Besser verstehen, wie man CO2 im Boden speichert

Eines ist klar: Kohlendioxid gehört nicht in die Atmosphäre. Wenn wir unser Klima retten wollen, dann müssen wir den Anstieg der CO2-Konzentration stoppen. Dort, wo sich die Entstehung von CO2 nicht vermeiden lässt, sollte es nicht einfach in die Luft geblasen, sondern so sauber wie möglich abgeschieden werden. Aber was macht man dann damit?

Eine vieldiskutierte Möglichkeit ist, das CO2 in der Erde zu speichern. Aber wie verhält es sich dort, und erreicht es dort tatsächlich einen stabilen Zustand? An der TU Wien, der Universität Udine und der Sapienza Universität in Rom wurden nun extrem rechenintensive Computersimulationen durchgeführt, um diese Fragen zu beantworten. Man konnte zeigen, wie sich Kohlendioxid gemischt mit Grundwasser in porösem Gestein verhält: Getrieben vom Dichteunterschied zwischen CO2 und Wasser entstehen Konvektionsströme. Die CO2-Konzentration variiert auf unterschiedlichen Größenskalen, sogenannte „Superzellen“ in mit einem Durchmesser von drei bis zehn Metern bilden sich aus. Die Erkenntnisse aus den Computersimulationen sollen nun helfen, die passenden Böden zur CO2-Einlagerung zu identifizieren.

Geologische Lavalampen

Unter normalen atmosphärischen Bedingungen ist CO2 ein gewöhnliches Gas. Doch zwei bis drei Kilometer unter der Erdoberfläche, bei hohem Druck und großer Hitze, verhält es sich ganz anders. Unter diesen Bedingungen lässt sich keine Grenze zwischen „flüssig“ und „gasförmig“ mehr ziehen, man spricht dann von einer „superkritischen Flüssigkeit“, die durch das poröse Gestein fließt.

„Das gibt uns die Möglichkeit, abgeschiedenes CO2 in der Erde zu speichern, ohne dass es in die Atmosphäre gelangt“, sagt Marco De Paoli, der am Institut für Wärmeübertragung und Strömungsmechanik der TU Wien im Team von Prof. Alfredo Soldati sowie auch im Team von Prof. Francesco Zonta in Udine forscht. „Wir brauchen Mechanismen, die dafür sorgen, dass sich das Kohlendioxid dauerhaft mit anderen Substanzen verbindet.“

Mit bestimmten Metalloxiden kann sich das Kohlendioxid zu festem Karbonat-Gestein verbinden, das dauert allerdings relativ lange. Rascher verläuft ein anderer Mechanismus, den sich das österreichisch-italienische Forschungsteam nun genauer angesehen hat: Kohlendioxid löst sich im Grundwasser und bleibt dann dauerhaft in großer Tiefe gespeichert.

Allerdings ist das kein völlig statischer Zustand: Durch den Dichteunterschied zwischen Kohlendioxid und dem Grundwasser kommt es zu Konvektionsströmen, ähnlich wie in einer Lavalampe. „Die genauen Strömungsmechanischen Eigenschaften dieser Prozesse waren bisher unbekannt“, sagt Marco De Paoli. „Mit Supercomputern gelang es uns nun, diese Konvektionsphänomene zu verstehen und die entscheidenden physikalischen Parameter zu ermitteln, mit denen man diese Effekte in unterschiedlichen geologischen Strukturen beschreiben kann.“ Es waren die größten Computersimulationen, die dazu je gemacht wurden, mit über 16.000 parallel arbeitenden Prozessorkernen.

Zellen und Superzellen

In einem typischen Gesteinsreservoir finden sich im Gestein feine Poren mit einem Durchmesser von etwa 50 bis 400 Mikrometern. Wenn sich dort Grundwasser und Kohlendioxid mischen, bilden sich Zellen unterschiedlich hoher CO2-Konzentration, mit einem Durchmesser von rund 50 cm. Zusätzlich bilden sich noch größere Strukturen aus: Die kleinen Zellen verbinden sich zu „Superzellen“ mit einem Durchmesser von mehreren Metern. Insgesamt entsteht so ein Bild, das an das Muster der Plasma-Konvektionsströme auf der Sonnenoberfläche erinnert.

„Die Erkenntnisse, die wir mit unseren Computersimulationen gewonnen haben, lassen sich auf unterschiedliche Arten von Gestein anwenden“, sagt Marco De Paoli. „Wir kennen nun die korrekten Parameter um das Verhalten von Kohlendioxid im Boden zu beschreiben, das sollte auch dabei helfen, die optimalen Gesteinsformationen zum Speichern von Kohlendioxid zu identifizieren.“

Bild oben: In der Computersimulation erkennt man die Konvektion. Grafik: TU Wien