts, C. Bernstone, F. May, S. Thibeau, P. Zweigel. (Hrsg., 2008): Best Practice for the storage of CO₂ in saline aquifers. British Geological Survey, Keyworth, Nottinghan, 267 S., ISBN978-0-85272-610-5.

Meyer, R., May, F., Müller, C., Bernstone, C. (2008): Regional search, selection and geological characterization of a large anticlinal structure, as a candidate site for CO₂-storage in northern Germany. — Environmental Geology 54:1607-1618.

Partner:

Vattenfall AB, Schweden,