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SPEICHERUNG VON CO2 IM TIEFEN UNTERGRUND
Eine Schl端sseltechnologie f端r den Klimaschutz
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Inhalt Was ist Kohlendioxid (CO2)?
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Abscheidung und Lagerung des Treibhausgases CO2 – Warum?
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Die Prozesskette »CO2-Abscheidung, -Transport und -Speicherung«
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CO2-Speicherung in Deutschland
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Sicherheit zukünftiger CO2-Speicher
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Was kostet die CCS-Technologie?
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Die CCS-Technologie – Ein innovatives Forschungsfeld
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CCS – Eine grenzüberschreitende Technologieentwicklung
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Glossar
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Anhang
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Was ist Kohlendioxid (CO2)? Kohlendioxid oder besser Kohlenstoffdioxid (CO2) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Es ist ein farb- und geruchloses Gas und ein natürlicher Bestandteil unserer Atmosphäre CO2 entsteht sowohl bei der vollständigen Verbrennung
Natürliche CO2-Ausgasungen sind ebenfalls allgegenwär-
von kohlenstoffhaltigen Substanzen unter ausreichendem
tig. So geben die Böden offenbar in erheblichen Mengen
Sauerstoff, als auch im Organismus von Menschen und
CO2 ab. Messungen im brandenburgischen Ketzin ergaben,
Tieren. Das CO2 wird dabei über den Atem wieder abgege-
dass von einer 3 x 3 Kilometer großen Fläche rund 30.000
ben. Umgekehrt sind Pflanzen in der Lage, CO2 durch die
Tonnen natürliches CO2 pro Jahr an die Atmosphäre abgege-
Kohlendioxid-Fixierung in Biomasse umzuwandeln. So pro-
ben werden. Aus der Eifel sind ebenfalls natürliche CO2-Ex-
duzieren Pflanzen bei der Photosynthese aus anorganischem
halationen bekannt. Sie sind vulkanischen Ursprungs und
CO2 die lebenswichtige Glukose.
zum Teil so stark, dass sich sogenannte Kaltwasser-Geysire bilden können. Wissenschaftler schätzen, dass pro Jahr 0,5
CO2 ist in unserem Alltag ein ständiger Begleiter. Weit verbreitete Anwendung findet es in der Lebensmittelindustrie:
bis 1 Million Tonnen CO2 aus den Tiefen der Eifel in die Atmosphäre strömen.
So ist für viele Menschen das Glas Sprudel, Bier oder Sekt ohne die »prickelnde« Wirkung des im Wasser gelösten CO2
Natürlich vorkommendes Kohlendioxid ist zudem ein wich-
undenkbar. Kohlendioxid wird aber auch in Feuerlöschern,
tiger Bestandteil unserer Atmosphäre. Die derzeitige Konzen-
als Dünger in Gewächshäusern sowie als Trockeneis oder
tration beträgt 0,0380 %. Während die kurzwellige Sonnen-
Bühnennebel im Theater eingesetzt.
strahlung ungehindert die Atmosphäre passieren kann, absorbiert das CO2 der Atmosphäre einen Teil der von der Erdoberfläche reflektierten Wärmestrahlung. Diese Eigenschaft macht Kohlenstoffdioxid zu einem so genannten Treibhausgas. Nach Wasserdampf ist Kohlenstoffdioxid mengen-
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Vulkaneifel European Geopark
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mäßig das wirksamste Treibhausgas. Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt wäre die mittlere
CO2 – ein alltäglicher Begleiter. Links: Im Kaltwasser-Geysir in Wallenborn (Vulkaneifel). Unten: CO2-Blasen im klassischen Sprudel.
Temperatur auf der Erdoberfläche nur -18 °C. CO2 ist somit in hohem Maß für das lebensfreundliche Klima der Erde mitverantwortlich. In hohen Konzentrationen ist CO2 gesundheitsgefährdend. Aus der medizinischen Forschung in der Luftfahrt und im Bergbau ist bekannt, dass CO2-Konzentrationen von mehr als 8 Prozent zum Tode führen können. Unglücksfälle sind unter anderem aus Weinkellern, Futtersilos, Brunnen oder Jauchegruben bekannt, wo sich durch Gärprozesse beträchtliche Mengen an CO2 bilden. Wenn nicht für ausreichende Entlüftung – also Sauerstoffzufuhr – gesorgt ist, bilden sich gefährliche Konzentrationen von CO2: aufgrund der höheren Dichte im Vergleich zu Luft vor allem in Bodennähe (»Kohlenstoffdioxid-See«).
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NASA
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Die Zugbahn des Hurrikans Katrina vor der Küste von New Orleans im Herbst 2005. Durch die Erwärmung der Atmosphäre könnten solche extremen Wettersituationen in Zukunft häufiger auftreten.
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Abscheidung und Lagerung des Treibhausgases CO2 – Warum? Spätestens seit dem UN-Klimabericht vom Februar 2007 gilt es als erwiesen, dass der vom Menschen verursachte Ausstoß von Kohlendioxid (CO2) den natürlichen Treibhauseffekt verstärkt. Anthropogenes CO2 wird überall dort freigesetzt, wo Erd-
Neben der Einsparung von Energie, der Effizienzsteigerung
öl, Kohle oder Erdgas zur Energieerzeugung verbrannt wird.
von Kraftwerken und dem verstärkten Einsatz erneuerbarer
Heute liegt die CO2-Konzentration in der Atmosphäre mit
Energien gilt die Abscheidung und geologische Speicherung
circa 380 ppm (0,0380 %) deutlich über dem vorindustriellen
von CO2 (CCS: Carbon Capture and Storage) als eine wich-
Niveau von rund 280 ppm. Bis Ende dieses Jahrhunderts
tige Option im Portfolio der CO2-Vermeidungsstrategien.
erwarten Klimaexperten einen Anstieg auf über 700 ppm.
Derzeit geht circa ein Drittel des globalen CO2-Ausstoßes auf
Die Folgen wären eine globale Erwärmung um 4,5 °C oder
das Konto von Kraftwerken, die mit fossilen Rohstoffen
mehr, extreme Wettersituationen und nachhaltige Schäden
betrieben werden – mit steigender Tendenz. Zahlreiche
für viele Ökosysteme. Das Intergovernmental Panel of
Energieszenarien prognostizieren, dass auch Mitte dieses
Climate Change (IPCC) hält eine maximale Erwärmung der
Jahrhunderts die fossilen Energieträger noch mindestens
mittleren Oberflächentemperatur der Erde um 2 °C gegen-
einen Anteil von 50 % an der weltweiten Energieversorgung
über der vorindustriellen Zeit für noch tolerabel. Um dieses
haben werden: mit unmittelbaren Auswirkungen auf die
Ziel zu realisieren, müssen die globalen CO2-Emissionen
weltweiten CO2-Emissionen. Große Punktquellen, wie Kohle-
zunächst stabilisiert und bis 2050 auf etwa die Hälfte der
kraftwerke oder Industrieanlagen, eignen sich daher am ehe-
Werte von 1990 reduziert werden.
sten, das klimaschädliche CO2 »einzufangen«, um es dann an geeigneter Stelle sicher zu speichern. Einige Experten sprechen bereits vom »negativen Schornstein«.
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CO2-Emissionen – Wo steht Deutschland heute? Deutschland beteiligt sich an einer Reihe internationaler Aktivitäten, um die anthropogenen Treibhausgasemissionen zu mindern. Im Rahmen des
Gewerbe: 58,1 Mio. t (6,6 %)
Kyoto-Protokolls hat sich die Bundesregierung verpflichtet, bis spätestens
Verkehr: 167,4 Mio. t (18,9 %)
2012 den Ausstoß an Treibhausgasen um 21 % gegenüber dem Bezugsjahr 1990 zu reduzieren. Dem Kohlendioxid kommt die größte Bedeutung zu. Deutschland gehört zu den wenigen Industrieländern, die ihre CO2-
Industrie: 160,7 Mio. t (18,2 %)
Emissionen seit 1990 deutlich reduzieren konnten. Um das Kyoto-Ziel zu erreichen, müssen jedoch weitere Anstrengungen unternommen werden. Auch über 2012 hinaus sind anspruchsvolle Ziele ins Auge gefasst: So sollen die jährlichen CO2- Emissionen Deutschlands bis 2020 um 40 % gegenü-
Haushalte: 115,6 Mio. t (13,1 %)
ber 1990 abgesenkt werden. Auf dem G8 Gipfel in Heiligendamm (6.-8. Juni 2007) vereinbarten die führenden Industrienationen, die globalen CO2Emissionen bis 2050 um mindestens die Hälfte zu reduzieren. Grundlage
Energiewirtschaft: 382,3 Mio. t (43,2 %)
der in Heiligendamm getroffenen Klimaschutzvereinbarung bilden die
Primärenergieträger. Bei der Stromerzeugung wird dies besonders deutlich: Allein die Steinkohle und die heimische Braunkohle tragen mit knapp 47 % zur gegenwärtigen Stromerzeugung bei. Rund 27 % beträgt der Anteil der Kernenergie. Zu 11 % kommt Erdgas zum Einsatz. Die regenerativen Energien tragen mit rund 10 % zur Stromerzeugung
Quelle: DIW Wochenb
In Deutschland sind fossile Rohstoffe derzeit die wichtigsten
ericht, No. 12, 2006
Beschlüsse der EU.
