Enlightenment mit Nordlichtern – Speicherung von CO₂ unter dem Meeresboden

Als um 1700 die Aufklärung (Engl.: Enlightenment) einsetzte, ging es zu Beginn darum, Akzeptanz für neu erlangtes Wissen zu schaffen und durch rationales Denken alle den Fortschritt behindernden Strukturen zu überwinden.

Ganz neu ist das Wissen um die Speicherung von CO₂ unter dem Meeresboden zwar nicht, dennoch wissen viele noch nicht, wie solch eine Speicherung funktionieren kann oder stehen dem Ganzen skeptisch gegenüber. Am Thema selbst führt jedoch nichts vorbei, denn in Anbetracht des European Green Deal und der Verantwortung gegenüber der Umwelt und künftigen Generationen, müssen alle Optionen zum Umgang mit ausgestoßenem CO₂ durchdacht werden. Und bis zur angekündigten Klimaneutralität 2045 ist es nicht mehr lange hin.

Die Betonverbände Baden-Württemberg möchten mit der Beantwortung einiger Fragen Licht ins Dunkel bringen.

Warum ist die Einlagerung unter dem Meer für Zement- und Betonwerke interessant?

Neben vielen weiteren Branchen befinden sich auch die Zement- und die Betonbranche mitten in der Transformation hin zu klimaneutralen Sektoren. Dazu gehört nicht nur die Weiterentwicklung von Zementen und Betonen und ihrer Herstellung mithilfe neuer Rezepturen oder KI, sondern auch Carbon-Capture-Technologien, die einen großen Teil des prozessbedingten CO₂-Ausstoßes bei der Zementherstellung auffangen können.

An Zementwerken kann das CO₂ aufgefangen und verflüssigt werden. Gelingt es, dieses wiederum in einem natürlichen Zustand in Sandsteinschichten einzulagern, werden negative Emissionen erzeugt, die der Zementbranche auf dem Weg zur Klimaneutralität helfen.

Da der prozessbedingte Ausstoß von CO₂ in der Zementproduktion für einen Großteil des CO₂-Fußabdrucks im Beton verantwortlich ist, würde die Nutzung dieses technologischen Fortschritts auch die Beton- und Betonfertigteilbranche auf dem Weg zur CO₂-Neutralität unterstützen.

Wie funktioniert die Einlagerung von CO₂ unter dem Meeresboden?

Prof. Dr. Klaus Wallmann, Leiter der Forschungseinheit Marine Geosysteme am Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel, forscht hierzu bereits seit vielen Jahren. Ihm zufolge gibt es in den Sandsteinformationen der Nordsee keine großen Hohlräume; vielmehr handelt es sich um mikroskopisch kleine Porenräume zwischen einzelnen Sandkörnern, worin das CO₂ eingelagert wird.

Das CO₂ kommt also in die tiefen Sandsteinschichten zurück, aus denen zuvor Öl und auch bereits Gas gefördert wurden. Geeignete Speicherorte sind poröse Sandsteinschichten, über denen undurchlässige Tonschichten liegen, die dem hohen Druck, mit dem das CO₂ in das darunterliegende Gestein gepresst wird, standhalten können.

Gibt es Vorbilder?

Seit dem Frühjahr 2023 lagert Dänemark im Rahmen des Projekts Greensand CO₂ in der dänischen Nordsee. In einem ehemaligen Ölfeld, etwa 200 Kilometer von der Küste entfernt, sollen bis 2030 in der dänischen Nordsee bis zu 13 Mio. t Kohlendioxid eingelagert werden.

Norwegen tut dies in Kooperation mit dem US National Energy Technology Laboratory (NETL) und dem U.S. Department of Energy (DOE) bereits seit dem Sleipner-Projekt 2015. Dieses wurde schon 1996 als weltweit erstes groß angelegtes Speicherprojekt von Statoil (jetzt Equinor) und seinen Partnern auf dem Sleipner-Gasfeld in der Nordsee vor der norwegischen Küste begonnen. Sleipner ist nach wie vor das am längsten laufende geologische Speicherprojekt der Welt, bei dem etwa 1 Mio. t CO₂ pro Jahr durch ein einziges Bohrloch in die salzhaltige Utsira-Formation verpresst wird. Die Utsria-Formation ist eine bis zu 300 m tiefe massive Sandsteinformation, die schätzungsweise 600 Mrd. t CO₂ speichern kann.

Seit März 2021 gibt es vor der Küste Norwegens mit dem Northern Lights Project (Deutsch: Nordlichter Projekt) in einer Partnerschaft aus Equinor, Shell und TotalEnergies größere Bestrebungen, die Technologie voranzutreiben und die entsprechende Infrastruktur in Norwegen auszubauen.

Die erste Phase der Erschließung einer Speicherkapazität von 1,5 Mio. t CO₂ pro Jahr ist Teil des Longship-Projekts. Letzteres Projekt wurde aufgrund des Ziels der norwegischen Regierung initiiert, in Norwegen eine umfassende CCS-Wertschöpfungskette (d.i. Carbon-Capture and Storage) zu entwickeln.

