April 2024 - Eleni Stavropoulou

Die Kohlenstoffmineralisierung in Basalten ist eine effiziente Technologie für die dauerhafte CO₂-Speicherung, der eine mineralische Reaktionen zwischen dem Gestein und dem injizierten CO₂ zugrunde liegt. Doch was wissen wir darüber, wie sich Mineralisierung und Porenverstopfung gegenseitig beeinflussen und welche Auswirkungen dies auf die Speicherkapazität hat? Die Ergebnisse von Labortests und Modellierungen von Porennetzwerken zeigten, inwiefern die Mikroporosität diese Phänomene steuert.

Die Kohlenstoffmineralisierung in Basalten ist eine vielversprechende, kosteneffiziente Technologie zur dauerhaften CO₂-Speicherung. Sie bietet im Vergleich zu anderen Speichertechnologien zahlreiche Vorteile: Das CO₂ wird in Wasser gelöst und in geringer Tiefe von einigen hundert Metern an gut durchlässigen Stellen injiziert. Basalte enthalten mineralische Zusammensetzungen, die sehr reaktiv gegenüber gelöstem CO₂ sind, welches dann umgewandelt und in Form von festen Karbonaten dauerhaft gespeichert (Mineralisierung) wird. Die Auflösung des CO₂ in Wasser vor der Injektion erhöht die Einlagerungssicherheit, da sich das Risiko von Leckagen an der Oberfläche verringert. Weil das CO₂ in geringe Tiefen injiziert werden kann, gehen damit geringere Bohr- und Überwachungskosten einher.

Im Jahr 2023 begann das DemoUpStorage-Team mit der Injektion von Schweizer CO₂ am Standort Helguvík von Carbfix in Island, das nun erstmals in Meer- und nicht Süsswasser gelöst wurde. Injiziert wird an einem Standort mit stark zerklüfteten Basaltstrukturen in einer Tiefe von weniger als 400 m, was grosse Injektionsvolumen ermöglicht. Die Injektion und die anschliessende CO₂-Mineralisierung hängen erwiesenermassen von den Fliesseigenschaften der Basaltformation ab: Das injizierte CO₂-reiche Meerwasser muss nach der Injektion in Zonen der basaltischen Struktur wandern, die viel davon aufnehmen können. Die Ausfällung von Mineralien kann jedoch zu einer lokalen Verstopfung der Poren und schliesslich zu einer Verringerung der Porosität des Basaltgesteins führen, was das Speicherpotenzial gefährden kann.

Um einen besseren Einblick in das Zusammenspiel von Gesteinsdurchfluss und Kohlenstoffmineralisierung zu erhalten, wurden Basaltkerne aus einem Ort nahe der isländischen Injektionsstelle entnommen für Labortests an der EPFL Lausanne. Basalte sind Eruptivgesteine, die durch die schnelle Abkühlung von Lava entstehen und daher eine sehr heterogene Mikrostruktur aufweisen. Um diesem Aspekt Rechnung zu tragen und verschiedene Feldstandorte zu simulieren, wurden Kerne mit unterschiedlichen Porositätsgraden ausgewählt. In Abbildung 1 sind drei getestete Kerne und ihr Porositätsgrad dargestellt (Porosität = % Porenvolumen/Gesamtvolumen).

Das Prüfprotokoll wurde so konzipiert, dass die realen Druckbedingungen im Untergrund reproduziert werden konnten. Zunächst wurden die Basaltkerne mit Sole geflutet und anhand des hydraulischen Gradienten zwischen den beiden Seiten der Probe (unten-oben) die intrinsischen Fliesseigenschaften ermittelt. Anschliessend wurde CO₂-reiche Sole in den Kern injiziert und für einige Monate belassen, um allfällige Reaktionen mit den Gesteinsmineralien zu beobachten. Ob eine Mineralisierung stattgefunden hat, lässt sich nach Abschluss der Reaktionsphase mittels eines Durchflusstests feststellen: Eine geringe Durchflussrate deutet auf eine verringerte Porosität und damit auf Bereiche hin, in denen es aufgrund des injizierten CO₂ zu Mineralausfällungen gekommen ist.

Abbildung 1: Geprüfte Basaltkerne mit unterschiedlicher Porosität (%)

Die Laborergebnisse zeigten bereits nach zwei Monaten CO₂-Injektion in einigen der untersuchten Bohrkerne eine Verringerung der Fliessrate und damit eine Kohlenstoffmineralisierung. Um die Bereiche zu identifizieren, in denen die Mineralisierung stattfand, wurden die Bohrkerne mittels Röntgentomographie (XRCT) gescannt und ihre Porenstruktur vor und nach der CO₂-Injektion verglichen.  Auf den tomographischen Bildern wurden insgesamt nur geringfügige Veränderungen der Gesamtporosität festgestellt, die nicht ohne weiteres mit den gewonnenen Fließergebnissen in Verbindung gebracht werden können. 

kann auf zwei Arten erklärt werden: Einerseits ist die gemessene Porosität durch die Bildauflösung begrenzt, d. h. Poren mit einem geringeren Volumen als der Voxelgrösse des XRCT, dem 3D-Äquivalent eines Pixels, können nicht erkannt werden. Andererseits hängt die Strömung eher vom zusammenhängenden Porenraum des Kerns als vom gesamten Porenvolumen ab.

Um die Auswirkungen der potentiellen Kohlenstoffmineralisierung auf die zusammenhängende Porosität des Materials zu verstehen, haben wir ein Porennetzwerkmodell (PNM) erstellt. Es erlaubt, die durchgeführten Fliessversuche numerisch zu simulieren. Das reale Porennetzwerk wurde auf der Grundlage des Porenraums von jedem Bohrkern rekonstruiert, der anhand der XRCT-Bilder identifiziert wurde. Darüber hinaus wurde eine Mikroporosität zugewiesen, welche die im Röntgenbild nicht sichtbaren Poren des Kerns repräsentiert. Die Ergebnisse der Fliesssimulationen zeigten, dass die Mikroporosität die Transporteigenschaften des Materials bestimmen. Dies bedeutet, dass die Durchflussrate aufgrund der Volumenverringerung der Mikroporen reduziert wird, auch wenn keine signifikante Verringerung der grossen (im Röntgenbild sichtbaren) Poren gemessen werden kann. Die Simulationsergebnisse in Kombination mit der Bildanalyse der Röntgentomographien deuten darauf hin, dass die Kohlenstoffmineralisierung die Fliesseigenschaften des basaltischen Materials durch die Verringerung der Mikroporen beeinflussen kann.