Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen – eine Grundlage zur klimafreundlichen geo- und energietechnischen Nutzung des tiefenUntergrundes

Umwelt und Geologie

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen – eine Grundlage zur klimafreundlichen geo- und energietechnischen Nutzung des tiefenUntergrundes

Wiesbaden, 2009

Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie

Impressum

Umwelt und Geologie

ISSN 1617-4038ISBN 978-3-89026-355-7

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen – eine Grundlage zur klimafreundlichen geo- und energietechnischen Nutzung des tiefen Untergrundes

Bearbeitung: Anne Kött, HLUGDr. Matthias Kracht, HLUG

Titelbild: Sondenkopf (Foto: Dr. Johann-Gerhard Fritsche)

Layout: Hermann Brenner

Herausgeber:

Hessisches Landesamt für Umwelt und GeologieRheingaustraße 18665203 Wiesbaden

Telefon: 0611 69 390Telefax: 0611 69 39555www.hlug.de

Der Herausgeber übernimmt keine Gewähr für die Richtigkeit, Genauigkeit und Vollständigkeit der Angaben sowie für die Beachtung privaterRechte Dritter. Nachdruck – auch auszugsweise – nur mit schriftlicher Genehmigung des Herausgebers.

3

Inhalt

Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 CO2-Speicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3 Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4 Möglichkeiten und Ausschlussgebiete der CO2-Speicherung in Hessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.1 Ausschlussgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2 Potenzielle Speicher und Deckschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4.2.1 Tiefe salinare Aquifere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4.2.2 Entleerte Erdöl- und Erdgaslagerstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.2.3 Kohlenlagerstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.2.4 Salzlagerstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5 Speicherung und konkurrierende Nutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

6 Zusammenfassung der Ergebnisse für Hessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

7 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

8 Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

9 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Großmaßstäbige Informationen zu Bodenfunktionen und -eigenschaften auf Grundlage der Bodenschätzung für Hessen und Rheinland-Pfalz

4

Im Rahmen des integrierten Klimaschutzprogramms für Hessen (= INKLIM 2012 II plus) des Hessischen Mini-steriums für Umwelt, ländlicher Raum und Verbraucherschutz (HMULV) wurde vom Hessischen Landesamt fürUmwelt und Geologie (HLUG) die Eignung des Untergrundes zur dauerhaften Einlagerung von CO2 im Rahmeneiner Vorstudie untersucht. Hierbei wurden die verschiedenen Speichermöglichkeiten in Hessen (Speicherungdurch künstliche Mineralisierung, in ausgeförderten Erdgas- und Erdölfeldern, Salzstöcken, Kohlenflözen sowiein salinaren Aquiferen) beleuchtet und deren gesteinsspezifische Eigenschaften, Tiefenlage, Speichersicherhei-ten durch überlagernde Deckgesteine und mögliche konkurrierende Nutzungen aufgezeigt.

Die Einlagerung von CO2 durch Injektion mit Druck ist in natürlich vorhandenen (Kluft- und Porenvolumen) undkünstlich geschaffenen Hohlraumvolumen in Gesteinen des tieferen (>800–1000 m) Untergrundes möglich.Die Schichtenverzeichnisse der Bohrungen aus dem Archiv des HLUG lassen Aussagen über die Tiefenlage derfür die CO2-Einlagerung in Frage kommenden Schichten zu. Es wurden insgesamt ca. 1200 Bohrungen gesich-tet, von denen nur etwa 500 Bohrungen tiefer als 500 m und knapp 200 tiefer als 800 m sind. Als Ergebnis wur-den Karten mit dazugehörigen Tiefenlinienplänen für geologische Einheiten gezeichnet.

In Hessen kann die Speicherung durch künstliche Mineralisierung sowie in Salzstöcken bzw. Kohlenflözen aus-geschlossen werden. In Frage kommen ausgeförderte Erdöl- und Erdgasfelder und salinare Aquifere. Dies wirdim Rahmen einer länderübergreifenden, bundesweiten Studie auch für Hessen zu verifizieren sein.

Vorwort

Einleitung

1 Einleitung

Unter CO2-Speicherung oder CO2-Sequestrierungversteht man die dauerhafte (d.h. möglichst längerals 10 000 Jahre), sichere Endlagerung oder Deponie-rung von CO2 unterhalb der Erdoberfläche. Zur Einla-gerung von CO2 werden die natürlich vorhandenenoder künstlich geschaffenen Hohlräume in Gesteinendes tieferen Untergrundes genutzt. Die effektiveNutzung dieses Speicherpotenzials setzt eine hoheVerdichtung des CO2 (möglichst >600 kg/m³) voraus.

Ab einer bestimmten Tiefe sind in der Regel alleHohlräume unterhalb der Erdoberfläche wasserer-füllt. Die Löslichkeit von CO2 in Wasser (RADGEN etal. 2005):• steigt mit steigendem pH-Wert• steigt mit zunehmendem Druck• sinkt mit steigender Salinität• sinkt mit zunehmender Temperatur.

Die für die Injektion des CO2 erforderlichen Druck-und Temperaturverhältnisse werden, bei einem hy-drostatischen Druckgradienten von ca. 10 MPa/km,

i.A. ab Tiefen von 800–1000 m unterhalb derGeländeoberkante erreicht (RADGEN et al. 2005).Der in diesen Tiefen jedoch hohe Anteil an gelöstenIonen (Salinität) im Grundwasser, hohe geothermi-sche Gradienten sowie Verunreinigungen des in denKraftwerken abgeschiedenen CO2 können dazu füh-ren, dass eine effektive Einspeisung erst in deutlichgrößeren Tiefen möglich ist (siehe Abb. 1).

Durch den in Tiefen >800 m herrschenden Druckbesitzt das CO2 etwa die gleiche Dichte wie Salzwas-ser, wodurch es dieses zusätzlich auch aus den Ge-steinskapillaren verdrängen kann (kapillarer Schwel-lendruck). Liegt nun der geplante Speicherdruckdeutlich über dem initialen Lagerstättendruck, be-steht die Gefahr, dass langfristig Gas nach oben mi-grieren kann. Daher muss über dem geplanten Spei-cher eine impermeable (undurchlässige) Deck-schicht mit einem möglichst hohen Mindestsperr-druck liegen. Der maximale und minimale Speicher-druck wird also durch das mechanische Materialver-halten des umgebenden Gesteins bestimmt.

2 CO2-Speicherung

5

Seit Beginn der Industrialisierung ist der Anteil anTreibhausgasen in der Atmosphäre kontinuierlich an-gestiegen. Diese sind maßgeblich an der globalenKlimaerwärmung beteiligt. Vor allem das bei der Ver-brennung fossiler Rohstoffe (vor allem Kohle, Erdöl,Erdgas, Biokraftstoffe) freiwerdende Kohlenstoffdio-xid (CO2) wird mit einem Anteil von ca. 60 % an denGesamtemissionen für den so genannten Treibhaus-effekt verantwortlich gemacht.

Die EU hat sich unter deutscher Ratspräsidentschaftverpflichtet, den Ausstoß von Treibhausgasen biszum Jahr 2020 um mindestens 20 % unter den Wertvon 1990 zu senken (das Kyoto-Protokoll sieht durch-schnittlich 5,2 % vor) und den Anteil regenerativerEnergien am Gesamtverbrauch auf 20 % zu steigern.

In dem vom Weltklimarat (IPCC=IntergovernmentalPanel on Climate Change) herausgegebenen Klima-bericht (WG III 2001) wird die Abscheidung des inKraftwerken entstehenden CO2 und dessen Speiche-rung in tieferen geologischen Formationen als eine

Option angegeben, um das CO2 für möglichst langeZeiträume der Atmosphäre zu entziehen. Eine Richt-linie, die den Rechtsrahmen für die Speicherung vonCO2 regelt, wurde von der EU-Kommission erarbei-tet (Legislative Entscheidung des Europäischen Par-laments vom 17. Dez. 2008 zum Proposal for a di-rective of the european parliament and of the coun-cil on the geological storage of carbon dioxide).

Nach dem geplanten Kernenergieausstieg inDeutschland ist es dringend erforderlich, Technolo-gien zu entwickeln, die den Anforderungen an Um-weltverträglichkeit, Nachhaltigkeit, Sicherheit undWirtschaftlichkeit genügen. Die regenerativen Ener-gien können derzeit den Bedarf noch nicht ausrei-chend decken. Daher sollen fossile Brennstoffe wei-terhin genutzt werden. Für die dabei entstehendenCO2-Mengen müssen geeignete Abscheidungs- undSpeicherungstechnologien (Carbon Dioxide Captureand Storage [CCS]-Prozess) gefunden werden, umden weiteren CO2-Anstieg in der Atmosphäre zu ver-ringern.

Mit zunehmender Tiefe nimmt aufgrund der Auflastdie Porosität der Gesteine ab. Dies ist u.a. abhängigvon der Lithologie und dem Durchmesser der Einzel-körner. Eine genaue Vorhersage, wieviel Prozent derPorosität der in Frage kommenden Speichergesteinemit steigender Tiefe verloren geht, ist nicht zu tref-fen.

Falls Abschätzungen über das Hohlraumvolumen derjeweiligen Gesteine möglich sind, so ist damit nochnicht bekannt, welcher Teil der Kapazitäten auchtechnisch nutzbar ist. Die volumetrische Speicherka-pazität ist daher als Maximalwert anzusehen. AlsSpeichereffizienz bezeichnet man den Anteil desvom CO2-erfüllten Volumens am Gesamtporenvolu-men des Speichers. Kapazitätsabschätzungen gehenvon einer durchschnittlichen Speichereffizienz von10–20 % aus (Gemeinsamer Bericht des BMWi,BMU und BMBF für die Bundesregierung vom Sep-tember 2007).

Die Speichereffizienz ist jedoch nicht nur vom Un-tergrund, sondern auch von Anforderungen an dieNutzung der Strukturen, den gewählten Speicher-strategien sowie der Reinheit des abgeschiedenenCO2 abhängig (siehe Abb. 1).

Außerdem kann die Mobilisation von Feststoffendurch die aggressiven, kohlensauren heißen Lösun-gen während der Injektion u.a. zu chemischen Reak-tionen, Änderung der Permeabilität (gesteinsspezi-fisch und nicht vorhersehbar), Dichte- und Volumen-schwankungen sowie unerwünschtem Entweichen(Leckage) führen.