bei. Damit ist der Energiesektor der wichtigste CO2-Emittent in Deutschland. Mit großem Abstand folgen Verkehr, Industrie und die privaten Haushalte. Viele Experten gehen davon aus, dass Kohle auch in Zukunft einen erheblichen Anteil am deutschen Energiemix behalten wird – trotz des verstärkten Ausbaus der erneuerbaren Energien. In einer nachhaltigen Energiewirtschaft ist die Kohleverstromung jedoch nur möglich, wenn das CO2, das bei ihrer Nutzung entsteht, minimiert oder erst gar nicht in die Atmosphäre gelangt. 6
CO2-Emissionen in Deutschland nach Branchen (Stand: 2005; Daten: DIW-Wochenbericht, Nr. 12/2006)
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Entwicklung der energiebedingten CO2-Emissionen in Deutschland
1050
zwischen 1990 und 2005 (Daten: DIW-Wochenbericht, Nr. 12/2006)
1000
950
Mio. t 900
850
800
90
19
95
19
96
19
97
19
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19
99
19
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
Bruttostromerzeugung in Deutschland bis 2030 (in TWh); (Daten: EWI/PrognosStudie »Die Entwicklung der Energiemärkte bis zum Jahr 2030«, Mai 2005)
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Kraftwerksstandort »Schwarze Pumpe« nahe Cottbus. Hier wird derzeit in direkter Nachbarschaft zu dem bestehenden Braunkohlekraftwerk die erste deutsche Pilotanlage mit CO2 - Abscheidung gebaut. Die 30 MW-Anlage wird Ende 2008 in Betrieb genommen. Mehr als 100.000 Tonnen CO2 werden abgeschieden und zu Testzwecken in eine Erdgaslagerstätte der Altmark injiziert.
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Vattenfall Europe
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Vattenfall Europe
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Die Prozesskette »CO2-Abscheidung, -Transport und -Speicherung« Die CCS-Technologie besteht aus drei Prozessschritten: CO2-Abscheidung, -Transport und -Speicherung. Sie sind eine Kette, in der jedes Glied unmittelbar in das andere greift. Der sicheren CO2-Speicherung kommt jedoch entscheidende Bedeutung zu. Nur wenn sie sichergestellt ist, kann das innovative Gesamtkonzept erfolgreich umgesetzt werden. Abscheidung von CO2
Abscheidung nach dem Verbrennungs-
Die Abscheidung und weitere Verwertung
prozess (»Rauchgaswäsche«)
von CO2 ist in diversen Industrieprozessen be-
Bei diesem Verfahren wird das CO2 nach dem
reits heute ein etabliertes Verfahren. Beispiele
eigentlichen Verbrennungsprozess (post-combus-
sind die Düngemittel- und Chemie-Industrie. Im
tion) aus dem Rauchgas herausgewaschen. Dazu
Kraftwerksbereich dagegen ist die Abscheidung
werden die Abgase (Rauchgas) durch spezielle
des bei der Verbrennung von Kohle und Gas
Flüssigkeiten geleitet, beispielsweise wässrige
freiwerdenden CO2 noch eine technologische
Aminlösungen, die das CO2 chemisch binden.
Herausforderung. Hohe Kosten und Einbußen
Die mit der Waschsubstanz verbundenen CO2-
im Wirkungsgrad der Kraftwerke lassen noch
Moleküle werden anschließend durch Erhitzen
einen großen Spielraum für technologische
wieder separiert. Das CO2 wird zur Speicherung
Verbesserungen zu. Derzeit werden drei tech-
abtransportiert, die gesäuberte Waschsubstanz
nische Optionen favorisiert:
dem erneuten Einsatz zugeführt. Vorteil der Rauchgaswäsche ist, dass dieses Verfahren nur geringfügig in den Kraftwerksprozess eingreift. 9
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Bestehende Kraftwerke könnten vergleichsweise
folglich mit fast reinem Wasserstoff betrieben,
200 °C aus flüssiger Luft destilliert wird. Ein
einfach nachgerüstet werden. Nachteil des Ver-
dessen Abgase im Wesentlichen aus Luftstick-
energetischer Aufwand von etwa 250 - 270
fahrens: Die für den abschließenden Trennungs-
stoff und reinem Wasserdampf bestehen. Vorteil
kWh/Tonne O2, der je nach Reinheitsanforde-
prozess erforderliche Wärme von etwa 3-4 GJ/
dieses Verfahrens: Es benötigt weniger Energie
rung noch ansteigen kann.
Tonne CO2 wird dem Dampf - der für den An-
als die chemische Bindung und thermische
trieb der Turbinen notwendig ist - entzogen. Der
Trennung der Rauchgaswäsche und erreicht da-
Wirkungsgrad der Kraftwerke wird dadurch
mit geringere Wirkungsgradeinbußen.
Als erstes Kraftwerk Europas wurde im Frühjahr 2006 ein Kohlekraftwerk im dänischen Esbjerg mit einer CO2-Abscheidevorrichtung
erheblich gesenkt: um bis zu 15 %. Das Oxyfuel-Verfahren
nach dem Prinzip der Rauchgaswäsche nach-
Abscheidung vor dem
Bei dem Oxyfuel-Verfahren wird das Brenn-
gerüstet. Stündlich werden circa zwei Tonnen
Verbrennungsprozess
material (z.B. Kohle) mit reinem Sauerstoff ver-
CO2 aus dem Rauchgas gefiltert (Stand: Juli
Bei dieser Methode wird dem Brennstoff das
feuert. Das heißt, aus der für den Verbrennungs-
2006). Die Wissenschaftler und ihre Kollegen
CO2 vor dem Verfeuern entzogen (pre-combus-
prozess notwendigen Luft werden vorab Stick-
aus der Industrie wollen dabei testen, wie diese
tion). Kohle wird beispielsweise bei Temperatu-
stoff, Schwefelverbindungen und andere Verun-
Technologie weiter optimiert werden kann und
ren von über 1000 °C durch die Zufuhr von
reinigungen herausgezogen. Da eine Verbren-
wie wirtschaftlich sie letztendlich ist. In Deutsch-
Sauerstoff zunächst in ein brennbares Rohgas
nung in reinem Sauerstoff jedoch zu viel zu
land baut der Energieversorger Vattenfall derzeit
umgewandelt (Integrated Gasification Combi-
hohen Verbrennungstemperaturen führen wür-
ein Braunkohlekraftwerk, das auf dem Oxyfuel-
ned Cycle, IGCC-Kraftwerk). Dieses aus Kohlen-
de, wird ein Teil des Abgases zurückgeführt, das
Verfahren basiert. Die Pilotanlage mit einer
monoxid (CO) bestehende Synthesegas wird an-
den Luftstickstoff ersetzt. Großer Vorteil dieses
Leistung von 30 MW geht Ende 2008 am Kraft-
schließend durch die Zuführung von Wasser-
Verfahrens: Nach der Verbrennung besteht das
werksstandort »Schwarze Pumpe« nahe Cottbus
dampf (H2O) zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser-
Abgas überwiegend nur noch aus zwei Kompo-
in Betrieb. Das Energieunternehmen RWE hat
stoff (H2) umgewandelt (»CO-shift«). Das CO2
nenten: CO2 und Wasserdampf, die durch Küh-
angekündigt, bis 2014 ein CO2-freies Kohle-
wird dann durch physikalische Absorption aus
len leicht trennbar sind: Der Dampf kondensiert
kraftwerk mit einer Bruttoleistung von etwa 450
dem Brenngas entfernt. Der verbleibende ele-
zu Wasser, das CO2 bleibt übrig und kann unter-
MW ans Netz zu bringen, das auf der IGCC-
mentare Wasserstoff wird in einer Gasturbine
irdisch gespeichert werden. Erheblicher Nachteil
Technologie basiert.
verbrannt, die einen Generator zur Stromerzeu-
des Verfahrens: Er ist sehr energieaufwändig,
gung antreibt. Ein solches Kraftwerk würde
da reiner Sauerstoff üblicherweise bei minus
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Die drei derzeit favorisierten CO2 -Abscheidungstechnologien im Kraftwerk
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STATOIL
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Modernes Fl端ssiggas-Tankschiff. In vergleichbaren Schiffen wird auch CO2 transportiert.