Vorgestellt wurden das Northern Lights Project und das Longship Project unter anderem bereits auf den BetonTagen 2023 (www.betontage.de), bei denen Norwegen Gastland war. Hier wurde auch auf die neue Anlage von Norcem, dem Tochterunternehmen des deutschen Baustoffkonzerns und Zementherstellers Heidelberg Materials, im norwegischen Brevik eingegangen. Von dort soll ab Oktober 2024 das erste Kohlendioxid per Spezialschiff zum Terminal nach Øygarden bei Bergen geliefert werden, von welchem aus Leitungen in den Meeresboden der Nordsee führen. Ganze 400.000 t CO₂, knapp ein Prozent der aktuellen Emissionen Norwegens, sollen allein im Zementwerk in Brevik abgefangen und unterirdisch gespeichert werden.

Norcem ist Teil des Longship-Projekts der norwegischen Regierung. Der norwegische Staat übernimmt einen Großteil der Kosten zum Aufbau einer Abscheidungsanlage im Werk in Brevik. Northern Lights wird den Transport und die Lagerung des CO₂ von Heidelberg Materials übernehmen.

Gibt es Risiken?

Ja und Nein: In der Nordsee gibt es rund 15.000 Bohrlöcher. Laut Wallmann gibt es ein erhöhtes Risiko von Leckagen in der Nähe von alten Bohrlöchern. An diesen Löchern entweicht mit höherer Wahrscheinlichkeit CO₂. Jedoch ist bei einem Austritt das Risiko der Umweltschädigung verhältnismäßig gering: In einem solchen Fall kann es auf kleinen Flächen, lokal begrenzt auf etwa 50 m², zu Schädigungen im Ökosystem kommen. Die Artenvielfalt geht also nur bei einer sehr kleinen Fläche zurück.

Wallmann zufolge ist der deutsche Meeresboden nicht derart durchlöchert, da hierzulande kaum Öl und Gas gefördert wurden. Seiner Meinung nach sollte erst nach anderen Optionen geschaut und bei einer Umsetzung auf Beobachtung, genaue Überwachung und Regulierung geachtet werden.

Für die sichere Speicherung von CO₂ in tiefen geologischen Lagern sprechen jedoch laut dem mit Equinor kooperierenden US National Energy Technology Laboratory (NETL):

(1) Fast fünf Jahrzehnte Erfahrung in der Öl- und Gasindustrie mit der Injektion von CO₂ in öl- und gasgefüllte Formationen;

(2) Die 20-jährigen technologischen Fortschritte, die durch Programme wie dem Programm des U.S. Department of Energy zur Kohlenstoffspeicherung erreicht wurden;

(3) Feldtestkampagnen, wie die Regional Carbon Sequestration Partnerships (RCSPs), die Überwachungsinstrumente und -strategien validiert und Best Practices entwickelt haben;

(4) Ein verbessertes Verständnis der Physik, Chemie und Mechanik, das während der gesamten Lebensdauer eines CCUS-Projekts eine Rolle spielt und als Grundlage für neue Instrumente zur Risikobewertung und zum Risikomanagement diente; und

(5) Die wachsende Zahl von CCUS-Demonstrations- und kommerziellen Projekten weltweit, die das „Learning-by-doing“ fördern.“

(Quelle: NETL Executive Report - Safe geologic storage of captured carbon dioxide)

Beim Sleipner-Projekt zeigte die seismische 3D-Überwachung der CO₂-Injektion in die Utsira-Formation im Zeitraum Juni 2015 bis September 2016 zumindest, dass das CO₂ nicht in andere Horizonte entweicht.

Politische Situation in Deutschland

Bereits vor zehn Jahren versuchte die damalige schwarz-gelbe Koalition, die Speicherung in Deutschland möglich zu machen. Der aktuelle Wirtschaftsminister Robert Habeck (Grüne) war damals gegen die Einlagerung. Heute bezeichnet das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) CCUS als „Baustein für eine klimaneutrale und wettbewerbsfähige Industrie“ und arbeitet aktuell an einer Carbon Management-Strategie, um den Umgang mit diesen unvermeidbaren bzw. schwer vermeidbaren Restemissionen zu regeln.

Ein Stakeholder-Dialog mit Vertretern aus Zivilgesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft startete im März 2023. Die staatliche Energieagentur dena moderierte den Austausch und leitete Empfehlungen an die Bundesregierung weiter:

„CCS sollte für Branchen zugelassen werden, in denen CO₂ unvermeidbar ist (Kalk, Zement, Müllverbrennung);

CCS sollte auch für die chemische Industrie, zumindest als Überbrückungstechnologie, zugelassen werden (z. B.: Stahl, Chemie, Glas);

CCS sollte für die Energiebranche untersagt werden und auch für Branchen, bei denen es Alternativen (Elektrifizierung) gibt;

Nach Möglichkeit sollte die Technologie so eingesetzt werden, dass negative Emissionen entstehen;

Das CO₂ sollte zur Speicherung möglichst exportiert werden. CO₂-Speicherung in Deutschland wird von Umweltverbänden abgelehnt. Dennoch sollten die Kapazitäten für eine Speicherung hierzulande geprüft werden“.