Grundsätzlich kommen zur Speicherung von CO2 inHessen folgende Möglichkeiten in Frage (siehe auchAbb. 2):• Injektion in tiefe salinare Aquifere (Poren-, Kluft-

und Karstgrundwasserleiter), also in Gesteins-schichten, die aufgrund ihres Hohlraumvolumens(Porosität) und ihrer Durchlässigkeiten (Permeabi-lität) die Fähigkeit besitzen, Flüssigkeiten und Ga-se transportieren und speichern zu können,

• Deponierung in entleerten Erdgas- und Erdölfel-dern, die bereits über geologische Zeiträume ihreSpeichersicherheit bewiesen haben und meistsehr gut erkundet sind,

• CO2-Sequestrierung in stillgelegten Kohlengru-ben und tiefen, nicht abbauwürdigen Kohlenflö-zen,

• CO2-Speicherung in Salzkavernen, die sich theo-retisch sehr gut als Speicher eignen, da die Salzla-

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen

6

Abb. 1: Abhängigkeit der Dichte des CO2 von verschiedenen Einflussfaktoren (verändert nach CHADWICK et al. 2007).a: CO2-Dichteverhältnis in Abhängigkeit von der Tiefe bei angenommenem hydrostatischem Druck für durchschnittliche Tempe-

raturgradienten (blau), für erhöhte Temperaturgradienten (45 °C/1000 m, rot) und bei hoch konzentrierten Salzlösungen (grün).

b: CO2-Dichteverhältnis bei reinem CO2 (blau) und verunreinigtem CO2 (rot) in Abhängigkeit von der Tiefe.

2000

0

1000

Tief

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0 200 400 600 800Dichte [kg/m3]

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Tief

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50000 200 400 600

Dichte [kg/m3]

a b

CO2-Speicherung

gen in der Regel eine weitgehend gas- und flüssig-keitsundurchlässige Barriere bilden und daher si-cher gegen jegliches Entweichen von gefährlichenStoffen erscheinen.

Folgende Speicheroptionen kommen für Hessennicht Betracht:• Verfahren der so genannten künstlichen Minerali-

sierung, bei der das CO2 durch Mineralumwand-

lung (Karbonatisierung) dauerhaft an die Gesteinegebunden wird. Diese sind noch nicht hinrei-chend untersucht und bisher weder aus energeti-scher noch aus wirtschaftlicher Sicht rentabel.

• Die für Hessen nicht in Frage kommende Verbrin-gung von CO2 in die Ozeane wird aus ökologi-schen Gründen generell ausgeschlossen (Entwurfder Europäischen Richtlinie über die geologischeSpeicherung von Kohlendioxid).

3 Vorgehensweise

7

Abb. 2: Überblick über die Möglichkeiten der CO2-Speicherung.1 Einlagerung in erschöpfte Öl- und Gasfelder; 2 verstärkte Ausförderung von Öl- und Gasfeldern; 3 Salinare Aquifere auf See (a) und an Land (b); 4 Speicherung in Kohlenflözen zur Steigerung der Flözgasausbeute.

Bei der Bearbeitung zur Ermittlung der CO2-Spei-cherpotenziale in Hessen wurde folgenden Fra-gestellungen nachgegangen:• Welche Gesteine können grundsätzlich ausge-

schlossen werden (weil sie zu dicht sind und kei-nen ausreichenden Hohlraum besitzen)?

• Welche Gesteine bzw. Formationen eignen sichaufgrund ihrer lithologischen Eigenschaften alsCO2-Speichergestein (betrifft in erster Linie die

salinaren Aquifere)?• Welche dieser Gesteine sind in Hessen in einer

Tiefe >800 m anzutreffen?• Gibt es im Hangenden ausreichend mächtige Ge-

steinseinheiten, die als Deckgestein geeignet sind?• Welche schon vorher genutzten Hohlräume in

>800 m Tiefe gibt es?• Welche konkurrierende Nutzung besteht neben

der CO2-Speicherung?

Gas- oder Ölförderung

Injektion von CO2

Speicherung von CO2

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen

8

Als potenzielle CO2-Speicher können Gesteine aus-geschlossen werden, die kein oder kaum nutzbaresHohlraumvolumen besitzen. Geeignet sind Gesteins-einheiten, die natürliche oder künstliche Hohlräumebesitzen bzw. als Speichergestein die Kriterien vonTab. 1 erfüllen. Um eine effektive Einspeisung zu er-möglichen, sollte das Speichergestein (meist grob-körnige Sandsteine und klüftige Kalksteine) einePorosität von mindestens 10 % und eine Mächtigkeitvon mindestens 20 m aufweisen. Leider sind Anga-ben über Porositäten und Permeabilitäten der jewei-ligen Gesteine eher selten.

Um die Speichersicherheit zu gewährleisten, mussjedes Speichergestein von einer mindestens 50 m(MAY, mündl. Mitteilung) mächtigen, impermea-blen Deckschicht (Tone, Salze) überlagert sein, un-ter der sich das CO2 lateral entlang, aber nicht ver-tikal (z.B. an Klüften) nach oben bewegen kann.Möglich sind hier auch mehrere abdichtendeSchichten, so genannte „multiple Barrieren“.

Die Speicher müssen ausreichend groß unddurch Bohrungen in ihrer horizontalen undvertikalen Ausdehnung hinreichend bekanntsein. Aufgrund der geringen Anzahl anKernbohrungen liegt ein generellerMangel an verlässlichen Informationenüber die geologischen und strukturellenVerhältnisse im tiefen Untergrund vor. DieSchichtenverzeichnisse der Bohrungen aus dem Ar-chiv des HLUG, die in analoger (Bohrkataster) unddigitaler Form (GEODIN) vorhanden sind, lassen

Aussagen über die Tiefenlage der für dieCO2-Einlagerung in Frage kommendenSchichten zu.

Insgesamt wurden ca. 1200 Bohrungen ge-sichtet, von denen nur etwa 500 Bohrungentiefer als 500 m (Abb. 3) und knapp 200 tie-fer als 800 m sind (die meisten davon im Oberrheingraben). Anhand der in den Boh-rungen angetroffenen Höhenlagen derSchichtgrenzen und den Schnittspuren der an der Oberfläche ausstreichenden Schicht-grenzen mit dem digitalen Höhenmodell wur-den Tiefenlinienpläne konstruiert (Abb. 4).

Tab. 1: Eigenschaften der Speicher- und Deckschichten(nach CHADWICK et al. 2007)

Speicher- geeignet wenigereigenschaften geeignet

Tiefe [m u. GOK] 1000–2500 <800 und>2500

Mächtigkeit [m] >50 <20

Porosität [%] >20 <10

Deckschichteigenschaften

Laterale Kontinuität ungestört gestört, variierend

Mächtigkeit [m] >100 <20

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Endformation

TertiärBuntsandsteinZechsteinRotliegendGrundgebirge

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Korbach

Kassel

Bad HersfeldMarburg

Gießen Fulda

Wiesbaden

Frankfurt a.M.

Darmstadt

0 10 20 30 40 50 kmAbb. 3 a und b:Bohrungen aus dem Archiv des HLUG mit einer Teufe >500 m.

3a �

Geologische Störungen und dadurch be-dingte Versätze der Gesteinsschichten

wurden nicht berücksichtigt. Je wenigerBohrungen in einer Region vorhanden

sind, desto unsicherer ist die berechneteSchichtoberfläche. Die für die CO2-Speicherung

entscheidende 800-Meter-Tiefenlinie sowie die1000-Meter-Tiefenlinie sind farbig in den jeweili-

gen Abbildungen hervorgehoben.

Vorgehensweise

9

3b �

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Korbach

Kassel

Bad HersfeldMarburg

Gießen Fulda

Wiesbaden

Frankfurt a.M.

Darmstadt

0 10 20 30 40 50 km

Endteufe [m u. GOK]

>1000 –1250>1250 –1500>1500

>800 –1000 �800

Digitales Höhenmodell

Ausbiss der jeweiligenGesteinsgrenzen nach

der GÜK 300

Erbohrte Tiefenlage der jeweiligen Gesteinsgrenzenin den Bohrungen

Erbohrte Endgesteine plus durch-schnittliche Mächtigkeit der fehlendenGesteinseinheiten (nach GK 25) bis zur Gesteinsgrenze

Korrelierte Gesteinsgrenzen,mögliche Störungen und Versätzewurden nicht berücksichtigt

Buntsandstein

Zechstein

Rotliegend

z6–z7

z1–z5

� Abb. 4:Konstruktion der Speichergesteins-Oberflächen mit Hilfe derGeologischen Übersichtskarte 1:300000, des Digitalen Höhen-modells und der Bohrungen.

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen

10

4.1 Ausschlussgebiete

Als potenzielle CO2-Speicher können Gesteine aus-geschlossen werden, die kein oder kaum nutzbaresHohlraumvolumen besitzen. Dazu zählt das kristalli-ne Grundgebirge, das in Odenwald und Spessart zu-tage tritt und aus metamorphen und magmatischenGesteinen besteht (siehe Abb. 5). Die Ortho- undParagneise sowie die Glimmerschiefer des Spessartssind aufgrund ihres hohen Metamorphosegrades,der zu Mineralneubildungen und zur Verheilung be-stehender Klüfte führte, genauso wie die kluftarmenGranite, Granodiorite, Diorite und Gabbros desOdenwaldes insgesamt nur schlecht wasserweg-sam (UDLUFT et al. 1957, DIEDERICH et al. 1991).

Das Rheinische Schiefergebirge besteht aus ge-falteten und geschieferten Gesteinen wieTon-, Kiesel- und Flaserschiefer, Grau-wacken, Sandsteinen und Quarziten. ImLahn-Dill-Bergland kommen zusätzlichnoch Kalksteine und Vulkanite wie Kerato-phyre, Diabase und Schalsteine vor. Diedevonischen und karbonischen Gesteinebesitzen i.d. R. kein nutzbares Porenvo-lumen und sind meist nur schlechtdurchlässige Kluftgrundwasserleiter(DIEDERICH et al. 1991). Ausnahmensind die stark verkarsteten mitteldevoni-schen Massenkalke (z. B. bei Limburg, Wetzlar,Adorf) sowie Gebiete intensiver Zerbrechung durchjunge Dehnungsfugen wie z. B. in der Idsteiner Sen-ke und im Limburger Becken (STENGEL-RUTKOWSKI

1967, 1979). Aufgrund der starken Verfaltung undStörung des Schichtverbandes ist eine genaue Vor-hersage der Lage und Ausdehnung der jeweiligenSchichten in Tiefen größer 800 m nahezu unmög-lich. Die Störungsbahnen und offene Klüfte begün-stigen das Entweichen von CO2 aus dem Unter-grund.

