CO2 im Schweizer Untergrund speichern

Damit die Schweiz das Klimaziel Netto-Null bis 2050 erreichen kann, muss sie die Energiewende schaffen – sei es beim Strom, bei der Wärme oder der Mobilität. Ein weiteres wichtiges Thema ist die dauerhafte Speicherung von CO₂. Gerade für Emissionen, die sich nur schwer oder gar nicht vermeiden lassen, wie dies zum Beispiel bei Kehrichtverbrennungsanlagen der Fall ist, muss die Schweiz eine dauerhafte Lösung finden. Forschende der ETH Zürich haben erstmals untersucht, ob CO₂ in Form von Karbonatgestein im Schweizer Untergrund dauerhaft gespeichert werden kann, und welche Kriterien dafür erfüllt sein müssen. Ihre Ergebnisse präsentieren sie in einer Studie, die kürzlich im Swiss Journal of Geosciences erschienen ist.

Wie Gestein zum CO₂-Speicher wird

Die ETH-Forschenden wollen zunächst herausfinden, ob es in der Schweiz Zonen gibt, wo CO₂ dauerhaft im felsigen Untergrund gespeichert werden kann. Voraussetzung für eine dauerhafte Speicherung von CO₂ im Untergrund ist, dass das Gestein reich an Kalzium, Magnesium und Eisen ist und gleichzeitig möglichst wenig Siliziumdioxid enthält. Mögliche Kandidaten sind die Gesteine Basalt, Peridotit und Serpentinit. Für eine ideale Speicherkapazität muss das Gestein im Untergrund ausserdem ein bestimmtes Volumen aufweisen und auf einer Tiefe von mindestens 350 Meter liegen, damit der Druck hoch genug ist, um das CO₂ im Wasser zu halten. Auch die optimale Temperatur von 90 bis 185 Grad Celsius, das Alter, der Alterungszustand, die Porosität und die Durchlässigkeit des Gesteins spielen eine wichtige Rolle.

«Das sind einige der Kriterien, die erfüllt sein müssen, damit ein Gebiet überhaupt als Reservoir in Frage kommt», sagt Adrian Martin, auf dessen Master-Arbeit diese Studie beruht.

Um das CO₂ im Untergrund speichern zu können, wird es in Wasser gelöst und als Kohlensäure in den Untergrund gepresst. Das verwendete Wasser ist zuerst sauer, hat also einen niedrigen pH-Wert. Es dringt in das poröse Gestein ein und löst es auf. Dabei kommen Eisen-, Magnesium- und Kalzium-Ionen frei. Dadurch steigt der pH-Wert des injizierten Wassers, und ab einem bestimmten Punkt kommt es zur umgekehrten Reaktion: Das CO₂ verbindet sich mit Kalzium und Magnesium und bildet weisses Karbonatgestein, zum Beispiel Kalk. «Diesen Prozess nennt man In-situ-Mineralisierung», sagt Martin.

Potenzial erkannt, Umsetzbarkeit fraglich

An der Studie mitgearbeitet hat auch Thanushika Gunatilake, ehemalige Postdoktorandin bei Stefan Wiemer, Professor am Departement Erd- und Planetenwissenschaften und Leiter des Schweizerischen Erdbebendienstes. Sie ist heute Assistenzprofessorin an der Freien Universität Amsterdam und betont, dass diese schweizweite Sichtung nach geeigneten Gesteinsarten die erste ihrer Art ist. Martin hat nicht nur zahlreiche wissenschaftliche Studien analysiert, er hat auch geologische Karten Gebiet für Gebiet überprüft und jene Orte identifiziert, die die Kriterien erfüllen und sich deshalb für eine In-situ-Mineralisierung von CO₂ eignen könnten. Zu diesen Gebieten gehören unter anderem die Zermatt-Saas-Zone und die Tsaté-Decke im Wallis oder auch die Arosa-Zone in Graubünden.

Die von Martin identifizierten Schweizer Gebiete eignen sich derzeit nicht für die dauerhafte CO₂-Speicherung im Untergrund. «Wir haben in der Schweiz zwar geeignete Gesteinstypen, stehen aber vor grossen technischen Herausforderungen», sagt Martin. So sei die geologische Struktur durch die stark gefalteten Gesteinsschichten und tektonischen Störungen sehr komplex. Bei der Tsaté-Decke im Wallis kann die Schichtdicke der passenden Gesteine in Gebieten wie zwischen Gouille und Mont des Ritses über 500 Meter betragen, bei Les Diablons hingegen sind es aber nur ca. 150 Meter.

Hinzu kommen andere Umstände: Die Gesteine in der Zermatt-Saas-Zone zum Beispiel wurden in der Vergangenheit durch hohe Drücke und Temperaturen umgewandelt und enthalten nun bereits viele Karbonat-Minerale, was darauf hinweist, dass dort bereits eine natürliche CO₂-Aufnahme (also frühere Mineralisierung) stattfand. Zudem sind die Zermatter Gesteine im Untergrund sehr dicht und enthalten wenig offene Hohlräume oder Risse, in die das CO₂ eindringen könnte.

Des Weiteren ist der Wasserbedarf bei der In-situ-Mineralisierung enorm – für die Speicherung einer Tonne CO₂ bräuchte man rund 25 Tonnen Wasser. Martin ergänzt: «Hinzu kommen wirtschaftliche und gesellschaftliche Hürden: Wer trägt die Kosten? Wie überwindet man die Skepsis der Anwohner:innen, die sich beispielsweise vor Wasserverschmutzung fürchten? Wie sieht eine gesetzliche Regelung aus?»

Alternative Methoden zur CO₂-Speicherung

Fazit der Forschenden: Die dauerhafte Speicherung von CO₂ durch In-situ-Mineralisierung in der Schweiz ist kurzfristig nicht realisierbar und erscheint auch langfristig als ungeeignet. Sie empfehlen daher, alternative Speichermethoden zu prüfen. Kürzlich hat Gunatilake eine weitere Studie veröffentlicht. Diese befasst sich mit der CO₂-Speicherung in salzhaltigen Grundwasserleitern, sogenannten salinen Aquiferen. Die Forschenden haben für dieses Projekt Daten aus dem Gebiet rund um das Triemli in Zürich numerisch simuliert. Dabei ist es ihnen gelungen, CO₂ ohne Wasser in über 2000 Meter Tiefe in die geologische Einheit, den unteren Muschelkalk, einzuleiten. «Diese Methode der CO₂-Speicherung ist vielversprechend», betont Gunatilake.

Es gibt zudem Projekte, die erfolgreich zeigen, dass die dauerhafte Speicherung von CO₂ im Untergrund gelingt. «Ein Beispiel hierfür ist das Projekt DemoUpCARMA, bei dem CO₂ aus der Schweiz nach Island transportiert wurde und dort nun in Form von Karbonatgestein unterirdisch gespeichert wird», ergänzt Martin.

Es ist wichtig, das Thema auch in der breiten Öffentlichkeit bekannt zu machen und mit Unwahrheiten und Gerüchten aufzuräumen. «Viele Leute denken, dass wir eine Blase unter der Erde erzeugen, die irgendwann sogar explodieren könnte», führt Martin aus. «Dabei ist das Risiko der unterirdischen CO₂-Speicherung für die Bevölkerung minimal und die Methoden sind wissenschaftlich gut erprobt.»