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Transport von CO2 Nachdem das CO2 aus dem Abgas abgeschie-
LNG-Transport (LNG: Liquefied Natural Gas), im
den ist, muss es für den Transport konditioniert
flüssigen Zustand transportiert. Für kleine
werden. Nur in den seltensten Fällen kann das
Mengen ein heute bereits vielfach angewende-
CO2 direkt an Ort und Stelle gespeichert oder
tes Verfahren, beispielsweise zur Weiterverwer-
weiterverarbeitet werden. Aufgrund der großen
tung in der Lebensmittelindustrie. Der Pipeline-
CO2-Mengen, die bei der Abscheidung aus Kraft-
Transport erfolgt unter hohem Druck. Hierzu ist
werksprozessen anfallen, erfolgt der Transport
ein erheblicher Energieaufwand notwendig.
am sinnvollsten in Pipelines oder mit Schiffen.
Beim Pipeline-Transport über große Entfer-
Auf Schiffen wird das CO2, ähnlich wie beim
nungen muss das CO2 daher auch in regelmäßi-
PTRC, Kanada
gen Abständen neu komprimiert werden, um einen Druckabfall zu vermeiden. Vorteil der Pipeline: Große Mengen CO2 können kontinuierlich, umweltverträglich und in großen Mengen transportiert werden. In den USA existiert bereits ein ausgedehntes Pipeline-Netz zum CO2-Transport. Es wird in erster Linie durch die Energiekonzerne genutzt, die das aus natürlichen Quellen stammende CO2 in ölführende Erdschichten einpressen, um die Produktion versiegender Lagerstätten zu steigern.
Über Land wird CO2 bereits heute in solchen Pipelines transportiert.
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Speicherung von CO2 Die bei der Stromgewinnung aus Kohle anfallenden CO2-Mengen können nur zu circa 0,1 %
Technologisch bieten sich derzeit
Erdöl- und Erdgaslagerstätten
drei Speicheroptionen an:
Viele Erdöl- und Erdgaslagerstätten finden
für weitere technologische Anwendungen genutzt werden. Auch in Zukunft wird der Markt für eine kommerzielle Nutzung von CO2 als
sich in porösen Sand- oder Kalksteinen tief un
Erdöl- und Erdgaslagerstätten
terhalb der Erdoberfläche. Sie sind geologisch
Tiefliegende, salzwasserführende
gut erforscht und eignen sich daher hervorra-
Sandsteinschichten (Deep Saline Aquifer)
gend als natürliche Speicher für das Treibhaus-
Tiefliegende, derzeit nicht förderbare
gas. Erste Schätzungen gehen davon aus, dass
Kohleflöze
in den porösen Sand- und Kalksteinen der Erdöl-
schwierig eingeschätzt, zumal das CO2 bei den meisten Verwertungsmöglichkeiten bald wieder in der Atmosphäre endet. In der Gesamtkonzep-
tion eines »CO2-freien« Kraftwerks kommt da-
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und Erdgasprovinzen weltweit bis zu 900 Giga-
her der langfristig sicheren Speicherung des CO2
In welchem Umfang diese Speicheroptionen
tonnen CO2 eingelagert werden könnten. Einen
eine technologische Schlüsselposition zu. Nur
zukünftig genutzt werden, hängt unter ande-
möglicherweise positiven Begleiteffekt hätte die
wenn sichergestellt ist, dass das abgeschiedene
rem von den geographischen Rahmenbedin-
Injektion von CO2 in noch produktive, aber nahe-
CO2 nicht wieder in die Umwelt gelangt, kann
gungen ab: Denn nur wenn Emissionsquelle und
zu erschöpfte Lagerstätten, um auf diese Weise
diese Technologie ihren Beitrag zur Reduktion
Speicherort in vertretbarer Entfernung zueinan-
nicht förderbare Reserven an Öl und Gas zu mo-
der anthropogenen Treibhausgase leisten.
der liegen, lässt sich die Technologie auch wirt-
bilisieren. Experten sprechen von Enhanced Oil
schaftlich realisieren. Darüber hinaus muss das
Recovery (EOR) und Enhanced Gas Recovery
Der unterirdischen Speicherung in tiefliegen-
CO2 in Tiefen größer 800 Meter versenkt wer-
(EGR). Die Idee basiert auf umfangreichen Er-
den geologischen Formationen an Land und
den, da es hier aufgrund seines dann deutlich
fahrungen aus den USA, wo bereits seit Mitte
unter dem Meeresboden werden aus ökolo-
verringerten Volumens weniger Speicherplatz
der 50er-Jahre Erdöllagerstätten mit CO2 aus
gischer wie technologischer Sicht die größten
benötigt. Der Lagerung von CO2 in der Wasser-
natürlichen Vorkommen »stimuliert« werden.
Chancen eingeräumt. Die Aufnahmekapazität
säule der Ozeane oder am Grunde der Tiefsee
Im kanadischen Weyburn wird seit 2000 eine
ist groß. Weltweit, so schätzen Experten, könn-
werden keine Chancen eingeräumt: Zu groß sind
Pilotanlage betrieben, die erstmals CO2 aus
ten bis zu 2.000 Gigatonnen des Treibhausgases
die Risiken für die marinen Ökosysteme, die sich
einer Industrieanlage für EOR-Maßnahmen
im Untergrund versenkt werden. Optimistische
durch eine zusätzliche »Versauerung« der Meere
benutzt. Durchschnittlich 1,8 Millionen Tonnen
Prognosen gehen gar von bis zu 11.000
ergeben würden.
CO2 werden hier jährlich in eine nahezu er-
Gigatonnen. aus. Zum Vergleich: Im Jahr 2005
schöpfte Erdöllagerstätte eingepumpt. Während
betrugen die energiebedingten CO2-Emissionen
das umweltschädliche CO2 auf Dauer in den zer-
weltweit 27,3 Gigatonnen.
klüfteten Kalksteinen verbleiben soll, erwarten
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Kraftwerk
CO2-Injektionsbohrung
CO2 -
Pipeli ne
KW-Bohrung
Süßwasser
abdichtende Tonsteinhorizonte
KW-Bohrung CO2-Injektionsbohrung
Salzwasser
Sandstein
abdichtende Tonsteinhorizonte
CO2 Sandstein
Sandstein
Sandstein
Salz
CO2
Kohleflöze CO2 CO2
Kohleflöze
Schemazeichnung über die Möglichkeiten der geologischen CO2 -Speicherung im Untergrund
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Rote Sandsteine der Buntsandstein-Formation (ca. 240 Mio. BGR
Jahre alt). In 3000 Metern unterhalb Norddeutschlands wird aus solchen Sandsteinen bis heute Erdgas gefördert. Inwieweit sie auch als natürliche CO2-Speichergesteine genutzt werden könnten, wird derzeit untersucht.
kein Erdgas oder Erdöl ansammeln konnte, füllt
zusätzlich 130 Millionen Barrel Öl gefördert zu
Salzwasser die Poren oder Klüfte des Gesteins.
haben. In Erdgasfeldern gibt es bislang erst sehr
Für die Trinkwasserversorgung sind diese
wenige Erfahrungen mit dieser Technologie. In
Horizonte aufgrund der großen Tiefe und des
der Altmark, circa 200 Kilometer westlich von
hohen Salzgehaltes ungeeignet. Gegenüber den
Berlin, werden unter Federführung der deut-
Süßwasserhorizonten durch undurchlässige
schen Tochter des französischen Energiekon-
Schichten abgeschirmt, können sie sich über
zerns Gaz de France ab 2009 rund 100.000 Ton-
viele Kilometer erstrecken. Die Speicherkapazitä-
nen CO2 zu Testzwecken in eine der größten
ten der salzwasserführenden Aquifere sind ent-
Erdgaslagerstätten Europas gepumt. Mit einem
sprechend groß: Theoretisch ließen sich hier
dem Mikroskop. Die einzelnen Quarzkörner bil-
begleitenden Forschungsprogramm im Rahmen
weltweit bis zu 10.000 Gigatonnen CO2 lagern.
den einen lockeren Verband mit Zwischenräu-
der GEOTECHNOLOGIEN soll untersucht wer-
Praktisch nutzbar erscheinen derzeit jedoch
men. Sie sind auf dem Bild blau gefärbt. In den
den, inwieweit die EGR-Technologie wirtschaft-
»nur« 1/10, nämlich circa 1000 Gigatonnen
Erdgaslagerstätten Norddeutschlands sind solche
lich einsetzbar ist und ob das Treibhausgas
CO2. Vorteil der Aquiferspeicherung ist, dass
Poren häufig mit Erdgas gefüllt. Nach der Erd-
sicher im Untergrund verbleibt.
sich das flüchtige CO2 hier über lange Zeiträume
BGR
die Betreiber, am Ende der Versuchsphase 2015
Sandstein der Buntsandstein-Formation unter
gasförderung bieten sie Platz für das CO2.