4 Möglichkeiten und Ausschlussgebiete der CO2-Speicherung in Hessen

Abb. 5: Geologische Übersichtskarte (GÜK 300) von Hessen (links), Ausschlussgebiete für CO2-Speicherung sind weiß dargestellt (rechts)4.2 Potenzielle Speicher und Deck

schichten

4.2.1 Tiefe salinare AquifereAquifere sind poröse Gesteinsschichten im Unter-grund, die aufgrund ihrer Porosität und Permeabi-lität die Fähigkeit besitzen, Flüssigkeiten und Gase

transportieren und speichern zu können. Ab einerbestimmten Tiefe sind in der Regel alle Hohlräumeunterhalb der Erdoberfläche wassererfüllt. Je nachArt der Hohlräume unterscheidet man Poren-, Kluft-und Karstgrundwasserleiter, wobei sich v. a. Poren-grundwasserleiter für die CO2-Speicherung eignen.

Kassel

Korbach

BadHersfeld

FuldaGießen

Limburg

WiesbadenFrankfurt a.M.

Darmstadt

Devon und Karbondes RheinischenSchiefergebirges

„KristallinesGrundgebirge“von Odenwaldund Spessart

0 10 20 30 km

Abb. 5:Geologische Übersichtskarte von Hessen (GÜK 300) mitAusschlussgebieten für CO2-Speicherung (weiße Flächen mit ro-ter Umrandung) .

Möglichkeiten und Ausschlussgebiete der CO2-Speicherung in Hessen

11

RotliegendDas Rotliegend stellt einen Zeit-raum zwischen 299 und etwa 257Millionen Jahren dar. Neben demZechstein ist das Rotliegend eineEpoche des Perm, der auf der geo-logischen Zeitskala der jüngsteAbschnitt des Erdaltertums (Paläo-zoikum) an der Grenze zum Erd-mittelalter (Mesozoikum) ist.

Die tiefsten und ältesten Aquiferein Hessen, die als potenzielleCO2-Speicher in Frage kommenkönnten, sind die Gesteine desRotliegend. Zu dieser Zeit befandsich zwischen der NE-SW ver-laufenden Hunsrück-Oberharz-Schwelle im NW und der paralleldazu verlaufenden Spessart-Rhön-Schwelle im SE (siehe Abb. 7) dieWerra-Saale-Senke, in die der Ab-tragungsschutt in Form klasti-scher Sedimente transportiertwurde. Im Beckenbereich warenaber bereits ab dem Rotliegendschmale, NW-SE streichendeQuerschwellen (z.B. Baumbach-Schwelle) und -senken vorhanden(KULICK et al. 1984), die den Sedi-mentationsraum unterteilten.

Zwischen Odenwald und Taunus(MARELL 1989) bis hin zur Wet-terau (KOWALCZYK 1983) steht dasRotliegend oberflächlich oderoberflächennah an und kommtdaher als potenzielles CO2-Spei-chergestein nicht in Frage (sieheAbb. 7, farbige Flächen). Ledig-lich im Vogelsberg und im Werra-Becken kommt dasRotliegend in einer Tiefe von z.T. mehr als 800 mvor. Die Saar-Werra-Senke enthält im Zentrum vonWetterau und Werra-Becken eine recht eintönigeSchichtenfolge aus vorwiegend schlecht sortiertenTon- und Feinsandsteinen mit unterschiedlichen Kar-bonatgehalten, in höheren Schwellenbereichen so-wie am SE-Hang der Hunsrück-Oberharz-Schwelleauch gröbere Sandsteine und Konglomerate.Die ge-samte Sedimentabfolge des Rotliegend im Hes-sischen Becken kann Mächtigkeiten von mehr als

600 m (Bohrung Weißenborn 2) erreichen (nach KO-WALCZYK 1983 sogar ca. 1000 m), reduziert sich abernach NW hin gegen die Hunsrück-Oberharz-Schwel-le kontinuierlich (FRITSCHE et al. 2000). Die konglo-meratisch ausgebildeten Mittel- bis Grobsandsteinla-gen sowie die Konglomeratlagen besitzen häufig ei-ne tonige, kiesige oder karbonatische Matrix und er-reichen Mächtigkeiten von wenigen Dezimetern bismehreren Metern (MOTZKA & LAEMMLEN 1967,MOTZKA 1968, LAEMMLEN 1975), die lokal aber wie-derum auch stark schwanken können.

mergeliger Kalkstein0.00

Tonstein44.00

Sandstein184.00Sandstein203.00

Sandstein291.00

Sandstein408.00

Anhydrit806.50Tonstein807.40Dolomit814.20Tonstein836.00Brekzie864.50Anhydrit866.50Salz-Festgestein871.40Halit880.10

Kalisalz1035.39Halit1036.45Kalisalz1070.14Halit1072.60

Anhydrit1161.50Tonmergelstein1165.00mergeliger Kalkstein1172.70Tonmergelstein1185.50Konglomerat1185.80Sandstein1189.45Sandstein1204.80

1241.70

m unter BAP

mu

soR

smS

smD+smH

smV

su

z

roCoro

z3CA

Unterer Buntsandstein(eingeschränkt geeignet)und Zechstein (z4–z7)

Tonsteine, Sandsteine, Kalksteine, Anhydrite50–70 m (z4–z7) bzw. bis 400 m mächtig

Plattendolomit (Zechstein)Plattige Kalksteine mit Dolomitbänken0–23 m mächtig,10 % des Gesteinsvolumens als karstartigerweitertes Kluftvolumen angenommen

Zechstein (z1–z2)Ton(mergel)-, Feinsand- und Kalksteine, Anhydrite, Salz>300 m mächtig

RotliegendMittel- bis Grobsandsteine, Konglomerate,Mächtigkeit, Porosität und Permeabilität nicht bekannt

Abb. 6: Bohrprofilsäule der Bohrung Mansbach mit den potenziellen Speicher-(blau) und Deckschichten (rot).

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen

12

Die Lithologien der angetroffenen Rotliegend-Ge-steine variieren auf kleine Distanzen häufig von Boh-rung zu Bohrung (KULICK et al. 1984). Über Porositä-ten und Permeabilitäten der Gesteine liegen keineAngaben vor, sie dürften aber aufgrund der feinenKörnung und des hohen Matrixgehaltes eher geringsein. Der Versuch einer Salzabwasserversenkung inGesteine des Rotliegend im Bereich Neuhof weistauf ungünstige Aufnahmefähigkeiten hin (FRITSCHE,mündl. Mittl.). Lediglich die Gesteine mit sandig-kiesiger Matrix (z.B. in der Bohrung Reckrod 2)könnten genügend Porenraum aufweisen, um alsCO2-Speicher in Frage zu kommen. Dies müßte anBohrproben überprüft werden.

Überlagert werden die Rotliegend-Gesteine von tonig-mergeligen, karbonatischen, sulfatischen undsalinaren Sedimenten des Zechstein, die Mächtigkei-ten über 300 m erreichen können. Die Gesteine desZechstein weisen ebenfalls stark wechselndeGesteinseigenschaften auf (BECKER 2002). So sindz.B. die salinaren Sedimente nur im Werra- undFulda-Becken anzutreffen und dort auch nichtflächendeckend verbreitet (z.B. im Salzhang und inAuslaugungsgebieten). Daher sind Aussagen überdie Eignung des Zechstein als Deckgestein schwie-rig. In Regionen salinarer Ausprägung könnte sichder Zechstein aufgrund der Fließeigenschaften desSalzes recht gut als Deckgestein eignen. Allerdingsdurchschlagen häufig Klüfte und Basaltgänge, an de-nen CO2 leicht aufsteigen kann, die Schichten desZechstein. Diese haben zur Imprägnierung des Zech-stein-Salinars mit CO2 geführt. Örtlich wurden Salz-wasseraufstiege aus dem Rotliegend in das Zech-steinsalinar festgestellt (Fritsche, mündl. Mittl.).

Im Vogelsberg und in der Hohen Rhön reicht die An-zahl der Bohrungen bei weitem nicht aus, um verlässli-che Aussagen über einen möglichen Speicher sowiedie Deckschichten machen zu können. Die Bohrungen,die bis ins Rotliegend reichen, wurden in dieser Studieüber weite Distanzen korreliert. Die tektonischen Ge-gebenheiten konnten aufgrund überwiegender Un-kenntnis der Versatzbeträge und Einfallsrichtungennicht berücksichtigt werden. Hierzu wäre eine weitereAufbereitung vorhandener und zukünftiger seismi-scher Messungen erforderlich. Gerade im Vogelsbergsind zahlreiche Schollen vorhanden (z. B. die Hungen-Schotten-Tiefscholle), auf denen die jeweiligen Ge-steinseinheiten um mehrere Zehner Meter versetzt an-getroffen wurden (EHRENBERG & HICKETHIER 1985).

ZechsteinDer Zechstein ist der jüngere Teil des Perm und spie-gelt den Zeitraum von ca. 257–251 Mio. Jahren vorheute wieder. Im Zechstein öffnete sich die Saar-Werra-Senke nach Norden hin zum südlichen Perm-Becken. Dabei kam es mehrfach sowohl zu marinenÜberflutungen der Hessischen Senke als auch zuEindampfungen und Ausfällungen von Sulfat- undSalzgesteinen. Die noch im Rotliegend vorhandeneHunsrück-Oberharz-Schwelle war nur noch abge-schwächt vorhanden (KOWALCZYK 1983). Gesteinedes Zechstein wurden bis zum Schiefergebirgsrandabgelagert und sind dort als geringmächtige roteKlastika in kleinen intramontanen Becken erhaltengeblieben.

Von den Gesteinen des Zechstein weist der zur Lei-ne-Folge (z3) gehörende Plattendolomit (Ca3 bzw.z3d) die größten Wasserwegsamkeiten auf (Deubel1954). In der Werra-Meißner-Fazies handelt es sichum plattige bis bankige Karbonate, die z.T. grobka-vernös und zerbrochen sind. Oft sind sie allerdingsauch zu „zuckerkörnigem“ Dolomit umkristallisiert(Becker & Kulick 1999). Möller (1985) unterteiltden Ca3 im Werra-Becken lithostratigraphisch in ei-ne dolomitische Basisfolge und eine fossilführendekalzitische Serie (Ca3), die überlagert werden vonpelitisch-karbonatischen Wechselfolgen (Ca3T). DerPlattendolomit ist in der gesamten hessischen Zech-steinsenke bis in deren Randgebiete verbreitet (Abb. 8). Je nach seiner Entstehung in unterschiedli-chen Flachwasserbereichen weist er wechselnde Gesteinseigenschaften und Mächtgkeiten zwischen0–30 m auf (Abb. 6 und 9). Bedingt durch die Subro-sion von Salzen und Sulfaten im Liegenden zeigt derCa3 mehr oder weniger starke Störungen imSchichtverband, Verstellungen bis hin zu Schichtauf-lösungen.

