CO₂ unter der Erde: Wie Simulationen die sichere Speicherung in der Schweiz ermöglichen

CCUS wird weithin als Schlüsseltechnologie zur Erreichung der Klimaneutralität anerkannt, insbesondere für Sektoren, in denen Emissionen nur schwer vermieden werden können.

Abbildung 1: Konzeptionelle Darstellung gekoppelter Strömungs- und geomechanischer Prozesse während der CO₂-Injektion. Die linke Abbildung zeigt eine geologische CO₂-Speicherung. Die rechte Abbildung zeigt den Mechanismus der Speicherung unter Verwendung von Sandstein- und Deckschichtversiegelungen. (Bild folgt nachfolgend zum Beitrag)

Die Schweiz hat rechtlich verbindliche Klimaziele, die im Schweizer Klima- und Innovationsgesetz und in der Klimapolitik des Bundes verankert sind. Dazu gehören:

• Erreichung der Netto-Null-Treibhausgasemissionen bis 2050,

• Reduzierung der Treibhausgasemissionen um mindestens 50 % bis 2030 gegenüber dem Niveau von 1990,

• Sicherstellung, dass ein erheblicher Teil der Emissionsreduktionen im Inland erfolgt und nicht ausschließlich auf ausländische Ausgleichszahlungen zurückgegriffen wird.

Die Schweiz hat zwar Fortschritte beim Ausbau erneuerbarer Energien erzielt, ihr Potenzial für den großflächigen Einsatz erneuerbarer Energien ist jedoch begrenzt. Darüber hinaus sind mehrere Industriezweige – wie die Zementproduktion, die Abfallverbrennung und die chemische Verarbeitung – von Natur aus schwer zu dekarbonisieren. Für diese Sektoren ist die Erreichung von Netto-Null-Emissionen ohne Technologien zur Kohlenstoffentfernung nicht möglich. Daher wird CCUS als notwendiger Bestandteil der Klimastrategie der Schweiz angesehen, insbesondere um negative Emissionen zu ermöglichen.

Innerhalb von CCUS ist die geologische Speicherung ein wichtiger Bestandteil der gesamten Strategie zur Erzielung negativer Emissionen. Wie in Abbildung 1 dargestellt, umfasst die geologische Speicherung die Injektion von CO₂ in tiefe unterirdische Formationen, sogenannte Reservoirs, wo es über lange Zeiträume sicher gespeichert werden kann.

In diesem Zusammenhang befindet sich derzeit ein Pilotprojekt in Trüllikon in der Entwicklung, bei dem über mehrere Jahre hinweg etwa 10.000 Tonnen CO₂ injiziert werden sollen. Ziel dieses Projekts ist es, zu untersuchen, wie Schweizer geologische Formationen auf die CO₂-Injektion reagieren, und potenzielle Risiken zu bewerten.

Zwei wichtige Risikofaktoren im Zusammenhang mit der geologischen CO₂-Speicherung sind:

• Durch die Flüssigkeitsinjektion verursachte induzierte Seismizität und

• das Zurückströmen des injizierten CO₂ an die Oberfläche.

Beide Risiken werden stark von den lokalen geologischen Gegebenheiten beeinflusst.

In der Schweiz befinden sich die für die CO₂-Speicherung am besten geeigneten geologischen Formationen im Molassebecken, das sich über das Schweizer Mittelland zwischen dem Jura im Norden und den Alpen im Süden erstreckt. Das Molassebecken enthält Sandsteinformationen in einer Tiefe von etwa 1 bis 3 km, was ausreicht, damit CO₂ in einem dichten, überkritischen Zustand verbleibt. Diese Sandsteine weisen in der Regel eine ausreichende Porosität auf, sodass sie für die großtechnische CO₂-Speicherung geeignet sind. Wichtig ist, dass die Sandsteine des Reservoirs von Mergel und Schiefer überlagert sind, die eine geringe Durchlässigkeit und eine ausreichende Dicke aufweisen, um als wirksame Deckschicht zu dienen und eine Aufwärtswanderung von CO₂ zu verhindern. Allerdings sind Verwerfungen und Brüche vorhanden, und die Einleitung von Flüssigkeiten in solche Strukturen kann möglicherweise seismische Ereignisse auslösen.