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hinweg auflöst oder mit anderen Stoffen zu Salzwasserführende Aquifere
festen Mineralphasen, beispielsweise Kalzit, rea-
Salzwasserführende Gesteinsformationen, Ex-
giert. Es ist damit auf Dauer der Atmosphäre
perten sprechen von einem »salinaren Aquifer“,
entzogen. Der norwegische Energiekonzern
werden weltweit als die wichtigsten CO2-Spei-
Statoil betreibt bereits seit 1996 eine entspre-
cher angesehen. Sie sind häufig mit Erdgas-
chende Anlage in dem Sleipner-Gasfeld: In die
oder Erdöllagerstätten verknüpft. Dort, wo sich
unverfestigten Sande der »Utsira Formation«,
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STATOIL
Auf dieser Bohrinsel des norwegischen Energiekonzerns Statoil wird seit über 10 Jahren CO2 aus dem geförderten Erdgas abgetrennt ……
circa 1000 Meter unterhalb des Nordseebodens, werden jährlich bis zu 1 Millionen Tonnen CO2 injiziert, das dem geförderten Erdgas als unerwünschte Verunreinigung entzogen wurde. Aufgrund der in Norwegen üblichen CO2-Steuer ist die noch kostenintensive Technologie auch wirtschaftlich attraktiv; offenbar so sehr, dass das Unternehmen in der nördlichen Barentssee – im Snøhvit-Gasfeld – im April 2008 eine weitere Anlage in Betrieb genommen hat. Tiefliegende, nicht förderbare Kohlflöze
vermögen wird auf maximal 200 Gigatonnen
offenbarte sich jedoch ein erheblicher Nachteil
Kohle kann aufgrund seiner internen Struktur
CO2 taxiert. Neben den erheblichen Adsorp-
der Kohle: Aufgrund ihrer hohen Dichte ist sie
binden.
tionskapazitäten der Kohle haben Kohlelager-
für gasförmige Stoffe nur schlecht durchlässig,
Bevorzugt lagert sich Methan (CH4) auf den
stätten als CO2-Speicher zwei weitere Vorteile:
was die Aufnahmekapazität für CO2 eheblich
Oberflächen der Kohlepartikel an. Die Schlag-
Erstens liegen sie häufig in regionaler Nähe zu
herabsetzt. Weltweit werden daher umfangrei-
wetterexplosionen im Kohlebergbau sind dafür
den Kraftwerken, was die Transportkosten er-
che Forschungsarbeiten durchgeführt, wie sich
ein nachdrücklicher Beweis. Eine noch größere
heblich reduzieren würde. Zweitens könnte das
dieses erhebliche Potenzial zukünftig doch noch
Affinität besitzt Kohle jedoch für Kohlendioxid
an die Kohle gebundene Methan durch das
für die CO2-Speicherung erschließen lässt.
gasförmige
Stoffe
ausgezeichnet
(CO2). Deshalb werden tiefliegende, derzeit
Einpressen von CO2 verdrängt und als Wertpro-
nicht abbaubare Kohleflöze weltweit als poten-
dukt gewonnen werden (ECBM-Verfahren). In
zielle CO2-Speicher getestet. Deren Aufnahme-
ersten Großversuchen in den USA und Polen 17
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…… und in salzwasserführende Sandschichten, tief unterhalb des Nordseebodens, zurückgeführt. (Grün: Erdgasförderhorizont; Blau: CO2-Injektionshorizont)
Ausstoß von 7.000 Tonnen CO2 pro Tag müssten STATOIL
täglich mehr als 20.000 Tonnen Gestein zerkleinert und an das Kraftwerk geliefert werden. Werden Basaltgesteine in ihrer natürlichen Umgebung mit dem abgetrennten CO2 versetzt, spart man zwar die kostenintensive Logistik.
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Mineralische Bindung
beruht im Wesentlichen auf folgendem Prinzip:
Die Umwandlung des flüchtigen CO2 in eine
Magnesiumreiche Gesteine (Basalte, Serpenti-
licherweise langen Transportwege für das CO2
immobile mineralische Substanz ist vermutlich
nite) werden aufgemahlen und unter hohem
und die physikalischen und chemischen Rah-
Limitierende Faktoren sind dann aber die mög-
die sicherste »Speicherung« von CO2. Obwohl
Druck und hohen Temperaturen mit CO2 ver-
menbedingungen der »Wirtsgesteine«, wie ge-
bislang erst unzureichend erforscht, findet diese
setzt. Das Treibhausgas reagiert mit dem
ringe Durchlässigkeiten, Druck und Temperatur.
Technologie zunehmendes Interesse in Wissen-
Ausgangsmaterial zu Kalk und ist damit dauer-
Andere Forschungsansätze zielen auf tiefliegende
schaft und Industrie. Sie wird im Gegensatz zu
haft gebunden. Das Verfahren ist jedoch außer-
Sandsteinschichten mit einem hohen Anteil an
den drei oben genannten Optionen jedoch auch
ordentlich energieintensiv und mit einem erheb-
Kalziumsulfatmineralen. In ersten Laborversu-
in Zukunft eher eine Nischentechnologie blei-
lichen logistischen Aufwand verbunden. Allein
chen reagierte beispielsweise Anhydrit (CaSO4)
ben. Das Konzept der mineralischen Bindung
für ein 500-MW-Kraftwerk mit einem CO2-
mit gelöstem CO2 zu festem Kalk (Kalzit).
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Speicheroptionen
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Generelle Charakteristika
Theoretische Speicherkapazität (weltweit/GtCO2)
Theoretische Speicherkapazität (Deutschland/GtCO2)
(Erschöpfte) natür-
Poröse und permeable Kalksteine und Sandsteine. CO2 füllt
Max. 900
Erdgasfelder: 2,75
liche Erdöl- und Erd-
Hohlräume und Klüfte (Kalksteine), bzw. freie Poren zwi-
Min. 675
Erdölfelder: 0,13
gaslagerstätten
schen den Sandkörnern (Sandsteine) die ursprünglich mit
Max. 200
0,37-1,67
20 ±8
Erdöl/Erdgas gefüllt waren. Nicht förderbare Öl/Gasanteile könnten noch mobilisiert und damit gewinnbar werden. Nicht abbaubare
CO2 lagert sich auf der Oberfläche der Kohlepartikel an
Kohleflöze
und verdrängt dabei Methangas, das wirtschaftlich gewon-
Tiefliegende salinare
CO2 wird in sole-führende Gesteinsschichten im tiefen
Min. 1.000
Aquifere
Untergrund injiziert.
Max. 10.000
Mineralische
CO2 reagiert mit magnesiumreichen (Basalt) oder sulfatrei-
Unbekannt
Bindung
chen Gesteinen (Sandsteine mit Anhydrit) zu Karbonat
Unbekannt
IPCC, BGR Hannover
nen werden könnte.
Optionen für die geologische CO2-Speicherung in Deutschland und weltweit
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CO2-Speicherung in Deutschland In Deutschland kommen für die geologische Speicherung von CO2 insbesondere ausgediente Erdgasfelder sowie salinare Aquifere in Frage. Experten der Bundesanstalt für Geowissen-
Dazu kommen die Speicherkapazitäten in sali-
Die Speicherkapazität der deutschen Öllager-
schaften und Rohstoffe (BGR) in Hannover hal-
naren Aquiferen, deren Aufnahmefähigkeit auf
stätten ist mit circa 130 Millionen Tonnen dage-
ten insbesondere den Untergrund Norddeutsch-
circa 20 Gigatonnen (+- 8 Gigatonnen) geschätzt
gen gering. Sie könnten nur im Einzelfall und
lands – von den Niederlanden bis an die Grenze
werden. Auf der Grundlage der augenblicklichen
sehr beschränkt zur CO2-Speicherung beitragen.
nach Polen und weiter nach Norden – prinzipiell
Emissionsraten aller deutschen Kohlekraftwerke
Das gilt auch für die nicht produktiven Kohle-
für geeignet, CO2 zu speichern. Hier konzentrie-
von 345 Millionen Tonnen CO2 jährlich (Stand:
flöze im Untergrund des Ruhr- und Saargebietes.
ren sich die größten deutschen Erdgaslager-
2004) würde dieser Speicherraum – rein rechne-
Deren Speicherkapazitäten werden derzeit auf
stätten und tiefliegende Salzwasserhorizonte,
risch – bereits für mehrere Jahrzehnte ausrei-
maximal knapp 1,7 Gigatonnen geschätzt.
die sogenannten salinaren Aquifere. Das Erdbe-
chen. Die Nachnutzung von Erdgaslagerstätten
benrisiko ist extrem gering. Die Speicherkapa-
als CO2-Speicher bietet eine Reihe praktischer
zität der verschiedenen Gesteinsformationen ist
Vorteile. So sind die Felder geologisch ausge-
hoch. Allein in den Sandsteinen der norddeut-
zeichnet erkundet und die abdeckenden Ge-
schen Erdgaslagerstätten könnten nach aktu-
steinsschichten haben sich für gasförmige Stoffe
ellen Berechnungen circa 2,7 Gigatonnen CO2
über viele Millionen Jahre als dicht erwiesen. Die
gespeichert werden.