Der Plattendolomit besitzt aufgrund der meist dich-ten kristallinen Struktur keine primäre Gesteins-durchlässigkeit. Durch starke tektonische und sali-nartektonische Beanspruchung ist er jedoch häufigengständig geklüftet bzw. kleinstückig zerbrochen.Die Fugen erweiterten sich durch den Angriff ag-gressiver Wässer und ein verzweigtes Netz schlot-tenartiger Hohlräume entstand, welches das Volu-men der primären Trennfugensysteme um ein Mehr-faches übersteigt. Deubel (1954) nimmt bis zu 10 %des Gesteinsvolumens als karstartig erweitertesKluftvolumen an, wobei die Verkarstung mit größe-

Möglichkeiten und Ausschlussgebiete der CO2-Speicherung in Hessen

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Korbach

Kassel

Eschwege

Homberg

Bad Hersfeld

Marburg

Lauterbach

Gießen

Wetzlar

Friedberg

Bad Homburg

Bad Schwalbach

Wiesbaden

Groß-Gerau

Darmstadt

Heppenheim Erbach

Hanau

Offenbach

FrankfurtHofheim

Limburg

GewässerStadt

Grenze RegierungspräsidiumGrenze Hessen

+

0 10 20 30 40 50 km

Bohrungen, in denenkein Rotliegend erbohrt wurde

Bohrungen, in denenRotliegend erbohrt wurde

!

(

> 2400> 2000 - 2400> 1600 - 2000> 1200 - 1600> 800 - 1200> 400 - 800

400

1000 m Tiefenlinie der Oberkante Rotliegend800 m Tiefenlinie der Oberkante Rotliegend

Tiefe der Oberkante Rotliegend [m u. GOK]

Konglomerat, Sandstein, Tonstein

Rhyolith ("Quarzporphyr")

Andesit, Latit ("Melaphyr")

Konglomerat, Sandstein (z.T. Arkose), Schluff- u. Tonstein,rhyolithischer Tuff, z.T. KalksteinSandstein bzw. Arkose, Silt- u. Tonstein, Konglomerat,rhyolithische Vulkaniklastite, Kalkstein, Kohleflöze

An der Erdoberfläche anstehende Gesteinedes Rotliegend

Fulda

�

Abb. 7: Verbreitung des potenziellen Rotliegend-Speichers und Tiefenlage der Grenze Rotliegend–Zechstein (in Meter unter Gelände-oberkante).

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen

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Korbach

Kassel

Eschwege

Homberg

Bad Hersfeld

Marburg

Lauterbach

Gießen

Wetzlar

Friedberg

Bad Homburg

Bad Schwalbach

Wiesbaden

Groß-Gerau

Darmstadt

Heppenheim Erbach

Hanau

Offenbach

FrankfurtHofheim

Limburg

GewässerStadt

Grenze RegierungspräsidiumGrenze Hessen

+

0 10 20 30 40 50 km

Bohrungen, in denen

Bohrungen, in denen

1000 m Tiefenlinie der Oberkante800 m Tiefenlinie der Oberkante

Fulda

kein Zechstein erbohrt wurde

derTop Zechstein errechnet/abgeschätzt wurde

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Bohrungen, in denenZechstein erbohrt wurde

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> 1000 - 1200> 800 - 1000> 600 - 800> 400 - 600> 200 - 400

> 1400> 1200 - 1400

PlattendolomitPlattendolomit

Tiefe der Oberkante Plattendolomit [m u. GOK]� 200

Dolomit, Kalkstein, Konglomerat, Gips, Tonstein, SandsteinKonglomerat, Tonstein, Sandstein, Mergelstein, Dolomit

An der Erdoberfläche anstehende Gesteinedes Zechstein

Abb. 8: Verbreitung und Tiefenlage (in Meter unter Geländeoberkante) der Oberkante des potenziellen Speichers Plattendolomit (zCa3).

rer Tiefe abnimmt. Sehr hoheWasserwegsamkeiten werden inSalzauslaugungsgebieten, beson-ders am Rand von Subrosionssen-ken und am Salzhang erreicht,wo das Gestein durch die Bean-spruchung zerbrochen ist (MOTZ-KA 1968). Mit Zunahme an toni-gen Gesteinen in Richtung Sü-den nehmen der Hohlraumgehaltund die Wasserwegsamkeitendeutlich ab (DEUBEL 1954, MÖL-LER 1985).

Die nötige Tiefenlage des Platten-dolomit von >800 m wird imRaum Kassel (in zwei Bohrun-gen), im Vogelsberg (in einerBohrung) sowie im Werra-Kali-Gebiet erreicht. Die Lage der800-m-Tiefenlinie ist ein reinrechnerischer Wert, der auf-grund der wenigen Bohrungenabsolut nicht mit der Wirklich-keit übereinstimmen muss(Schollenbau des Vogelsberges!).Aussagen über mögliche CO2-Speicher sind hier nicht möglich,reichen aber auch nicht zumAusschluss.

Abb. 8: Verbreitung und Tiefenlage der Oberkante des potenziellen Speichers Plattendolomit (zCa3)Der überlagernde jüngere Zech-stein (z4–z7) könnte sich auf-grund der tonig-schluffig-feinsan-digen Ausbildung (KÄDING 2000,HUG 2004) gut als Deckgesteineignen, ist allerdings häufig starkgeklüftet. Diffuse Austritte miterheblichen Salzwasseranteilenin die Werra und in den quar-tären Grundwasserleitern desWerratals sowie Salz(ab)wasser-aufstiege in das Buntsandstein-Deckgebirge als Folge der Ver-senkung von Salzabwässern imPlattendolomit zeigen, dass dieüberlagernden Deckschichtenstellenweise (v. a. an Störungen, Basaltgängen, Salz-hang, Subrosionssenken) sehr durchlässig sind (Ko-SaAB 1994, SKOWRONEK et al. 1999). Eine konkurrie-rende Nutzung ist durch die seit 1924/1925 durch-

geführte Versenkung salinarer Wässer (Salzabwasseraus der Kaliproduktion) im Plattendolomit des Wer-ra-Kali-Gebietes gegeben (KoSaAB 1994, SKOWRONEK

et al. 1999).

Möglichkeiten und Ausschlussgebiete der CO2-Speicherung in Hessen

15

su

z

z3Ca

smVs

Volpriehausen-Wechselfolge(eingeschränkt geeignet)Ton-, Silt- und Feinsandstein-Wechselfolgen150–175 m mächtig

Volpriehausen-SandsteinMittel- bis Grobsandsteinelt. Literatur 20–25 m mächtigkeine Angaben zu Porosität und Permeabilität

Unterer Buntsandsteinund Zechstein (z4–z7)Ton-, Sand- und Kalksteine, Anhydrite30–100 m (z4–z7) bzw. 170–500m mächtig (su)

370.00380.00

429.00443.00467.00472.00486.00494.00507.00562.00568.00577.00616.00625.00637.00652.00657.00660.00672.00684.00695.00712.00722.00728.00741.00760.00766.00772.00786.00807.00854.00885.00890.00891.00

1156.001175.001196.001206.001207.001209.001215.001220.001236.001251.001252.001254.001255.001256.001257.001261.00

0.002.506.008.609.60

11.9813.5014.9019.0038.5039.3073.50

225.00

m unter BAP

Lehmschutt, graugrünLehmton, hellblaugrau bis bräunlichLehmton, dunkelgrau bis bräunlichSand, grauEinkieselungsquarzit, hellgrauSand, grauTon-Lockergesteincarbonatführender Ton, hellgrauTon, hellgrauBraunkohle, fast schwarzTonTonstein, buntSandstein

Feinsandstein, rotTonstein, rot

Pelit, rotSandstein, rotFeinsandstein, weiß und rötlichTonstein, rotTonstein, rotTonsteinTonstein, rotGrobsandstein, rotTonstein, rotPelit, rotSandstein, rosa bis rotSandstein, rosa bis rotGrobsandsteinMittelsandstein, schwach bis sehr schwach rotSandstein, sehr hellrosaGrobsandsteinGrobsandsteinTonstein, dunkelrotTonstein, dunkelrotFeinsandstein, hellrötlichMittelsandstein, rötlichFeinsandstein, hellrosaTonstein, rotTonstein, rotGrobsandsteinSandstein, hellgrauTonstein, rotTonstein, meist blau, zurücktretend rotGrobsandsteinGrobsandsteinGrobsandsteinTonstein, meist rot

Tonstein, rotTonstein, rotTonstein, rotTonstein, rotGrobsandsteinSandsteinTonstein, rotTonsteinTonstein, rotTonstein, rotTonsteinGrobsandsteinTonstein, grün und rotTonstein, rotPelit, blau und rotdolomitführender Sandstein

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smH+smS

smDt

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z7Tr

z7Tz5–z6z4z4S

Pelit, rot und blau1263.00Pelit, rot1267.00Carbonatstein1275.50Pelit, rot1276.30Pelit, bläulich1284.50Anhydrit1286.00Kalkstein1294.50Anhydrit1295.50Carbonatstein1296.00

1316.00

m unter BAP

z3 Plattendolomit (Zechstein)Karbonat, grobkavernös, keine näheren Angabenlt. Literatur 20–30 m mächtigkeine Angaben zu Porosität und Permeabilität

Abb. 9: Bohrprofilsäule der Bohrung Wilhelmshöhe 1 (Kassel) mit den potenziellen Speicher-(blau) und Deckschichten (rot).

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen

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Korbach

Kassel

Eschwege

Homberg

Bad Hersfeld

Marburg

Lauterbach

Gießen

Wetzlar

Friedberg

Bad Homburg

Bad Schwalbach

Wiesbaden

Groß-Gerau

Darmstadt

Heppenheim Erbach

Hanau

Offenbach

FrankfurtHofheim

Limburg

GewässerStadt

Grenze RegierungspräsidiumGrenze Hessen

+

0 10 20 30 40 50 km

Bohrungen, in denen

Bohrungen, in denen

!

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800 m Tiefenlinie der Oberkante

Fulda

Volpriehausen-Sandstein

kein Unterer Buntsandsteinerbohrt wurde

Unterer Buntsandsteinerbohrt wurde

Tiefe der Oberkante Volpriehausen-Sandstein[m u. GOK]

Sandstein, z. T. mit Geröllen, Ton-Schluffstein

An der Erdoberfläche anstehende Gesteinedes Unteren Buntsandstein

> 800> 600 - 800> 400 - 600> 200 - 400

�200

Abb. 10: Verbreitung und Tiefenlage der Oberkante des potenziellen Speichers Volpriehausen-Sandstein (in Meter unter Geländeober-kante).

