Risse im Gestein durch CO2-Speicherung

Überdruck im Untergrund: Bei einer der größten Pilotanlagen für die Speicherung von CO2 im Untergrund hat das Einpumpen des Gases wahrscheinlich Risse im Gestein verursacht. US-Forscher haben Anzeichen für druckbedingte Schäden im Reservoir als auch im Deckstein gefunden. Solche Veränderungen könnten auch in anderen CCS-Reservoiren auftreten, so die Forscher im Fachmagazin „Proceedings of the National Academy of Sciences“.

Als eine vielversprechende – aber nicht unumstrittene – technische Methode, um Emissionen des Treibhausgases CO2 zu reduzieren, gilt die Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid (Carbon Capture and Storage, CCS). Dabei wird das CO2 aus Abgasen von Kraftwerken oder Industrieanlagen zunächst isoliert und dann in Speicher im Untergrundgestein geleitet, meist ehemalige Erdgas- oder Erdöllagerstätten. Weltweit existieren dazu bisher nur Pilotprojekte, die unter anderem die langfristige Sicherheit einer solchen unterirdischen CO2-Lagerung erkunden sollen.

Ungewöhnliche Hebung der Oberfläche

Eine der größten CCS-Anlagen ist das in Zentral-Algerien gelegene In Salah. Hier wurden zwischen 2004 und 2011 3,8 Millionen Tonnen CO2 in ein Reservoir in 1.800 Metern Tiefe eingeleitet. Überdeckt ist dieses von einer fast einen Kilometer dicken Deckschicht, die als undurchlässig für das CO2-Gas gilt. Im Juni 2011 zeigten Messungen jedoch, dass sich der Porendruck in den unteren 200 Metern dieser Deckschicht deutlich erhöht hat. Joshua White und seine Kollegen vom Lawrence Livermore National Laboratory haben untersucht, welche Ursache diese Veränderungen haben – und welche Konsequenzen dies für die Sicherheit dieses Reservoirs haben könnte.

Blick auf die CCS Anlage in In Salah, Algerien © global ccs institute

Dafür werteten die Forscher seismische Messungen und Radardaten von Satelliten aus, die die Höhenveränderung des Geländes über dem Reservoir erfassen. Die Radardaten zeigten eine deutliche Veränderung der Oberfläche: „Signifikante Hebungen wurden an allen Injektoren gemessen“, berichten die Wissenschaftler. In einem Gebiet trat dabei eine ungewöhnliche, zweilappige, von einem zentralen Graben unterbrochene Geländehebung auf.

Risse im Gestein

Dieses ungewöhnliche Muster deutet entweder darauf hin, dass das Reservoir entgegen vorheriger Erkenntnisse eine ungleichmäßige Permeabilität für das CO2 aufweist. Oder aber, dass CO2 an dieser Stelle aus dem Reservoir entwichen und ins Deckgestein eingedrungen ist. nicht auszuschließen wäre auch, dass Verformungen in der Deckschicht diese Hebungen verursacht haben – völlig unabhängig vom Reservoir. Welche Hypothese zutrifft, überprüften White und seine Kollegen anhand von Messdaten aus den Bohrlöchern und Pumpen und geologischen Analysen.

Ihr Fazit: Es deutet einiges darauf hin, dass der erhöhte Druck durch die CO2-Einspeisung das Gestein im Umfeld einiger Pumpen zerbrechen ließ. Das Gas erhöhte den Druck des Porenwassers im Gestein so stark, dass ein sogenanntes Hydrofracturing auftrat. Ion seismichen Analysen sichtbare, neu aufgetretene schmale Linien in Richtung der Hauptbelastung des Gesteins könnten solche Risse darstellen.

Seismische Anomalien rund um eine CO2-Einpumpstelle in Salah. Sie deuten auf Schäden im Gestein hin. © White et al. / PNAS

Ähnliche Druckschäden auch anderswo möglich

„Unsere Analysen stützen die Annahme, dass der Injektionsdruck die Druckschwelle für das Brechen des Gesteins im Reservoir und der unteren Deckschicht überschritten hat“, erklären die Forscher. Gleichzeitig sei nicht auszuschließen, dass dieser Überdruck auch bereits vorhandene Schwachstellen und Verwerfungen in diesen Gesteinsschichten reaktivierte und aufreißen ließ. Der Druck und wahrscheinlich auch CO2 wanderten dadurch aus dem Reservoir in die untere Deckschicht ein.

„Zwar gibt es keine Anzeichen dafür, dass die Integrität des Reservoirs als Ganzem kompromittiert worden ist. Unsere Beobachtungen werden aber interessante Fragen zum geomechanischen Verhalten dieses Systems auf“, konstatieren die Forscher. Offensichtlich hat das Einpumpen des CO2 zu Rissen und anderen Veränderungen sowohl im Reservoir als auch im Deckgestein geführt. Im Falle von In Salah ist die Deckschicht dick genug, um Lecks auszuschließen. Für andere Reservoire könnte dies aber anders aussehen. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014; doi: 10.1073/pnas.1316465111)

(PNAS, 27.05.2014 – NPO)