Anbindung an bestehende Pipelinenetze ist vielfach bereits gegeben und in versiegenden Lagerstätten könnte durch die Einpressung des Treibhausgases zudem die Erdgasausbeute verlängert werden. Zwei wichtige Faktoren für die Wirtschaftlichkeit der neuen Technologie.
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BGR Hannover
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Der Untergrund Deutschlands. Für die geologische Speicherung von CO2 bietet Norddeutschland mit seinen mächtigen Sandsteinvorkommen (Grün eingefärbte Bereiche) hervorragende geologische Voraussetzungen. Die Karte zeigt ferner, die größten Erdgaslagerstätten (gelbe Kreise), die wichtigsten industriellen CO2-Emissionsquellen (blaue Kreise) und unterirdische Steinkohlevorkommen (schwarz schraffiert).
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Sicherheit zukünftiger CO2-Speicher Wichtigste Voraussetzung für die geologische Speicherung des CO2 ist, dass die ausgewählten Speicherhorizonte nachweislich dicht sind: Denn das in der Tiefe gespeicherte CO2 darf weder zurück in die Atmosphäre gelangen, noch sollen Trinkwasserhorizonte beeinträchtigt oder Menschen gefährdet werden. Dies gilt nicht nur für die Zeit des Betriebes,
rungen liegen zwar aus der unterirdischen Spei-
sondern auch weit darüber hinaus. Erlaubt sind
cherung von Erdgas vor; diese lassen sich jedoch
nur minimale Verluste, die nach Expertenmei-
nicht ohne weiteres auf die unterirdische Spei-
nung nicht mehr als 0,01 Prozent pro Jahr betra-
cherung von CO2 übertragen. Es muss daher ein
gen sollten. Rein rechnerisch bedeutet dies, dass
verlässliches Instrumentarium für die Auswahl
selbst nach 1000 Jahren weniger als 10 Prozent
und Langzeitüberwachung der CO2-Lagerstätten
des ursprünglich eingelagerten CO2 entwichen
entwickelt werden.
sein dürfen. Zukünftige Lagerstätten müssen daher auf Herz und Nieren auf ihre Dichtigkeit geprüft werden. Leckagen können beispielsweise auftreten, wenn das überlagernde Gestein die CO2-Speicher nicht ausreichend nach oben hin »abdichtet«. Auch tiefreichende Brüche im Gestein oder Bohrlöcher sind potenzielle »Lecks«. Wichtige Erkenntnisse und langjährige Erfah-
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Das seismische Abbild eines CO2Speichers im tiefen Untergrund (SleipnerFeld, Norwegen). Die mit CO2 injizierten Horizonte (gefärbte Bereiche) heben sich deutlich von CO2-freien Bereichen ab. Es zeigt sich, dass seit Beginn der Injektion in 1996 offenbar kein CO2 die abdeckende Schicht durchdrungen hat. Die Seismik ist damit eine unentbehrliche Kontrolltech-
Rob Arts, TNO
nologie für unterirdische CO2-Speicher.
Seismische Verfahren, die den Untergrund
gegenüber dem umliegenden Gestein bilden
mit Hilfe von Schall- oder Druckwellen abta-
sich CO2-führende Horizonte besonders auf-
Ausbreitung des CO2 im Untergrund in
sten, haben sich insbesondere bei der Suche
fällig in dem Seismogramm ab. Würde das
»Echtzeit« verfolgen.
nach Erdöl und Erdgas bewährt. Sie werden
eingelagerte Kohlendioxid durch die überla-
auch bei der Erkundung geeigneter Standorte
gernde »Deckschicht« nach oben hin ent-
Für eine Langzeitprognose sind die Exper-
und der späteren Überwachung von CO2-
weichen, könnte das Leck lokalisiert wer-
ten auf Modellrechnungen angewiesen. Sie
Speichern eingesetzt. Praktische Erfahrungen
den. Komplementär zu den geophysikali-
ermöglichen den Blick weit voraus in die Zu-
zur seismischen Überwachung liegen aus
schen müssen auch verlässliche geochemi-
kunft. Wie schnell verteilt sich das CO2 im
dem Sleipner Gasfeld in der norwegischen
sche Kontrolltechnologien eingesetzt wer-
Untergrund, welche Wegsamkeiten nutzt es
sensoren eingesetzt, lässt sich mit ihnen die
Nordsee vor. Hier wird der mit CO2 injizierte
den. Geeignet sind unter anderem optische
und zu welchem Zeitpunkt hat sich das CO2
Bereich seit Beginn der Injektion im Jahre
oder elektrochemische Sensoren für extre-
aufgelöst? Diese und viele andere Fragen
1996 kontinuierlich kontrolliert. Aufgrund
me chemische und physikalische Bedin-
lassen sich mit numerischen Simulationen
ihrer charakteristischen Dichteunterschiede
gungen. Als Bohrloch- und Oberflächen-
beantworten. Experten halten zudem die
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Zukunftsprognosen, wie sich das CO2 im Untergrund ausbreiten wird, sind mit Hilfe mathematischer Simulationsrechnungen möglich. Sie erlau-
TNO - B&O
ben einen Blick weit voraus in die Zukunft.
Entwicklung neuer Injektionstechnologien für notwendig. Da CO2 chemisch sehr aggressiv wirken kann, müssen beispielsweise geeignete Stähle und spezielle Bohrlochzemente entwickelt werden. Laborversuche zeigen, dass herkömmliche Zemente unter CO2-Einfluss korrodieren. Bohrlöcher, die mit herkömmlichen Zementen verfüllt wurden, könnten langfristig also undicht werden. Doch nicht nur zukünftige Reinicke, TU Clausthal
CO2-Injektionsbohrungen
Handelsübliche Portlandzemente mit hochreaktivem CO2 behandelt.
24
sind
mit
dauerbeständigen
Zementen zu versiegeln. Auch viele verwaiste Bohrungen der nicht mehr produktiven Erdgas- und Erdöllagerstätten müssen geortet und neu abgedichtet werden, sollen sie als CO2Speicher genutzt werden.
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Was kostet die CCS-Technologie? Die CO2-Abscheidung und Speicherung ist nach augenblicklichem Stand der Technik noch mit erhöhten Kosten verbunden. Die CO2-Abscheidung ist das kostenbestim-
Kostenkalkül mit einbezogen, belaufen sich die
Für einzelne Wirtschaftsbranchen bestehen
mende Glied in der Prozesskette Abscheidung –
Kosten für Transport und Speicherung auf etwa
schon heute kommerzielle Anreize, beispiels-
Transport – Speicherung. Dies liegt hauptsäch-
10 - 24 € pro Tonne vermiedenes CO2.
weise durch die Injektion von CO2 in versiegen-
Neueren Berechnungen zufolge könnten die
de Erdöl- und Erdgaslagerstätten, um deren Pro-
gründet, der den Wirkungsgrad des Kraftwerks
CO2-Vermeidungskosten bis 2020 jedoch auf
duktionsraten zu steigern. Mitentscheidend
verringert: bei kohlebefeuerten Anlagen um 8
Werte zwischen 35 und 50 € / tCO2 sinken.
wird jedoch die Entwicklung der Preise für Emis-
bis 15 Prozentpunkte, bei gasbefeuerten Kraft-
Sollten – wie derzeit geplant – bis 2020 kom-
sionszertifikate sein. Die Europäische Kommis-
werken um 9 bis 12 Prozentpunkte. Allein für
merziell einsatzfähige CCS-Kraftwerke zur Ver-
sion hat bereits signalisiert, CCS in den europä-
die Abscheidung werden derzeit zusätzliche
fügung stehen, muss von Stromgestehungs-
ischen Emissionshandel aufzunehmen. Das
Kosten in Höhe von bis zu 50 Euro pro Tonne
kosten frei Kraftwerk zwischen 6,5 bis 7 ct/kWh
Deutsche Institut für Wirtschaftsforschung
CO2 veranschlagt. Hinzu kommen die Kosten
ausgegangen werden.