Buntsandstein

Der Buntsandstein ist die untere lithostratigraphis-che Einheit der Germanischen Trias, die das Erdmit-telalter (Mesozoikum) einleitet. Die Untergrenze istin der Hessichen Senke mit dem Einsetzen derCalvörde-Folge, im Spessart und Odenwald mit demHeigenbrücken-Sandstein festgelegt. Nach der strati-graphischen Tabelle von Deutschland entspricht ergeochronologisch dem Zeitraum von ca. 251–243Mio. Jahren vor heute. Er wird in drei Untergruppengegliedert: Oberer- (Röt-Formation), Mittlerer (Vol-priehausen-, Detfurth-, Hardegsen- und Solling-For-mation) und Unterer Buntsandstein (Calvörde- undBernburg-Formation).

Die rhythmische Abfolge von mittel- bis grobkörni-gen Sandsteinhorizonten und tonig-schluffig-sandi-gen Wechselfolgen des Mittleren Buntsandstein stel-len mehrere, aber nicht immer scharf getrennteGrundwasserstockwerke dar. Der Volpriehausen-Sandstein, der die Basis des Mittleren Buntsandsteinbildet, ist ein Grundwasserleiter, der die nötige Tie-fenstufe von >800 m u. GOK nur lokal in zwei Boh-rungen im Raum Kassel erreicht (Abb. 9 und10). Eshandelt sich hierbei um ein 20–25 m mächtiges, oftrelativ bindemittelarmes und absandendes Grob-sandsteinpaket, in dem allerdings nach DÜRBAUM etal. (1969) auch alle Übergänge bis zum dichtenSandstein auftreten können. Angaben über Porositä-ten und Permeabilitäten liegen nicht vor.

Überdeckt wird er von den 150–175 m mächtigenTon-, Silt- und Feinsandstein-Folgen der Volpriehau-sen-Wechselfolge, die aber aufgrund der Klüftungnur eingeschränkt als abdichtende Deckschichtengeeignet erscheint. Es liegen keine Angaben überPorositäten und Permeabilitäten sowie die lateraleVerbreitung der Speicher und Deckschichten in die-ser Tiefe vor.

Rotliegend und Tertiär des Oberrheingrabens

Der Oberrheingraben ist Teil des mitteleuropäischenGrabensystems, welches sich vom Mittelmeer bis indie Nordsee verfolgen lässt. Im hessischen Teil be-steht der Untergrund zumeist aus kristallinen undspätpaläozoischen Gesteinseinheiten, die um 2–4 °nach Süden gekippt liegen (MEIER 1989). Die gra-

benfüllenden tertiären und quartären Sedimente,die eine Gesamtmächtigkeit von knapp 3000 m(2815 m NW Bürstadt) erreichen, überlagern dem-nach von Norden nach Süden immer jüngere Schich-ten. Im hessischen Teil wurden jedoch fast nur Rot-liegendgesteine erbohrt.

Im Oberrheingraben sind die Gesteine des Rotlie-gend und der tertiären Pechelbronn-Gruppe potenzi-ell zur CO2-Speicherung geeignet. Die unterhalb derTertiärbasis angetroffenen Gesteine des Rotliegend(Ton- und Sandsteine, Konglomerate, basische Erup-tivgesteine) sind von Bohrung zu Bohrung sehr un-terschiedlich ausgebildet (MÜLLER 1996). GenaueVorhersagen über die Lithologie und Verbreitungund damit die Eignung als potenzielles CO2-Spei-chergestein sind daher kaum möglich. Es liegen kei-ne Aussagen über die Wasserwegsamkeiten undnutzbaren Hohlraumgehalte der Rotliegendgesteinevor. Die oberflächennah anstehenden Ablagerungenin Odenwald und Wetterau sind Kluftgrundwasser-leiter (DIEDERICH et al. 1991), deren Klüfte häufigwieder durch das tonige Bindemittel der Sedimenteverschlossen sind. Es ist wahrscheinlich, dass diesauch für die Gebiete gilt, in denen das Rotliegendvon tertiären und quartären Porenwasser führendenSedimenten bedeckt ist.

Mit dem Tertiär begann vor ca. 65 Mio. Jahren derZeitabschnitt der Erdneuzeit (Känozoikum), die mitdem Quartär seit ca. 2,6 Mio. Jahren bis heute an-dauert. Das Alttertiär (Paläogen) wird in Paläozän,Eozän und Oligozän und das Jungtertiär (Neogen) inMiozän und Pliozän unterteilt.

Die Pechelbronn-Gruppe stellt sowohl die wichtig-sten Muttergesteine als auch Speichergesteine fürErdöl- und Erdgasbildung im engsten Wechsel dar.Daher ist sie auch zur Speicherung von CO2 geeig-net.

Die Unteren Pechelbronn-Schichten bestehen ausmehreren Abfolgen von 3–10 m mächtigen, meistschlecht sortierten Mittel- bis Grobsand- und Kon-glomeratlagen, die durch feinerklastische Lagen(Ton- bis Siltsteine) getrennt werden (GAUPP & NICKEL

2001, RADTKE & MARTINI 2007). Internbau undMächtigkeiten (0 bis >150 m) variieren erheblich.Die Mittleren Pechelbronn-Schichten bestehen ausMergeln, Tonsteinen, Kalkfeinsandsteinen und Quarz-sandsteinen, die in Senken eine Mächtigkeit von

Möglichkeiten und Ausschlussgebiete der CO2-Speicherung in Hessen

17

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen

18

mehr als 50 m, auf Schwellen meist nur <5 m errei-chen. Die Oberen Pechelbronn-Schichten variierenauf engstem Raum sehr stark. So treten z. B. beiStockstadt und im Bereich des Kühkopfes kalkigeFeinsandsteine, Tonsteine und Mergel in einerMächtigkeit von 20–46 m, bei Eich bis 135 m mäch-tige Fein- bis Grobsandsteine und Konglomerate undbei Königsgarten 0–4 m mächtige Feinsedimente mitKohlenflözchen auf.

Die Mächtigkeiten der Speichersande liegen zwi-schen 1,5 und 28 m. Sie haben ein durchschnittli-ches Porenvolumen von ca. 22 % und Durchlässigkei-ten von 0–100 mD (Obere Pechelbronnschichten)bzw. 100–1000 mD (Untere Pechelbronnschichten)(FINKENWIRTH 1984). Allerdings ist ein Beweis für la-terale Kontinuität einzelner Sandhorizonte wedersedimentologisch noch petrographisch zu erbringen(GAUPP & NICKEL 2001). Zahlreiche NNE–SSW ver-laufende Schwellen und Senken (z.B. Kühkopf-Eich-Schwelle, Biebesheim-Wattenheim-Senke) sowie einMosaik von Kippschollen sorgen für sehr engräumi-ge Veränderungen in Mächtigkeit und Fazies.

Im Hangenden folgen als mögliche Deckschichtenwechselnd mächtige Abfolgen von schiefrigen, bitu-minösen (Rupelton) und feinsandigen (Meletta-Schichten und Cyrenenmergel) Ton- und Tonmergel-steinen sowie Tonmergel- und Mergelsteinen, dieEinlagerungen von fein- bis mittelkörnigen kalkhalti-gen Sandsteinen (Bunte Niederrödener Schichten),dolomitischen Kalksteinbänken (Cerithien-Schich-ten) oder bituminöse Lagen und Salinarfolgen (Cor-bicula-Schichten) enthalten können. Auch diese Ge-steine können lokal als Speichergesteine für Erdöldienen (z. B. in Landau, ANDRES & SCHAD 1959). Beiden überlagernden Hydrobienschichten dominierenebenfalls bituminöse, mergelige Tonsteine, Tonmer-gelsteine und vermehrt dolomitische Kalksteinlagen.

Im untermiozänen „Jungtertiär I“ schalten sich indie Tone und Tonmergel Feinsandlinsen und dünneBraunkohlenlagen, im „Jungtertiär II“ (Obermiozänbis Pliozän) auch kiesige Grobsandlagen ein. Die grö-beren Horizonte dienen lokal als Erdgasspeicher(Stockstadt, Hähnlein). Zur CO2-Speicherung in sali-naren Aquiferen kommen sie jedoch nicht in Frage,da sie nicht die nötige Tiefenlage erreichen. Die ter-tiären Sedimente Hessens außerhalb des Oberrhein-grabens erreichen nicht die nötige Mächtigkeit unddamit auch nicht die nötige Tiefe, um als CO2-Spei-cher dienen zu können.

Lithologie, Mächtigkeit und Verbreitung der Gestei-ne im Oberrheingraben variieren räumlich so stark,dass keine Vorhersagen über Speichermöglichkeitenund -kapazitäten möglich sind. Der Top des Rotlie-gend liegt z.T. deutlich tiefer als 2500 m unter derGeländeoberkante (im Süden Hessens). Die Tiefeund der erhöhte geothermische Gradient (ca. 6–9°C/100 m) wirken sich ungünstig auf die Löslichkeitdes CO2 im Wasser aus. Die zahlreichen Tiefbohrun-gen erschweren die Abdichtung des Deckgesteins.Außerdem besteht aufgrund der aktiven Tektonik in-folge der anhaltenden Grabenabsenkung eine erhöh-te Gefahr von Erdbeben.

Neben der Nutzung des tieferen Untergrundes alsErdgasspeicher sind auch mehrere Erlaubnisfelderzur Aufsuchung von Erdwärme (z. B. bei Riedstadt)im Planungs- und Erkundungsstadium (FRITSCHE &KRACHT 2007). Die oberen Stockwerke des Hessi-schen Rieds werden intensiv zur Trinkwassergewin-nung genutzt.

In Tab. 2 und 3 sind die Eigenschaften der potenziel-len Speicher- und Deckschichten der tiefen salina-ren Aquifere in Hessen aufgeführt und nach ver-schiedenen Kriterien bewertet:

Möglichkeiten und Ausschlussgebiete der CO2-Speicherung in Hessen

19

Tab. 2: Übersicht und Wertung der potenziellen Speichergesteine in Hessen

Stratigraphie RotliegendZechstein:

Plattendolomit

Mittl. Bunt-sandstein:Volprie-hausen

Sandstein

Tertiär:Untere

PechelbronnSchichten

Region HessischeSenke

Oberrhein-graben

Raum Kassel

Werra-Kali-Gebiet

Lithologie

konglomera-tische Mittel-bis Grobsand-steine und

Konglomerate

Tiefe [m u. GOK]

Porosität [%]

Permeabilität [mD]

Salinität [mg/l]

Laterale Kontinuität

Lithologievariiert vonBohrung zuBohrung

Weitere Vorgehensweise

Nutzung

Rotliegend und

Zechstein:Platten-dolomit

Raum Kassel

Oberrhein-graben

Vogelsberg und Rhön

mittel- bis grobkörnigeSandsteine

und Konglomerate

Karbonat, z.T.zerbrochen,

grobkavernös,Lithologie nicht genau

bekannt

keine Angaben,nur eine

Bohrung imzentralen

Bereich desVogelsberges

plattige Kalk-steine, ein-

zelne Dolomit-bänkchen und

Sandflaser-schichten

(Mittel- bis) Grobsand-

steine

schlecht sor-tierte Mittel- bis Grobsand- und Konglome-

ratlagen

800–1140 1400– >2840 800–1300 800–950 >800 >1200max.

