November 2023 - Alba Zappone, Stefan Wiemer, Anne Obermann

Anfang November startete die erste Injektion von aus der Schweiz transportiertem und mit Meerwasser vermischtem CO₂ in den isländischen Untergrund. Die Injektion wird mit umfassenden geophysikalischen und geochemischen Messmethoden überwacht, um die Flüssigkeitsausbreitung und den CO₂-Mineralisierungsprozess zu verfolgen. Die Partnerprojekte DemoUpCARMA und DemoUpStorage werden in Zusammenarbeit mit Carbfix den Transport und die Injektion von CO₂ bis Herbst 2024 fortsetzen.

Mit dem Beginn der Injektion von Schweizer CO₂ in Helguvík, Island, hat das Projekt einen wichtigen Meilenstein erreicht. Die Injektion von in Meerwasser gelöstem CO₂ in den basaltischen Untergrund in einer Tiefe von etwa 400 m wird zum ersten Mal im Feld getestet. Bisher hat das Partnerunternehmen Carbfix das CO₂ in Süsswasser gelöst, um dieses unterirdisch mineralisieren zu lassen. Nun soll untersucht werden, ob das Verfahren und die Mineralisierungsprozesse mit Meerwasser funktionieren. Carbfix und die Universität Island haben dies bereits unter Laborbedingungen demonstriert. Darüber hinaus werden Verfahren zur Überwachung und Verfolgung zur Verfolgung der Mineralisierung entwickelt und getestet.

Ein bekannter Prozess aus der Natur

Der Mineralisierungsprozess von in Meerwasser gelöstem CO₂ in basaltischen Strukturen, wie er nun in Helguvík angewendet wird, ist nicht völlig unbekannt: Es handelt sich um einen natürlichen Prozess, der sich in vielen Teilen Islands und an ozeanischen Rücken (Basaltstrukturen) am Meeresboden beobachten lässt. Ozeanische Rücken absorbieren grosse Mengen an CO₂, welches von in der Tiefe entweichenden Magmagasen stammt oder aus atmosphärischem CO₂, das sich im Meerwasser gelöst hat. Kalzium-, Magnesium- und Eisenionen aus dem Basalt reagieren mit dem CO₂ und bilden Karbonatmineralien wie Kalziumkarbonate, Magnesiumkarbonate und Eisenkarbonate.

Im Pilotprojekt DemoUpCARMA wird biogenes CO₂, das von der Schweiz nach Island transportiert wurde, in Meerwasser gelöst und in Basaltformationen injiziert, wo es in den Poren und Klüften mineralisieren soll. Es wird erwartet, dass im isländischen Untergrund ähnliche Prozesse ablaufen wie am Meeresboden, so dass das CO₂ letztlich in Form von Karbonatmineralien immobilisiert wird und somit nicht mehr in die Atmosphäre entweichen kann. Basalte gelten als wichtige geologische Option, um CO₂ zu speichern, weil es relativ günstig ist und sie ein grosses Speicherpotenzial und ein geringes Risikoprofil aufweisen. Die Verwendung von Meerwasser für die Injektion würde die Anwendbarkeit der Kohlenstoffmineralisierung in Basalten auf neue geografische Gebiete ausweiten und könnte somit einen grösseren Nutzen für das Klima ermöglichen.

Grafik: Überwachungskonzept vom Projekt DemoUpStorage

Umfassende geowissenschaftliches Monitoring und Laboruntersuchungen

Vor der Injektion

Im Rahmen des Pilotprojekts DemoUpStorage führen verschiedene wissenschaftliche Teams umfangreiche Messungen vor, während und nach der Injektion durch. Bereits im Sommer 2022 installierte der Schweizerische Erdbebendienst (SED) an der ETH Zürich fünf seismische Stationen in einem Radius von 300 Metern um die Injektionsbohrung in Island. Die Stationen bestehen aus Breitbandseismometern, die das Niveau der Hintergrundseismizität messen. Während der Injektion werden diese Stationen überwachen, ob die CO₂-Injektion Erdbeben auslöst. Sie dienen auch dazu, Veränderungen im Untergrund zu verfolgen, die im Zusammenhang mit der Injektion des CO₂-Meerwasser-Gemischs und den anschliessenden Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des Gesteins auftreten könnten.

Nach Abschluss der Bohrarbeiten und vor der Injektion führte der SED eine erste Serie von Messungen im Injektions- und geophysikalischen Monitoring-Bohrloch durch. Diese umfassten – «crosshole seismic» (seismische Messmethode mit Hilfe zweier Bohrlöcher), Glasfaser-, Bodenradar- (GPR) und Widerstandsmessungen. Parallel zu diesen Messungen wurde vorübergehend ein dichtes seismisches Messnetz (seismic array) mit 40 Knotenpunkten an der Erdoberfläche beim Injektionsstandort installiert.

Die Daten der hochauflösenden Messkampagne liefern einen Referenzdatensatz und ermöglichen es den Forschenden, ein umfassendes Wissen über die umgebenden geologischen Strukturen zu erlangen. Dieser Datensatz ist auch entscheidend für die Entwicklung eines numerischen Modells des Reservoirs, d. h. des Volumens, in dem sich das CO₂-Meerwassergemisch ausbreitet.

Parallel zu den Arbeiten in Island führte ein Forscherteam der EPFL Labortests mit Basaltbohrkernen aus Island durch. Die Bohrkerne wurden in der Nähe der Injektionsstelle entnommen und repräsentieren sehr wahrscheinlich die Formationen, die am Standort selbst in der entsprechenden Tiefe vorzufinden sind. Die Forschenden setzten die Kerne unterschiedlich lange einem CO₂-Salzwassergemisch aus, wobei die maximale Expositionszeit dreieinhalb Monate betrug. Die Laborergebnisse zeigten bereits nach zwei Monaten in einigen der untersuchten Bohrkerne eine Verringerung des Durchflusses und damit eine Kohlenstoffmineralisierung. Eine ausführlichere Beschreibung der Labortests wird demnächst in einem weiteren Blogtext veröffentlicht.