(DIW) kommt zu dem Schluss, dass eine Strom-
lich in dem zusätzlichen Energieaufwand be-
für den Transport und die Speicherung. Ver-
erzeugung aus emissionsfreien Kohlekraftwer-
glichen mit den Zusatzkosten für die CO2-Ab-
Der internationale Klimarat (IPCC) veran-
ken ab einem Zertifikatspreis von über 30 Euro
scheidung sind die Transportkosten eher von
schlagt in seinem Sondergutachten 2005 fol-
pro Tonne wirtschaftlich werden könnte. Wei-
untergeordneter Bedeutung: 1-10 € pro Tonne
gende Kosten: Abscheidung: 15 bis 75 US$/
tere Kostenanreize entstehen durch die Weiter-
CO2 werden derzeit kalkuliert, je nach Entfer-
tCO2; Transport: 1 bis 8 US$/tCO2 je 250 Kilo-
entwicklung und Optimierung der CCS-Tech-
nung und Transportart. Je näher sich also ein
meter; Speicherung und Überwachung: 0,51 bis
nologien oder durch Exportmöglichkeiten der
potenzieller Speicher zum Kraftwerk befindet,
8,3 US$/tCO2.
Technologie. Nach Angaben der IEA werden bei-
desto günstiger. Bezogen auf die Gesamtkosten
spielsweise in China jedes Jahr 20 bis 25 GW
einer CCS-Kette macht der Transportanteil circa
neuer Kohlekraftwerksleistung installiert.
10 Prozent aus. Wird auch die Speicherung ins 25
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Die CCS-Technologie – Ein innovatives Forschungsfeld Schon heute darf davon ausgegangen werden, dass die CCS-Technologie einen technisch machbaren und ökologisch akzeptablen Beitrag zur Reduzierung der anthropogenen CO2Emissionen leisten kann. Für einen großtechnischen Einsatz fehlt es derzeit
2011 circa 45 Millionen Euro für Forschungsarbeiten
aber noch an verlässlichen Daten, insbesondere was
zur Verfügung. Derzeit werden mehr als 20 interdiszi-
die langfristig sichere Speicherung des Treibhausgases
plinäre Forschungsverbünde gefördert, in denen Un-
im Untergrund angeht. Hier bestehen derzeit noch
ternehmen mit Universitäten und anderen Wissen-
offene Fragen. Sie sind Gegenstand zahlreicher natio-
schaftsinstitutionen zusammenarbeiten. Die For-
naler wie internationaler Forschungsprogramme, in
schungsprojekte konzentrieren sich neben der Aus-
denen Wissenschaftler und ihre Kollegen aus der In-
wahl und Untersuchung von möglichen Speicherop-
dustrie eng zusammenarbeiten. Größte Bedeutung
tionen insbesondere auf die Entwicklung von verläss-
kommt dem Nachweis zu, dass das CO2 auch in gro-
lichen Methoden und Technologien zur dauerhaften
ßen Mengen langfristig und ohne Gefahr für Mensch
Überwachung geeigneter Standorte. Bislang sind viele
und Natur im Untergrund gelagert werden kann.
der Forschungsarbeiten auf Laborversuche beschränkt oder werden im Modellmaßstab simuliert. Verlässliche
26
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung
Aussagen sind jedoch nur möglich, wenn die neue
(BMBF) hat die Verantwortung für die geologische
Technologie realitätsnah in Pilot- und Demonstrations-
Speicherung von CO2 übernommen. Im Rahmen des
projekten getestet wird. In zwei standortspezifischen
FuE-Programms GEOTECHNOLOGIEN stehen dafür bis
Pilotprojekten in der Altmark (Sachsen-Anhalt) und in
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Das europäische Forschungsprojekt CO2-SINK
IIm brandenburgischen Ketzin, wenige Kilometer westlich von Berlin, entsteht unter Leitung des GeoForschungsZenSchleswig-Holstein, sollen daher die Speicher- und Sicher-
trums Potsdam die europaweit erste landgestützte Pilotan-
heitstechnologien unter realistischen Bedingungen vor Ort
lage, die in großem Stil CO2 in den Untergrund injiziert.
getestet werden. Das Bundesministerium für Wirtschaft und
Insgesamt 60.000 Tonnen sollen hier ab Herbst 2008 in
Technologie (BMWi) unterstützt in dem Forschungspro-
800 Meter tiefe, poröse und salzwassergesättigte Sand-
gramm COORETEC die Entwicklung neuer und verbesserter
steine (Typ: Deep Saline Aquifer) gepumpt werden. In an-
Technologien zur CO2-Abscheidung und Effizienzsteigerung
geschlossenen Langzeitexperimenten wird mit einem gro-
zukünftiger Kraftwerke.
ßen technologischen Aufgebot das Verhalten von CO2 im Untergrund untersucht. Dazu gehören Analysen von Ge-
CCS ist eine noch junge Technologie, für die auch rechtliche
steinsproben, die Untersuchung von Wasserproben und
Rahmenbedingungen geschaffen werden müssen. Für die
Mikroorganismen aus dem Untergrund, Messungen und
geologische Speicherung von CO2 wird derzeit unter Feder-
Experimente in Bohrlöchern, geophysikalische und geo-
führung der Europäischen Kommission ein Rechtsrahmen er-
chemische Überwachungen an der Erdoberfläche und in
arbeitet. Wird er von den Mitgliedsstaaten akzeptiert und in
der Tiefe sowie theoretische Vorhersagemodelle. Mit die-
nationales Recht überführt, werden ab 2009 verbindliche
sen Untersuchungen werden die Dichtigkeit und die
Rechtsvorschriften zur geologischen Speicherung von CO2 be-
Sicherheit potenzieller CO2-Speichergesteine vor Ort gete-
stehen. Erst am Anfang steht die Wahrnehmung der Tech-
stet und beurteilt. Zum ersten Mal – weltweit – wird auch
nologie in der Öffentlichkeit. Noch sind es weitestgehend die
die Ausbreitung des CO2 direkt am Ort der Injektion im
Vertreter aus der Politik, der Wirtschaft und den Umwelt-
Untergrund zu beobachten sein. Insgesamt 14 internatio-
verbänden, die sich mit dieser Technologie befassen. Für den
nale Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft sind an die-
Erfolg ihrer praktischen Umsetzung aber ist es unumgänglich,
sem Großversuch beteiligt, der maßgeblich durch die
die Akzeptanz einer sehr viel breiteren Öffentlichkeit zu erlan-
Europäische Kommission gefördert wird.
gen. Wesentlicher Bestandteil zukünftiger Forschungs- und Demonstrationsvorhaben wird daher auch die transparente Information gegenüber der Allgemeinheit sein. 27
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FuE-Programm
Fรถrderung/ Partner
FuE-Fokus
Weitere Information
CO2SINK
Deutschland/EU
Speicherung von CO2
www.co2sink.org
GEOTECHNOLOGIEN
Deutschland
Speicherung von CO2
www.geotechnologien.de
COORETEC
Deutschland
Abscheidung von CO2
www.cooretec.de
PICOREF
Frankreich
Speicherung von CO2
www.ifp.fr
CATO
Niederlande
Abscheidung, Speicherung von CO2
www.CO2-cato.nl
CO2CRC
Australien
Abscheidung, Speicherung von CO2
www.co2crc.com.au
Carbon Sequestration Partnership Program
USA
Abscheidung, Speicherung von CO2
www.netl.doe.gov/sequestration
Future Gen
USA
Abscheidung, Speicherung von CO2
www.fossil.energy.gov/programs/powersystems/futuregen/
Carbon Mitigation Initiative
USA
Abscheidung, Speicherung von CO2
www.princeton.edu/~cmi
The Global Climate and Energy Project
USA
Abscheidung, Speicherung von CO2
http://gcep.stanford.edu/
CO2GEONET
EU
Speicherung von CO2
www.co2geonet.com
CASTOR
EU
Abscheidung, Speicherung von CO2
www.co2castor.com
Abscheidung von CO2
www.encapco2.org/
ENCAP CO2STORE
EU
Speicherung von CO2
www.co2store.org
Weyburn
EU
Speicherung von CO2
www.ieagreen.org.uk/glossies/weyburn.pdf
ETP ZEP
EU
Abscheidung, Speicherung von CO2
www.zero-emissionplatform.eu
CO2 Capture Project
Weltweit operierendes Industriekonsortium
Abscheidung, Speicherung von CO2
www.co2captureproject.org
IEA Greenhouse Gas R&D-Programme
Weltweit operierendes Forschungsnetzwerk
Abscheidung, Speicherung von CO2
www.ieagreen.org.uk/
Laufende nationale und internationale Forschungsprogramme zur CCS-Technologie (Auswahl)
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CCS – Eine grenzüberschreitende Technologieentwicklung Carbon Capture and Storage (CCS) ist nicht nur in Deutschland ein Thema. Weltweit wird diese Technologie inzwischen ernsthaft in Erwägung gezogen, um den anthropogenen CO2-Ausstoß zu reduzieren. In Europa ist es die Europäische Kommission,
cherung von CO2. Weltumspannend sind die
die bereits seit etlichen Jahren einschlägige FuE-
Forschungsaktivitäten im Rahmen des »Carbon
Programme zu diesem Thema fördert. In der
Sequestration Leadership Forum (CSLF)« und
European Technology Platform for Zero Emis-
des »Greenhouse Gas R&D-Programme« der
sion Fossil Fuel Power Plants (ETP-ZEP) sitzen
Internationalen Energie Agentur (IEA). Deutsch-
beispielsweise wichtige europäische Unterneh-
land ist Mitglied dieser beiden internationalen
men, Forschungsinstitutionen und Nicht-Regie-
Initiativen. Parallel zu den staatlich geförderten
rungs-Organisationen an einem Tisch, um die
FuE-Aktivitäten haben zahlreiche internationale
ökologischen, ökonomischen und technologi-
Energiekonzerne ihrerseits die Initiative ergriffen
schen Perspektiven der CCS-Technologie auszu-
und konkrete Forschungs- und Demonstra-
loten. In den USA fördert das Department of
tionsvorhaben gestartet, unter anderem in der
Energy im Rahmen seines »Carbon Sequestra-
algerischen Sahara, in Frankreich, Norwegen
tion Partnership Programs« verschiedene Pilot-
und Deutschland.