815 bzw. 885(2 Bohrungen)sonst <800

einzelne Lagen

meist <3

850–250,einzelne Zyklen

20–30 9–23 –Mächtigkeit [m] 20–251,5–28,einzelne Zyklen

oberflächen-nahe Gesteine

eher gering<10 <10 – – durchschnittl.

22–

– –– – ––

– –– – ––

100–1000

>10000

sehr variabelin Lithologie,

Teufe, Mächtig-keit und

Verbreitung

nicht bekannt(nur zwei

Bohrungen)

nur eineBohrung,starker

Schollenbau

sehr variabelin Lithologie,

Teufe, Mächtig-keit und

Verbreitung

Übergangnach SW in

tonig-mergeligeFazies

ausreichende Teufe nicht

gegeben, nur zwei Bohrun-gen >800 m,

zu geringeVerbreitung

Sichtung vonBohrprofilen,

Bohrkernevorhanden?

Sichtung seismischer

Profile,Bohrprofile

flächendecken-des Abteufenneuer Bohrun-gen, Seismik

keine keineSichtung

seismischerProfile,

Bohrprofile

flächendecken-des Abteufenneuer Bohrun-gen, Seismik

Geothermie – – potenzielleErdöllager–

Trinkwasser-Gewinnung

Versenkungvon Salz-

abwasser der Kaliindustrie

ungeeignet

bedingt geeignet bzw. weitere Erkundungen erforderlich

geeignet (aber weitere Einzelfallbetrachtung erforderlich)

keine oder unzureichende Angaben

Speicher-Eigenschaften

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen

20

Tab. 3: Übersicht und Wertung der potenziellen Deckgesteine in Hessen

Stratigraphiedes Speichers Rotliegend

Zechstein:Plattendolomit

Mittl. Bunt-sandstein:Volprie-hausen

Sandstein

Tertiär:Untere

Pechelbronn-Schichten

Region HessischeSenke

Oberrhein-graben

Raum Kassel

Werra-Kali-Gebiet

Stratigraphie der Deckschichten Zechstein

Lithologie

Porosität [%]

Laterale Kontinuität

sehr variabel in Lithologie,

Teufe, Mächtig-keit und

Verbreitung

Tektonik

konkurrierendeNutzung

Rotliegend und

Zechstein:Platten-dolomit

Raum Kassel

Oberrhein-graben

Vogelsberg und Rhön

Rotliegend(Tone undVulkanite),

Eozän(Basistone)

Zechstein(z4–z7),Unterer

Buntsand-stein

Zechstein(z4–z7)

(mergelige)Tonsteine,Anhydrite,

Salze,Kalksteine,

Feinsandsteine

>300 0– >500 50–70Mächtigkeit [m] 150–175<5–50 (MPS)

bzw. 50–100 (RT)

––

sehr variabelin Lithologie,

Teufe, Mächtig-keit und

Verbreitung

einzelneSchollen

sehr variabelin Lithologie,

Teufe, Mächtig-keit und

Verbreitung

vorhanden

Störungen,Basaltgänge

Horst- und Graben-

strukturen,Erdbeben

– –potenzielleErdöl- undErdgaslager

–

ungeeignet

bedingt geeignet bzw. weitere Erkundungen erforderlich

geeignet (aber weitere Einzelfallbetrachtung erforderlich)

keine oder unzureichende Angaben

Deckschicht-Eigenschaften

Tertiär(Vulkanite),Buntsand-

stein

MittlererBuntsand-

stein:Volpriehausen-Wechselfolge

MittlerePechelbronn-

Schichten (MPS),

Rupelton (RT)

Ton- und Siltsteine,Vulkanite

(mergelige)Tonsteine,Anhydrite,

(Fein-)Sand-steine,

Kalksteine

(mergelige)Tonsteine,Anhydrite,

(Fein-)Sand-steine,

Kalksteine

Buntsandstein,Basalt,

zwischen-gelagerte,

meist vertonteTuff-Horizonte

Wechselfolgeaus Ton-, Silt-

und Fein-sandsteinen

Tonsteine,Mergel,

Kalk- undQuarz-

sandsteine

30–100(z4–z7)

bzw. 170–500

–

im zentralenBereich >700

––

Salzwasser-aufstiege

weisen auf Undichtigkeit

hin

stark geklüftet

–

sehr variabelin Lithologie,

Teufe, Mächtig-keit und

Verbreitung

Graben-strukturen,Störungen,Subrosions-

senken

Graben-strukturen,Störungen,Subrosions-

senken

Graben-strukturen,Störungen,Subrosions-

senken

starkgeklütet,einzelneSchollen

Schwellen undSenken,

Mosaik vonKippschollen,

Erdbeben

Trinkwasser-reservoir

Rhein-Main

potenzielleErdöl- undErdgaslager

Verpressungsalinarer Wässer,

Sondermüll-deponien

Tab. 2: Übersicht und Wertung der potenziellen Speichergesteine in Hessen4.2.2 Entleerte Erdöl- und Erdgaslager-

stätten

Ein schon seit Jahrmillionen bewährtes und damit si-cheres Speichergestein stellen die Felder von Erdöl-und Erdgaslagerstätten dar. Entleerte Lagerstättenkönnten als potenzielle CO2-Speicher dienen.

Große Vorteile liegen in den schon vorhandenen ge-nauen Kenntnissen über die geologischen Verhältnis-se der Speicher- und Deckschichten sowie das Vor-handensein der Infrastruktur (Bohrlöcher, Sonden-plätze, Kompressoranlagen, Pipelines). Dadurch ver-ringern sich die Kosten einer möglichen CO2-Ein-speisung erheblich.

Injiziert man CO2 in die Lagerstätte, so erhöht sichder Lagerstättendruck und die noch vorhandenenKohlenwasserstoffe können mobilisiert und zusätz-lich gefördert werden (CO2-Enhanced Oil Recovery[CO2-EOR] bzw. CO2-Enhanced Gas Recovery [CO2-EGR]). Dadurch verlängert sich die wirtschaftlicheLebensdauer der Lagerstätten. Diese Verfahren wer-den schon seit 1972 in den USA praktiziert (REICHLE

et al. 1999). Auf diesem Gebiet liegen also schongroße Erfahrungen vor. Außerdem könnte der ur-sprüngliche Lagerstättendruck im Speicher wiederaufgebaut und somit die Stabilität in den Speicher-und Deckschichten wiederhergestellt werden. Dassetzt voraus, dass die vielen alten Bohr- und Förder-löcher abgedichtet sind und die Deckschichten nichtzerstört wurden, so dass keine unkontrollierbarenAufstiegswege vorliegen.

Nach GERLING & MAY (2001) kommen die deutschenErdöl- und Erdgasfelder als potenzielle CO2-Spei-cher kaum in Frage, da sie zu geringe Speicherkapa-zitäten aufweisen und meist in zu geringer Tiefe lie-gen. Einige wenige norddeutsche Gaslagerstättenbesitzen genügend Speichervolumen. Die hessi-schen Kohlenwasserstofffelder liegen im Oberrhein-graben, der die aktivste hessische Erdbebenregionist. Es gibt mehrere Erdölvorkommen in den ter-tiären Pechelbronn- bis Hydrobienschichten (z.B.bei Stockstadt, Wattenheim, Rot, Dudenhofen, Hut-tenheim, Minfeld), meist in Tiefen zwischen 2300und 2500 m unter der Geländeoberkante. Auf-grund der unregelmäßigen Ausbildungen der Spei-chergesteine sowie der engen räumlichen Begren-zung durch zahlreiche Störungen handelt es sich

um sehr kleine Felder. In der Schichtenfolge von den Hydrobienschichtenbis zum Pliozän existieren mehrere Erdgas-Speicher-gesteine. Gasfelder gibt es bei Eich, Stockstadt,Pfungstadt, Wolfskehlen, Groß-Gerau, Dornheim,Büttelborn und Darmstadt. Meist liegen hierSchichtaufwölbungen vor, die durch zahlreicheBrüche begrenzt sind (z. B. bei Pfungstadt). Die größ-ten Erdgaslager (Hähnlein und Stockstadt) befindensich in einer Tiefe von 450–500 m unter der Gelän-deoberkante und werden als Untertage-Gasspeichergenutzt, um im Bedarfsfall auf Erdgasvorräte zurück-greifen zu können.

4.2.3 Kohlenlagerstätten

Eine weitere Möglichkeit der CO2-Sequestrierungbieten stillgelegte Kohlengruben und tiefe, nicht ab-bauwürdige Kohlenflöze. Da die großen CO2-Emit-tenten wie kohlenbefeuerte Kraftwerke und Stahl-werke oftmals in Nähe von Kohlenlagerstätten lie-gen, sind die entstehenden Transportkosten als eherniedrig anzusehen. Allerdings sind die ehemaligenKraftwerke in Kassel, Eschwege, Borken und Wöl-fersheim zwischenzeitlich stillgelegt.

Die Speicherung in Schächten und Stollen nach de-ren Stilllegung setzt voraus, dass die Hohlräumehochdruckresistent abgedichtet sind, so dass dasCO2 nicht entweichen kann. In Untersuchungen imRahmen des europäischen GESTCO-Projektes (Euro-pean Potencial for Geological Storage of CO2 fromFossil Fuel Combustion) wird in Deutschland vonder Speicherung in Kohlenbergwerken abgeraten,weil keine Gewährleistung besteht, dass es keineVerbindung zu anderen Bergwerken und zur Erd-oberfläche gibt. Die genaue Lage vieler historischerStollen ist nicht mehr bekannt, so dass hier eine Si-cherheit nicht gegeben ist. Außerdem steigt durchdie Injektion von CO2 der Druck innerhalb der Hohl-räume, was zum Absinken und Nachbrechen derüberlagerten Gesteine sowie zu Wassereinbrüchenund somit zur Verdrängung und zum Entweichendes Gases an die Erdoberfläche führen könnte.

