Fossile Brennstoffe wie Kohle sollen durch erneuerbare Energieträger ersetzt und das bei der Verbrennung entstehende Treibhausgas CO₂ in der Atmosphäre reduziert werden. Das ist das erklärte Ziel der Energie- und Klimapolitik.Bis die Energiesysteme jedoch vollständig auf erneuerbare Energieträger umgestellt sein werden, ist man auch auf sogenannte Brückentechnologien angewiesen. Darunter sind Ansätzewie die «CO₂ Capture and Storage»-Technologie (CCS, vgl. ETH Life Online vom 8. Juni 2012.).

Der Grundgedanke der CCS-Technologie sei es, CO₂ direkt in den Kraftwerken oder Industrieanlagen abzuscheiden, dann zu komprimieren, in Pipelines zum Speicherort zu transportieren und dort unterirdisch sicher einzulagern, erklärt Marco Mazzotti, Professor für Verfahrenstechnik am Laboratorium für Trennprozesse und Vorsitzender im Leitungsausschuss des Energy Science Center der ETH Zürich.

Aufschluss durch Pilotprojekt

Gesellschaftlich kontrovers diskutiert wird besonders die CO₂-Speicherung: Aus wissenschaftlicher Sicht dringend notwendig ist deshalb ein Pilotprojekt, bei dem die Ausbreitung des CO₂ in Abhängigkeit der detaillierten, geologischen Merkmale eines Standorts untersucht wird.

Die Anforderungen an einen CO₂ -Speicher sind im Prinzip die gleichen wie bei natürlichen Erdöllagern: Um CO₂ in mindestens 800 Metern Tiefe sicher zu lagern, muss eine poröse Gesteinsschicht (zum Beispiel Sandstein) vorhanden sein und eine dichte Deckschicht (zum Beispiel bestimmte Tongesteine) darüber liegen. Abgeschirmt von der undurchlässigen Deckschicht dringt das verdichtete CO₂ in den Sandstein. Mit der Zeit löst es sich im darin enthaltenen Salzwasser, und es bildet sich natürliches, kohlensäurehaltiges Mineralwasser.

Die entstandene Lösung ist etwas schwerer und hat keinen Auftrieb mehr. Bei geeigneter mineralischer Zusammensetzung des Speichergesteins wandelt sich das CO₂ auf die lange Dauer zu festen Karbonaten, wie zum Beispiel Kalk oder Dolomit, und setzt sich am Speichergrund fest. Wie ein CO₂-Speicher funktioniert, haben zwei Doktoranden Marco Mazzottis, die CCS-Forscher Daniel Sutter und Mischa Werner, unlängst im «ETH-Klimablog» beschrieben.

Ausserdem haben Sutter und Werner zusammen mit fünf Maschinenbaustudierenden einen interaktiven Schaukasten entwickelt, der anschaulich und visuell nachvollziehbar darstellt, wie die CO₂-Speicherung in einem porösen Sandstein («saliner Aquifer») funktioniert (siehe Bild).

«Noch nicht auf CO2-Speicherung vorbereitet»

Dass die Geologie im Molassebecken des Schweizer Mittellands Potential für die CO₂-Speicherung bietet, haben Forschende der Universität Bern 2010 in einer Studie nachgewiesen. Woran es fehlt, ist das Detailwissen über geeignete Standorte: «Zurzeit ist die Schweiz noch nicht auf die Speicherung von CO₂ vorbereitet», sagt Daniel Sutter, «die sorgfältige Auswahl von Speicher- und Deckschicht ist absolut zentral. Dazu muss aber die lokale geologische Struktur genau untersucht werden.» Ein Pilotprojekt, bei dem eine kleine Menge CO₂ injiziert und genau beobachtet wird, ermöglicht detailliertere und exaktere Informationen über die Geologie eines Standorts als die seismischen Methoden und Probebohrungen.

Zudem könnten Umweltorganisationen, Behörden und auch der Gesetzgeber das Projekt von der Planungsphase an begleiten, um ihrerseits Erfahrungen zu sammeln, Zuständigkeiten abzuklären und allfällige rechtliche Anpassungen vorzunehmen. «Ein Pilotprojekt ist ausserdem ein gutes Forum, um den Dialog mit der Öffentlichkeit aufzunehmen und die Bevölkerung mit der CCS-Technologie vertraut zu machen», sagt Daniel Sutter. Dies zeigen die Erfahrungen aus einem vergleichbaren Pilotprojekt in Deutschland: In Ketzin bei Berlin wurden verschiedene Möglichkeiten, die Bewegung des CO₂ im Speicherreservoir zu verfolgen, erfolgreich getestet.

Daraus konnten die Forschenden wertvolle Detailinformation über die Eigenschaften des Speichergesteins und den Speicherbetrieb gewinnen. Die offene und klare Kommunikation mit Informationsveranstaltungen und einer Dauerausstellung vor Ort ermöglichten es zudem, auch kritische Punkte und Befürchtungen der lokalen Bevölkerung anzusprechen und die Akzeptanz des CO₂-Speichers zu erhöhen.

Zehn Jahre Forschung

Bereits seit 2008 leitet Marco Mazzotti das im Dezember 2012 zu Ende gehende Forschungsprojekt «Carma» («CARbon MAnagement in Power Generation»). In diesem Projekt untersuchen Forschende verschiedener Institutionen des ETH-Bereichs das technische, geologische und sozioökonomische Potential, das die CCS-Technik weltweit und in der Schweiz hat.

Im Hinblick auf einen schrittweisen Ausstieg aus der Kernenergie und den Aufbau von zusätzlichem Know-how ist ein nationales Pilotprojekt zur Lagerung von abgeschiedenem CO₂ wichtig. Erfahrungen mit Speicherungsprojekten im Ausland zeigen, dass die Suche nach einem geologisch geeigneten Speicher und die Durchführung eines Pilotprojekts rund zehn Jahre dauert. «Ein Pilotprojekt mit kleinen CO₂-Mengen ist dringlich, wenn sauberer Strom aus CCS-Gaskraftwerken für die Schweiz eine Option bleiben soll», sagt Marco Mazzotti.