projekte zu Abscheidung, Transport und Spei-
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Sand-/Kalksteine (EOR) 3
4
7
10
9
Sand-/Kalksteine (EGR) 14
12
15
11 Salinarer Aquifer Kohle Mineralische Bindung
≥ 1 Mio. t CO2 /Jahr
≥ 100.000 t CO2 /Jahr < 100.000 t CO2 /Jahr
2
13
6
5
1
8
In Pilot- und Demonstrationsvorhaben werden weltweit die Möglichkeiten der CO2-Injektion in den tiefen Untergrund ausgelotet. (siehe auch nebenstehende Tabelle).
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Lfd. Nr.
Projekt
Land
Start der CO2-Injektion
Tonnage
Geplante Gesamttonnage
Lagerstättentyp
1
Gorgon
Australien
~2012
Ca. 10.000 t/Tag
k.A.
Sandsteine, salinarer Aquifer
2
Carson
USA
2011
4.000.000 t/Jahr
k.A.
Sandsteine, EOR
3
Sleipner
Norwegen
1996
1.000.000 t/Jahr
Ca. 20.000.000
Sandsteine, salinarer Aquifer
4
Weyburn
Kanada/USA
2000
Max. 5.000 t/Tag
> 20.000.000
Kalksteine, EOR
5
In Salah
Algerien
2004
Max. 4.000 t/Tag
17.000.000
Sandsteine
6
K12B
Niederlande
2004
Max. 1.000 t/Tag
8.000.000
Sandsteine, EGR
7
Snøhvit
Norwegen
2008
700.000 t/Jahr
> 7.000.000
Sandsteine, salinarer Aquifer
8
Otway Basin
Australien
2008
150 t/Tag
100.000
Sandsteine
9
Altmark
Deutschland
2010
–
100.000
Sandsteine, EGR
10
Ketzin
Deutschland
2008
100 t/Tag
60.000
Sandsteine, salinarer Aquifer
11
Minami-Nagaoka
Japan
2003
40 t/Tag
10.000
Sandsteine, salinarer Aquifer
12
Deccan Vulkan Province
Indien
k.A.
k.A.
2.000
Mineralische Bindung in Basaltgesteinen
13
Frio
USA
2004
177 t/Tag
1.600
Sandsteine, salinarer Aquifer
14
Kattowitz/ RECOPOL
Polen
2004
k.A.
760
Kohleflöze, ECBM
15
Qinshui Basin
China
2003
30 t/Tag
150
Kohleflöze, ECBM
Daten: IPCC-Special Report, 2005; persönliche Mitteilungen
31
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Glossar Adsorption
Aquifer
Gigajoule (GJ)
Beim Vorgang der Adsorption (lat.: adsorptio
Ursprünglich aus dem englischen Sprachraum
1 Gigajoule = 109 J = 1000 Megajoule (Energie-
bzw. adsorbere = (an)saugen) lagert sich ein
stammender Begriff. Bezeichnet im weitesten
einheit).
Atom oder Molekül aus einem Gas oder einer
Sinne einen Gesteinskörper mit Hohlräumen,
Flüssigkeit an einer inneren Oberfläche des Ad-
der zur Abgabe und Weiterleitung von signifi-
Gigatonne (Gt)
sorbens (Plural: Adsorbentien) an. Im Unter-
kanten Wassermengen geeignet ist.
Die Gigatonne (Gt) ist eine Masseneinheit. Eine Gigatonne entspricht einer Milliarde (109)
schied dazu bezeichnet die Absorption die EinBarrel
freie Volumen eines Festkörpers bzw. einer
Das Barrel (engl. Fass) ist unter anderem
Flüssigkeit.
eine Maßeinheit für Erdölprodukte. 1 Barrel
Gigawatt (GW)
sind 159 Liter.
1 Gigawatt = 109 W = 1000 Megawatt (Leistungseinheit).
Affinität In der Chemie ist Affinität die Triebkraft einer
ECBM
chemischen Reaktion, nämlich das Bestreben
Enhanced Coalbed Methane. Gewinnung von
IPCC
von Atomen oder Atomgruppen, eine Bindung
Flözgas aus Kohlevorkommen.
Der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen, englisch Intergovernmental Panel on
einzugehen (Reaktionsaffinität). Beruht hingegen eine Bindung allein auf elektrostatischer
Fossil
Climate Change (IPCC), wurde 1988 vom
Anziehung der Bindungspartner, spricht man
Als Fossil (von lat. fossilis (aus)gegraben) be-
Umweltprogramm der Vereinten Nationen
von Bindungsaffinität.
zeichnet man jedes Zeugnis vergangenen
UNEP und der Weltorganisation für Meteo-
Lebens aus der Erdgeschichte. Die fossilen Ener-
rologie (WMO) ins Leben gerufen. Das Panel
Anthropogen
gieträger Erdöl, Erdgas und Kohle haben sich
hat die Hauptaufgabe, Risiken des Klima-
Der Begriff anthropogen (vom griechi-
demnach im Verlauf der Erdgeschichte aus
wandels zu beurteilen und Vermeidungsstra-
schen anthropos = Mensch und von gene-
pflanzlichen und tierischen Lebewesen gebildet.
tegien zusammenzutragen. Der Sitz des IPCCSekretariats befindet sich in Genf.
se = Erzeugung/Erschaffung) bezeichnet
32
Tonnen oder einer Billion (1012) Kilogramm.
lagerung eines Atoms oder Moleküls in das
alles vom Menschen Beeinflusste, Verur-
FuE
sachte oder Hergestellte.
Forschung und Entwicklung.
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Seite 33
Kalzit
Kyoto-Protokoll
ppm
Kalzit, auch Calcit oder Kalkspat, ist ein Mineral
Das Kyoto-Protokoll (benannt nach dem Ort der
(Parts per Million), 10-6, ein millionstel Teil.
mit der chemischen Formel CaCO3. Farbe: Weiß
Konferenz Kyoto in Japan) schreibt verbindliche
oder farblos. Es ist als gesteinsbildendes
Ziele für die Verringerung des Ausstoßes von
Schlagwetter
Mineral eines der häufigsten in der Erdkruste.
Treibhausgasen fest, welche als Auslöser der glo-
Schlagwetter ist ein Begriff aus der Bergmanns-
balen Erwärmung gelten. Die Zunahme dieser
sprache. Er bezeichnet im Kohlebergbau, je-
Kilowattstunde (kWh)
Treibhausgase wird großteils auf menschliche
doch auch im Salz- und Erzbergbau unter Tage
Kilowattstunde (kWh) ist die am häufigsten im
Aktivitäten zurückgeführt, insbesondere auf das
austretendes Grubengas (Methangas), welches,
allgemeinen Gebrauch verwendete Einheit für
Verbrennen fossiler Brennstoffe. Die reglemen-
mit Luft gemischt, explosiv reagiert (Schlag-
Energie oder Arbeit. Wenn beispielsweise eine
tierten Gase sind: Kohlendioxid (CO2, dient als
wetterexplosion). Als Wetter bezeichnet der
Solaranlage mit der Leistung von einem
Referenzwert), Methan (CH4), Distickstoffoxid
Bergmann die Gesamtheit der in einem Berg-
Kilowatt eine Stunde lang elektrische Energie
(Lachgas, N2O), teilhalogenierte Fluorkohlenwas-
werk befindlichen Luft.