Die Lösung des CO2 im Grubenwasser gefluteterStollen setzt aufgrund der physikalischen und che-mischen Eigenschaften des CO2 größere Tiefen vor-aus. Allerdings beträgt das Speicherpotenzial im

Möglichkeiten und Ausschlussgebiete der CO2-Speicherung in Hessen

21

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen

22

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Korbach

Kassel

Eschwege

Homberg

Bad Hersfeld

Marburg

Lauterbach

Gießen

Wetzlar

Friedberg

Bad Homburg

Bad Schwalbach

Wiesbaden

Groß-Gerau

Darmstadt

Heppenheim Erbach

Hanau

Offenbach

FrankfurtHofheim

Limburg

GewässerStadt

Grenze RegierungspräsidiumGrenze Hessen

+

0 10 20 30 40 50 km

Fulda

Hessische Braunkohlenvorkommen nach STECKHAN(1951). Die meisten Lagerstätten sind bereits abgebautoder unwirtschaftlich. Größere Restvorkommen sinduntertage bei Großalmerode oder bei Hessisch Lichtenauvorhanden.

Potenzialbereich für mögliche Braunkohlenvorkommen

! Bohrungen, in denen Braunkohle erbohrt wurde

Ì Bekannte Braunkohlenvorkommen

(nach: Übersichtskarte der Energierohstoffe in Hessen, HLUG)

Abb. 11: Braunkohlenvorkommen in Hessen.

Möglichkeiten und Ausschlussgebiete der CO2-Speicherung in Hessen

23

Grubenwasser nur 10 % dessen, was man in nichtge-fluteten Hohlräumen speichern könnte. Klären müs-ste man auch die Herkunft des Wassers sowie dieWegsamkeiten durch das Deckgebirge. Alles in allemscheint diese Methode nach heutigem Stand derForschung wenig vielversprechend zu sein.

Die dritte Möglichkeit ist die Adsorption des CO2 annicht abbaubaren Kohlenlagerstätten. Kohle bestehtsowohl aus organischen als auch aus mineralischenBestandteilen und weist je nach InkohlungsgradPorositäten zwischen 1,6 und 20 % auf (HARRIS et al.2004). Durch schwache Wechselwirkung zwischenden Molekülen (van der Waals-Kräfte) kann CO2 andie Oberfläche der Kohlenmatrix adsorbiert werden.Die Adsorptionskapazität ist sowohl abhängig vonden Kohleneigenschaften selbst, die innerhalb einesFlözes stark variieren können, als auch von äußerenFaktoren wie Temperatur, Druck und Feuchtegrad.Die Vorgänge hierbei sind sehr komplex, es bestehtnoch ein großer Forschungsbedarf.

Ein Nachteil all dieser Methoden ist, dass die mo-mentan aus technischen Gründen noch nicht abbau-würdigen Kohlenflöze auch in Zukunft nicht mehrzur Kohlengewinnung nutzbar gemacht werden kön-nen, da sonst das CO2 wieder freigesetzt werdenwürde.

Steinkohle kommt in Hessen nicht vor. Braunkohleist in den eozänen, oligozänen, miozänen und pliozä-nen Ablagerungen der Hessischen Tertiärsenke zufinden (STECKHAN 1952, CHRISTOPHER 1993). So un-terschiedlich wie das Alter sind auch die Mächtigkei-ten der jeweiligen Flöze sowie deren Einschaltungenund Zwischenmittel. Starke tektonische Beanspru-chungen führen zu Versätzen und häufigen Wasser-zutritten, so dass eine laterale Kontinuität der Flözehäufig nicht gegeben ist. Die in Hessen vorkommen-den Braunkohlenflöze und -gruben (Abb. 11) befin-den sich alle in zu geringer Tiefe und sind in der Re-gel zu gering mächtig (<5 m), so dass keine effekti-ve Speicherung von dichtem CO2 möglich ist. DieDeckschichten sind nicht mächtig genug, um sicherabzudichten.

4.2.4 Salzlagerstätten

Kavernenspeicher werden im Allgemeinen in

Deutschland in Salzstrukturen (Salzstöcken) errich-tet, welche nur im Norddeutschen Becken in ausrei-chenden Mächtigkeiten und Kapazitäten vorkom-men (SEDLACEK et al. 1994). Im osthessischen Reck-rod existieren jedoch drei Kavernenspeicher im an-sonsten söhlig gelagerten Werra-Steinsalz (Zech-stein), das hier durch Auffaltungen erhöhte Mächtig-keiten aufweist. Salzbergwerke eigenen sich sehrgut als Speicher für CO2-Versenkung, da die Salzla-gen in der Regel eine sehr dichte Barriere bilden unddaher sehr sicher gegen jegliches Entweichen vongefährlichen Stoffen sind. Jedoch begründet sichhierauf der Nutzungskonflikt mit der Untertage-Deponierung von besonders überwachungsbedürfti-gen Abfällen aus Verbrennungsanlagen sowie dermetallverarbeitenden und chemischen Industrie(z. B. Herfa-Neurode).

Das hessische Kalirevier erstreckt sich von Heringenim Norden bis nach Neuhof im Süden (unterbro-chen vom Fuldaer Graben) sowie von Bad Hersfeldim Westen bis an die hessisch-thüringische Grenzeund weiter bis Bad Salzungen. Abgebaut werden die2–3 m mächtigen Flöze Hessen und Thüringen inTiefen zwischen 400 und 1500 m. Die häufig zu be-obachtenden Mächtigkeitsschwankungen der oh-nehin nur lokal verbreiteten Zechstein-Salinare sindauf die Eigenschaft zurückzuführen, dass Salzmine-rale unter hohem Druck sehr weit in horizontalerund vertikaler Richtung fließen können. Dadurchkommt es zur Verfaltung und Schichtverdopplungmancher Schichten sowie durch die Einwirkung vonGrundwasser zur Ausbildung einer geneigten Ablau-gungsfläche, dem Salzhang (LAEMMLEN 1975).

In Reckrod, Landkreis Fulda, wurden 3 künstlicheHohlräume in 800–1500 m innerhalb des Werra-Salinars durch Einspeisung von Flusswasser geschaf-fen (FRITSCHE 2000). Aufgrund des heterogenen Auf-baus des Salinars mit eingelagerten Kaliflözen undSchichtverstellungen konnten die ersten zwei Kaver-nen nicht vollständig und regelmäßig ausgesolt wer-den, so dass Ende 2000 eine dritte Kavernenboh-rung abgeteuft wurde, um das angestrebte Volumenvon 1000000 m³ zu erlangen. Die Kavernen dienender Einlagerung und Bedarfssicherung von Erdgas.

Die sich im Hangenden anschließenden Gesteinedes jüngeren Zechstein und Buntsandstein variierensehr stark in Lithologie, Verbreitung und Mächtig-keit, so dass die Schutzfunktion nicht generell ge-

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen

24

währleistet werden kann, sondern im Einzelfall ge-sondert überprüft werden muss. Besonders das Vor-handensein von Störungen und Basaltgängen begün-stigen das Entweichen von Gasen. Im BereichReckrod wurde zwischen einer Kavernenbohrungund einer bereits fertig gestellten Kaverne eineDurchlässigkeit innerhalb des Werra-Salinars regi-striert, was zu einer Änderung in der Kavernenkon-zeption führte (FRITSCHE, mündl. Mittlg.).

Ein Problem beim Abbau der Kalisalze ist die Entsor-gung der anfallenden Abwässer. Seit 1928 wird ein

Teil in den Plattendolomit versenkt (s.d.), ein Teilwird abflussabhängig in den Vorfluter eingeleitet(KoSaAB 1994; SKOWRONEK et al. 1999).

Die Salzkavernen in Hessen liegen in weiten Berei-chen nicht in für die CO2-Speicherung ausreichen-der Tiefe vor. Die Ausdehnung und Kapazitäten derHohlräume sind meist sehr gering. Eine Speichersi-cherheit kann aufgrund der lithologisch stark vari-ierenden Deckschichten und dem möglichen Auftre-ten von Störungen und Basaltgängen nicht generellgewährleistet werden.

Speicherung und konkurrierende Nutzung

25

Die Speichereigenschaften sowie die geologische Si-cherheit der CO2-Speicherung sind von Gegebenhei-ten des Untergrundes und daher von nicht bere-chenbaren Faktoren abhängig. Die möglichst genaueKenntnis des geologischen Aufbaues ist daher uner-lässlich. Die Speicherkapazität der Gesteine ist beirasch wechselnden lithologischen und faziellen Ver-hältnissen schwer zu bestimmen. In seltenen Fällenliegen Angaben über Porosität und Permeabilität derGesteine im tieferen Untergrund vor. Hydrogeologi-sche Kartierungen und Untersuchungen zu Durch-lässigkeiten (z. B. SCHRAFT & RAMBOW 1984, PRINZ &HOLTZ 1989) geben Hinweise auf die nutzbarenHohlräume der Einheiten sowie die Lage der Grund-wasserleiter.

Um ein Gefühl für das Speichervermögen zu bekom-men, wird immer von einem Bedarf eines „ kleinen “500 MW-Kohlekraftwerks mit 10000 t pro Tag CO2(IPCC-Report) ausgegangen. So wurde beispielhaft(Plattendolomit im Werra-Kali-Revier) für die salina-ren Aquifere ein maximales Speichervermögen von12 420000 t CO2 berechnet, welches in nicht ein-mal vier Jahren erschöpft wäre.

Bei einer Vielzahl von Nutzungen spielt der tieferegeologische Untergrund eine entscheidende Rolle.Hierzu gehören die folgenden Nutzungen, die mitder CO2-Speicherung in Konkurrenz stehen.• Förderung von Erdöl und Erdgas• Untergrundspeicherung von Erdgas• Untergrundspeicherung von Druckluft• Versenkung und Speicherung von Fluiden (z. B.

Salzabwasser aus der Kaliindustrie)• Gewinnung des Erdwärmepotenzials für Heizung

und Stromerzeugung• Wärmespeicherung • Nutzung von Thermal- und Mineralwässern• Untertagedeponien• Bergbau

Die verschiedenen Nutzungen des tiefen Untergrun-des finden in unterschiedlichen Stockwerken statt.Allerdings ist dabei eine Verzahnung nicht auszu-schließen (siehe Abb. 12). Da verschiedene rechtli-che Bereiche angesprochen werden, muss es zu ei-ner Abwägung kommen, welche der konkurrieren-den Nutzungen den Vorrang bekommen.