Die Einleitung von Flüssigkeiten erhöht den Porendruck im Reservoir, wodurch die auf Verwerfungen und Brüche wirkende effektive Druckspannung verringert wird und es zu induzierter Seismizität kommen kann. An mehreren internationalen CO₂-Injektionsstandorten wurden mikroseismische Ereignisse beobachtet, was zeigt, dass dies ein realistisches Problem ist. Das Trüllikon-Projekt bietet eine wichtige Gelegenheit, diese Auswirkungen unter den geologischen Bedingungen der Schweiz zu untersuchen, und könnte als zukünftiger Maßstab für die CO₂-Speichertechnik dienen. Experimentelle Beobachtungen allein reichen jedoch nicht aus. Numerische Simulationswerkzeuge sind unerlässlich, um Regulierungsbehörden und Betreiber bei der Bewertung seismischer Risiken und Leckagerisiken vor und während der Injektionsvorgänge zu unterstützen.

Viele bestehende numerische Ansätze verwenden einen entkoppelten Arbeitsablauf, bei dem zunächst die Strömung simuliert wird, um Druckänderungen abzuschätzen, und anschließend separat eine geomechanische Analyse durchgeführt wird, um das Gleiten oder Öffnen von Brüchen zu bewerten. Dieser Ansatz ist zwar rechnerisch effizient, kann jedoch die zugrunde liegenden physikalischen Vorgänge zu stark vereinfachen. Das Gleiten von Brüchen und mikroseismische Ereignisse können die Durchlässigkeit von Brüchen erhöhen, was wiederum die Strömung verändert und zu einem weiteren Druckaufbau führen kann. Diese Rückkopplung kann sowohl das Leckagerisiko als auch die seismische Gefahr erhöhen. Daher ist eine vollständig gekoppelte Untersuchung des Flüssigkeitsflusses und der Geomechanik erforderlich. Darüber hinaus spielen poroelastische Effekte in Sedimentformationen wie dem Molassebecken eine bedeutende Rolle. Sandsteine in dieser Region weisen typischerweise Biot-Koeffizienten im Bereich von 0,6 bis 0,9 auf, was bedeutet, dass Porendruckänderungen die Spannungsverteilung stark beeinflussen. Die Vernachlässigung der Poroelastizität kann zu einer Unterschätzung der Reaktivierung von Brüchen und zu falschen Schätzungen der sicheren Injektionsdrücke sowie zum Übersehen von Langzeit-Spannungseffekten führen.

Abgesehen von den Brüchen ist das Molassebecken geologisch heterogen und besteht aus geschichteten Sandsteinen, Mergeln, Schiefern und Konglomeraten. Diese Materialien haben sehr unterschiedliche elastische Eigenschaften, was zu Zonen führt, die entweder mechanisch weich oder steif sind. Während der CO₂-Injektion neigen weiche Schichten dazu, die Dehnung zu konzentrieren, während steife Schichten die Spannung konzentrieren, was zu Spannungskanalisierung und Spannungsschatteneffekten führt. Dies erschwert die Integritätsbewertung und die seismische Risikobewertung zusätzlich.

Abbildung 2: Demonstration der numerischen Lösung unter Verwendung des XFVM-Forschungscodes für ein Fluidinjektionsszenario in ein zweidimensionales Bruchnetzwerk. (Bild folgt nachfolgend zum Beitrag)

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, sind fortschrittliche numerische Methoden erforderlich. Die Extended Finite Volume Method (XFVM) ermöglicht eine frakturbezogene Modellierung mit Poroelastizität, Scherbruch und Zugöffnung, während sie gleichzeitig mit heterogenen Materialeigenschaften kompatibel bleibt. Obwohl XFVM derzeit ein Forschungscode ist und für vollständig dreidimensionale Anwendungen noch weiterentwickelt werden muss, eignet sich seine Finite-Volumen-Formulierung gut für die Integration von Strömungs- und mechanischer Heterogenität. Abbildung 2 zeigt eine numerische Lösung für Verschiebung, Druck und Spannungszustand, die mit XFVM ermittelt wurde. Bei OST untersuchen wir die Kopplung solcher Open-Source-Strömungssimulatoren mit frakturbehafteten geomechanischen Solvern, um ein integriertes Open-Source-Modellierungsframework zu entwickeln. Ziel ist es, Regulierungsbehörden und Interessengruppen ein transparentes und wissenschaftlich fundiertes Instrument zur Bewertung der Seismizität und der Leckagerisiken im Zusammenhang mit der CO₂-Speicherung in geologischen Formationen in der Schweiz zur Verfügung zu stellen.

Literaturangaben:

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