(umgangssprachlich: Strom) produziert, so ent-
serstoffe (H-FKW/HFCs), perfluorierte Kohlen-
spricht das einer Energiemenge von einer
wasserstoffe (FKW/PFCs) und Schwefelhexa-
Treibhausgas
Kilowattstunde.
fluorid (SF6).
Treibhausgase sind gasförmige Stoffe, die zum
Kohlendioxid
LNG
natürlichen als auch einen anthropogenen Ur-
Kohlendioxid (CO2) ist eine chemische Verbin-
LNG ist die Abkürzung für Liquefied Natural
sprung haben können. Die wichtigsten natür-
dung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und ein
Gas, englisch für Flüssigerdgas.
lichen Treibhausgase sind Wasserdampf, Koh-
Treibhauseffekt beitragen und sowohl einen
farb- und geruchloses Gas. Es ist ein natürlicher Bestandteil der Luft und entsteht sowohl bei
lendioxid und Methan. Sie heben die durchMegawatt (MW): 6
schnittliche Temperatur an der Erdoberfläche
der vollständigen Verbrennung von kohlen-
1 Megawatt = 10 W = 1.000 Kilowatt. Ein ein-
um etwa 30 °C auf +15 °C an. Ohne diesen
stoffhaltigen Substanzen unter ausreichendem
zelnes Steinkohlekraftwerk hat eine typische
natürlichen Treibhauseffekt hätte die untere
Sauerstoff als auch im Organismus von
elektrische Leistung von bis zu 700 Megawatt.
Atmosphäre im globalen Mittel nur -18 °C.
Lebewesen als Produkt der Zellatmung. Das
Künstliche Treibhausgase der Luft sind das
CO2 wird dabei über den Atem abgegeben.
Methan
Distickstoffoxid (Lachgas, N2O, Beitrag etwa
Umgekehrt sind Pflanzen in der Lage, CO2
Methan (CH4) – auch Sumpfgas genannt – ist ein
6 %), Fluorkohlenwasserstoffe (FKW bzw.
durch die Kohlenstoffdioxid-Fixierung in Bio-
farbloses und geruchloses Gas. Methan ist der
H-FKW), Schwefelhexafluorid (SF6) und fluo-
masse umzuwandeln. So produzieren Pflanzen
Hauptbestandteil von Erdgas und Biogas. Nach
rierte Chlorkohlenwasserstoffe (FCKW).
beispielsweise bei der Photosynthese aus anor-
Kohlendioxid ist es das bedeutendste Treibhaus-
ganischem CO2 Glukose.
gas, wobei es 20- bis 30-mal wirkungsvoller ist, allerdings in kleineren Mengen in der Atmosphäre vorkommt. 33
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Anhang Mehr zum Thema CCS (Auswahl aktueller Schriften und Berichte): Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (2007): Leuchtturm COORETEC – Der Weg zum zukunftsfähigen Kraftwerk mit fossilen Brennstoffen; Forschungsbericht No. 566 Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (2005): Dokumentation Nr. 545; EWI/Prognos-Studie »Die Entwicklung der Energiemärkte bis zum Jahr 2030«; Energiewirtschaftliche Referenzprognose, Energiereport IV – Kurzfassung Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2006): Energieversorgung für Deutschland; Statusbericht für den Energiegipfel am 3. April 2006 Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2007): RECCS Strukturell-ökonomisch-ökologischer Vergleich regenerativer Energietechnologien (RE) mit Carbon Capture and Storage (CCS) (http://www.bmu.de/erneuerbare_energien/downloads/ doc/38826.php) Dooley, J.J. (2006): Carbon Dioxide Capture and Geologic Storage – A Core Element of Global Energy Technology Strategy to Address Climate Change; Global Energy Technology Strategy Program; April 2006
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ECOFYS (2007): Sustainability framework for Carbon Capture and Storage; Januar 2007 Fischedick et al. (2007): Geologische CO2-Speicherung als klimapolitische Handlungsoption – Technologien, Konzepte, Perspektiven, Wuppertal Spezial 35, Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH, 2007 Intergovernmental Panel on Climate Change (2005): Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, September 2005
Umweltbundesamt (2006): Technische Abscheidung und Speicherung von CO2 – nur eine Übergangslösung; Positionspapier des Umweltbundesamtes zu möglichen Auswirkungen, Potenzialen und Anforderungen; Dessau, August 2006 (http://www.umweltdaten.de/ publikationen/fpdf-l/3074.pdf) VGB Powertec EV (2004): CO2 Capture and Storage, VGB Report on the State of the Art, Essen, 2004
International Energy Agency (2005): IEA; Key World Energy Statistics, 2005
Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (2003): Über Kioto hinaus denken – Klimaschutzstrategien für das 21. Jahrhundert; WBGU-Sondergutachten
Kemfert, Claudia (2005): Klimaschutz im deutschen Strommarkt: Chancen für Kohletechnologien durch CO2-Abscheidung und -Speicherung; DIW Wochenbericht No. 16/2005; S. 243-248
Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (2006): Die Zukunft der Meere – zu warm, zu hoch, zu sauer; WBGU-Sondergutachten
Rat für Nachhaltige Entwicklung (2003): Perspektiven der Kohle in einer nachhaltigen Energiewirtschaft – Leitlinien einer modernen Kohlepolitik und Innovationsförderung – texte No. 4; Oktober 2003
Ziesing, Hans-Joachim (2005): Stagnation der Kohlendioxidemissionen in Deutschland im Jahre 2004; DIW Wochenbericht 9/2005
Stroink, Ludwig (2006): Underground Storage of CO2 in Germany; IEA Greenhouse Gas R&D-Programme; Greenhouse Issues, No. 81, March 2006
Ziesing, Hans-Joachim (2006): CO2-Emissionen in Deutschland im Jahre 2005 deutlich gesunken. DIW Wochenbericht, No.12/2006
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Thematisch relevante Webseiten Nachfolgend sind einige informative Webseiten aufgelistet, die einen weiteren Einblick in die CCS-Technologie ermöglichen. Sie komplettieren die Liste der Internetadressen aus der Tabelle »Forschungsprogramme«: 1. www.wbgu.de/wbgu_sn2006.html (WBGU-Sondergutachten, 2006: Die Zukunft der Meere – zu warm, zu hoch, zu sauer) 2. www.bmu.de/erneuerbare_energien/downloads/doc/ 38826.php (Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Naturschutz, Umwelt und Reaktorsicherheit: RECCS Strukturell-ökonomisch-ökologischer Vergleich regenerativer Energietechnologien mit Carbon Capture and Storage, 2007) 3. www.umweltbundesamt.de/energie/archiv/CC-4-2006-Kurzfassung.pdf (Verfahren zur CO2-Abscheidung und -Speicherung; Studie im Auftrag des BMU, 2006) 4. www.co2captureandstorage.info/co2db.php (Datenbank aller derzeit laufenden FuE und Demonstrationsprojekte weltweit) 5. www.iea.org/ (Internationale Energie Agentur) 6. www.ipcc.ch/ (IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change) 7. www.geotechnologien.de (FuE-Programm GEOTECHNOLOGIEN) 8. www.zero-emissionplatform.eu/website/ (European Technology Platform for Zero Emission Fossil Fuel Power Plants, ETP-ZEP) 9. www.fossil.energy.gov/programs/powersystems/futuregen/ (US-amerikanisches Forschungsprogramm Future Gen) 10. www.cslforum.org (Carbon Sequestration Leadership Forum, weltweit operierende Plattform zur CCS-Technologie) 11. www.ieagreen.org.uk/ (Internationales Forschungsnetzwerk zum Thema Carbon, Capture and Storage) 12. www.iz-klima.de/ (Informationszentrum Klimafreundliches Kohlekraftwerk) 13. www.globalccsinstitute.com/ (The Global Carbon Capture and Storage Institute (Global CCS Institute)
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Die europ채ische Pilotanlage CO2SINK zur unterirdischen CO2-Speicherung im brandenburgischen Ketzin.
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Kontakt: Dr. Ute M端nch Koordinierungsb端ro GEOTECHNOLOGIEN Telegrafenberg, 14473 Potsdam Tel. 0331-288 10 71 www.geotechnologien.de Das Forschungs- und Entwicklungsprogramm GEOTECHNOLOGIEN wird durch das Bundesministerium f端r Bildung und Forschung (BMBF) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gef旦rdert.
Impressum: Konzept, Text: Dr. Ludwig Stroink Grafik, Design: Grit Schwalbe Gedruckt auf Zanders Mega Silk. Nach dem internationalen Umweltstandard (PEFC) zertifiziert. 3. Auflage, Dezember 2009