(Quelle: Frankfurter Rundschau)

Notwendige Anwendungsgebiete der CCU und CCS-Technologien, aber auch die Frage, wo CO₂ gespeichert werden könnte, insbesondere unter dem Meeresboden, sollen im Rahmen der Carbon Management-Strategie beleuchtet werden.

Der Frankfurter Rundschau zufolge könnte das Gesetz auf Basis der Empfehlungen und der ausgearbeiteten Carbon Management-Strategie der Bundesregierung noch im ersten Halbjahr 2024 beschlossen werden.

CO₂-Infrastruktur in Deutschland

Natürlich bieten sich für einen Transport von CO₂ grundsätzlich drei Hauptwege an: Schiene, Schiff und Pipeline. Der Transport über die Straße kann aufgrund des CO₂-Ausstoßes von LKW wohl nur in den seltensten Fällen eine Option sein.

Für längere Strecken kommen laut dem Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI Onshore- und Offshore-Pipelines sowie der Schiffstransport infrage. Bei letzterem könnten demnach ähnliche Transportschiffe wie beim Flüssiggas-Transport verwendet werden; ihre Transportkapazität liege zudem deutlich über der des Zuges.

Behälterbasierte oder bestehende pipelinebasierte Transportlösungen könnten meist ohne größere Probleme für den CO₂-Transport umgewidmet werden; der Transport von CO₂ sei, Fraunhofer ISI zufolge, aus technologischer Sicht keine Herausforderung.

Die eigentlichen Herausforderungen liegen, dem Magazin „beton“ nach, an entsprechenden Übergabepunkten, wo die reine Befüllung oder Entleerung mit dem aktuellen Stand der Technik noch zu lange dauert. Beim Schienenverkehr gäbe es zudem keine einheitlichen Standards für Kupplungen und Anschlüsse, über die die Waggons be- und entladen werden.

Außerdem gäbe es im Bereich der Pipelines zurzeit noch keine einheitlichen Spezifikationen der Zusammensetzung des zu transportierenden CO₂. Diese seien aber notwendig, da die Rohre bei Stahlqualität und Dicke strengen Sicherheitskriterien unterliegen und innenseitige Korrosionen vermieden werden müssen.

In Deutschland entsteht bis 2029 das erste vollständig dekarbonisierte Zementwerk im Rahmen des GeZero Carbon Capture and Storage (CCS)- Projekt von Heidelberg Materials in Geseke. Zum ersten Mal wird dort eine vollständige CCS-Wertschöpfungskette für die Abscheidung, den Transport und die dauerhafte Speicherung aller CO₂-Emissionen an einem deutschen Binnenstandort realisiert werden. Die Anlage wird auf die Abscheidung von rund 700.000 Tonnen CO₂ pro Jahr ausgelegt sein. Das Projekt umfasst, Baustoff Partner Online zufolge, eine Transportlösung zur zeitlichen Überbrückung, bis die erforderliche Pipeline-Infrastruktur zur Verfügung steht.

Einen Pipeline-Betrieb zum Export von CO₂ plant in Deutschland aktuell die Open Grid Europe GmbH (OGE), welche für das LNG-Terminal in Wilhelmshaven bis Ende des Jahres 2022 bereits die WAL-Leitung als Alternative zu russischem Gas baute.

Das geplante OGE CO₂-Transportnetz besteht aus den OGE-Projekten WHVCO₂logne, Delta Rhine Corridor und den Clustern Elbmündung und Rheinisches Revier. Ziel ist laut Unternehmen die zügige Erschließung der Exportoptionen in Wilhelmshaven, Rotterdam und Antwerpen/Zeebrugge.

Das Startnetz soll sich über eine Länge von mehr als 960 km erstrecken und einen Transport von 18,8 Mio. t CO₂ pro Jahr ermöglichen. OGE geht derzeit von einem kompletten Neubau der Infrastruktur aus und möchte sowohl die Projekte und Cluster als auch das CO₂-Transportnetz flexibel entsprechend der Transportbedarfe entwickeln.

So möchte das Unternehmen Standorte, an denen CO₂ abgeschieden wird, wie in der Zement- und Kalkindustrie, mit Standorten, an denen CO₂ verwendet wird, wie der Chemieindustrie, verbinden. Außerdem soll es Verbindungen von Standorten der CO₂-Abscheidung mit relevanten Hafenstandorten wie Wilhelmshaven geben. Eine Karte des geplanten Transportnetzes existiert bereits und ist auf der Website des Unternehmens abrufbar (https://oge.net/de/co2/co2-netz).