5 Speicherung und konkurrierende Nutzung

TiefeGeothermie(Hot Dry Rock)

TiefeGeothermie

und tiefe

Tiefe Geothermie(Hydrogeothermie und tiefe Erdwärmesonden)

Tiefe Geothermie(Hot Dry Rock)

Bodenschätze

UntertagedeponieHerfa-Neurode

Endlagerung radioaktiver

Abfälle

hessischeErdgasspeicher

CO2-Speicherung(CSS)

0m u.Gelände

5000

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

400

800

600

200

Tiefe Geothermie(Hydrogeothermie und tiefe Erdwärmesonden)

Tiefe Geothermie(Hot Dry Rock)

OberflächennaheGeothermie

Wasser-gewinnung

Bodenschätze

UntertagedeponieHerfa-Neurode

Endlagerung radioaktiver

Abfälle

hessischeErdgasspeicher

CO2-Speicherung(CSS)

Abb. 12: Verschiedene Teufen zur Nutzung des tiefen Untergrundes.

Gebiete, die sich nicht für die Speicherung vonCO2 eignen (Ausschlussgebiete), sind aufgrundder Gesteinseigenschaften (z. B. fehlendem Hohl-raumvolumen) und Strukturgeologie gut belegt. Diestrifft v. a. für das kristalline Grundgebirge des Oden-wald und Spessart sowie die gefalteten und geschie-ferten Gesteine des Rheinischen Schiefergebirges zu.

Folgende Speicheroptionen kommen für Hessennicht Betracht:Verfahren der so genannten künstlichen Minerali-sierung sind noch nicht hinreichend untersuchtund bisher weder aus energetischer noch aus wirt-schaftlicher Sicht rentabel.

Die für Hessen nicht in Frage kommende Verbrin-gung von CO2 in die Ozeane wird von der Bundes-regierung aus ökologischen Gründen generell ausge-schlossen.

Künstlich geschaffene Hohlräume in Salzlagerstät-ten oder aufgegebenen Kohlenbergwerken wer-den vor allem aus Kapazitäts- und Sicherheitsgrün-den nicht für die Speicherung von CO2 in Erwägunggezogen. In Hessen befinden sich die Lagerstätten inweiten Bereichen nicht in ausreichender Tiefe undbesitzen keine ausreichend mächtigen und sicherenDeckschichten. Lediglich bei Fulda existieren dreipotenziell geeignete Salzkavernenspeicher, die al-lerdings zur Erdgasspeicherung genutzt werden.

In Hessen bestehen kurz- und mittelfristignutzbare Möglichkeiten zur Speicherungvon CO2 in erschöpften Erdöl- und Erdgas-lagerstätten und in salinaren Aquiferen.

Die Lagerstättenverhältnisse und dasSpeicherpotenzial der Erdöl- und Erd-gasfelder im Oberrheingraben sind in derRegel sehr gut dokumentiert. Leider weisendie Erdgasfelder nur sehr geringe Kapazitäten aufund werden z.T. als Gasspeicher genutzt. Auch dieKapazitäten der Erdölfelder im Oberrheingrabensind im Vergleich zu den norddeutschen Feldernsehr gering. Hier ist jedoch immer eine Einzelfall-betrachtung notwendig.

Die Speicherkapazität der salinaren Aquifere inmehr als 800 m Tiefe lässt sich aufgrund der un-genügenden Anzahl der Bohrungen nur schwer be-stimmen. Hier wird nochmals auf die Tab. 2 und 3hingewiesen, in denen die einzelnen geologischenEinheiten bewertet werden. Starke Fazies- undMächtigkeitsschwankungen sind die Regel. Angabenüber Permeabilitäten und Porositäten liegen in denwenigsten Fällen vor. Folgende hessische Gebietewurden im Hinblick auf ihre potenziellen CO2-Spei-

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen

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Korbach

Kassel

Bad HersfeldMarburg

Gießen Fulda

Wiesbaden

Frankfurt a.M.

Darmstadt

0 10 20 30 40 50 km

Verbreitung potenzieller Speichergesteine

Pechelbronn-Schichten (Tertiär)Volpriehausen-Sandstein (Mittlerer Buntsandstein)

Plattendolomit (Zechstein)

Rotliegend

Abb. 13 a und b:Potenzielle CO2-Speicher in Hessen und ihre Wertung.

13a ��

6 Zusammenfassung der Ergebnisse für Hessen

Zusammenfassung der Ergebnisse

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chermöglichkeiten mit der dazu erforderlichen Tie-fenlage ermittelt (siehe Abb. 13).

Danach kann man den Plattendolomit im Werra-Kali-Gebiet als Speichergestein ausschließen, da die Spei-chersicherheit aufgrund der lithologischen Eigen-schaften der Deckschichten nicht gegeben ist. ImRaum Kassel, im Vogelsberg und der Hohen Rhön ist-die Datengrundlage unzureichend. Hier müsstenflächendeckend neue Bohrungen abgeteuft werden.

Der Volpriehausen-Sandstein im Raum Kassel liegtnur in einem sehr begrenzten Gebiet unterhalb 800 m unter GOK. Weiterer Erkundungsbedarf isterforderlich, was die Eignung des Rotliegend imWerra-Kali-Gebiet sowie des Rotliegend und der ter-tiären Pechelbronn-Schichten im Oberrheingrabenbetrifft.

Bei den salinaren Aquiferen sind detaillierte Unter-suchungen bezüglich flächenhafter Ausdehnung undKapazitäten notwendig (z. B. Auswertung seismi-scher Messungen). Allerdings gibt es für die großenKohlekraftwerke in Hessen keine ausreichend gro-ßen Speicher. Es sollte untersucht werden, ob diekleinen Felder Hessens sich für kleinere CO2-emit-tierende Anlagen bzw. Quellen (z. B. Chemieanla-gen) eignen.

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Korbach

Kassel

Bad HersfeldMarburg

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Wiesbaden

Frankfurt a.M.

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0 10 20 30 40 50 km

Wertungpotenzieller Speichergesteine

Ausschlusskriterien vorhanden(z. B. kein ausreichendes Deck-gestein vorhanden)Unzureichende Datengrundlage,um Aussagen über potenzielleCO2-Speicher treffen zu könnenWeiterer Erkundungsbedarf erforder-lich, um gesicherte Aussagen über poten-zielle CO2-Speicher treffen zu könnenErdgas- und Erdölfelder des Oberrhein-grabens; gute Datengrundlage, aberEinzelfallbetrachtung nötig

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen

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Die Aussagen in dieser Studie beruhen bisher nurauf Literaturstudien sowie der Auswertung von Boh-rungen und geologischen Kartierungen. Für eineweitere Bewertung ist es erforderlich, die bekann-ten und ggf. zusätzlich zu messenden seismischenProfile auszuwerten und tektonisch relevante Struk-turen in die hier vorgestellten Karten einfließen zulassen, um die potenziellen Gebiete detaillierter be-trachten zu können. Vergleichbar zu dieser Vorstu-die wäre es lohnenswert, mittels einer weiterführen-den, ausführlicheren Studie dieseismischen Daten zu integrieren.Das Gesamtbild von Hessen wirdsich dadurch nochmals verändernund verbessern lassen.

Die hier vorgestellten potenziellenSpeicherhorizonte sowie derenDeckschichten bedürfen noch ei-ner Vielzahl detaillierter geologi-scher und lithologischer Untersu-chungen hinsichtlich der Gesteins-und Lagerungseigenschaften sowieihrer räumlichen Grenzen. DieseErkenntnisse können voraussicht-lich nur durch den Einsatz von geo-physikalischen Messmethoden unddurch das Abteufen zusätzlicherTiefbohrungen (ab 500 m Teufe)gewonnen werden. Vorher solltenweitere Betrachtungen und Bewer-tungen, beispielsweise hinsichtlichkonkurrierender Nutzungen, Infra-struktur und Transportwegen vonden Entstehungsorten (Kohlekraft-werke, Chemiebetriebe) zu den La-gern sowie den technischen Eigen-schaften der einzulagernden Ga-se/Flüssigkeiten (z. B. Reinheit desCO2) und ihrer Wechselwirkungenmit dem umgebenden Material er-folgen.

Die Umweltverträglichkeit bei Lagerung großerMengen CO2 ist noch nicht hinreichend untersucht.Aufgrund der zahlreichen Unwägbarkeiten kann dieCO2-Verpressung nicht die abschließende Lösungder Klimaproblematik sein, sondern bestenfalls zurÜberbrückung bis zur ausreichenden Entwicklung

CO2-freier bzw. CO2-armer erneuerbarer Energieträ-ger beitragen.

Wünschenswert wäre auch vor dem Einsatz vonTechniken, die CO2 erzeugen, eine Betrachtung an-zustellen, die die Hierarchie: Vermeidung, Vermin-derung, Verwertung und dann erst Speicherungberücksichtigt (Tab. 4). Daneben ist es auch für dasBundesland Hessen erforderlich die CO2-Quellen zubilanzieren. Dazu gehören unter anderem Kraftwer-

ke, die fossile Energieträger verwenden, der Ver-kehr, Chemiebetriebe, Gebäudeheizung und dasnatürlich entstandene CO2.

Primäres Ziel sollte eine Verbesserung der Energieef-fizienz sowie eine Steigerung der Energieeinsparungauf Seiten des Verbrauchers sein.

7 Ausblick

Tab. 4: Möglichkeiten der CO2-Reduzierung

Möglichkeiten der CO2-Reduzierung Potenzial

Vermeidung Wechsel zu Techniken, großdie CO2 nicht entste-hen lassen

Verminderung Alle neuen Techniken, großdie eine Reduzierung von CO2 ermöglichen

Verwertung Getränke begrenztKunstdüngerLöschmittelLösungsmittelMethanolsynthese

Biologische Bindung Aufforstung nicht dauerhaftMeeresalgenGewächshäuser

Ozeanspeicherung Gaslösung in 1000 m dauerhafte Speicherung Tiefe fraglich, gesetzlich Trockeneisversenkung nicht machbarTiefseeinjektion

Geologische Ausgebeutete Öl-/Gas- groß als ZwischenlösungSpeicherung felder

Erweiterte Öl-/Gasför-derungSalinare Aquifere

Kohle noch nicht ausreichend Mineralisierung erforschtSalzlagerstätten

Glossar

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Adsorption:Anlagerung der Atome oder Moleküle von Flüssig-keiten oder Gasen an eine feste Oberfläche.

Aquifere (=Grundwasserleiter):Gesteinskörper im Untergrund, die aufgrund ihrerPorosität und Permeabilität die Fähigkeit besitzen,Flüssigkeiten und Gase transportieren und spei-chern zu können.

Carbon Dioxide Capture and Storage (CCS-) Prozess:Abscheidung von CO2 in einem Kraftwerksprozessund anschließende Speicherung in geologischenStrukturen.

CO2-Speicherung oder CO2-Sequestrierung:Dauerhafte (möglichst >10000 Jahre) Endlagerungoder Deponierung von CO2 im tiefenUntergrund,welches bei Stromerzeugung durch Verbrennungfossiler Energien entsteht.

Durchlässigkeit:Die Permeabilität und der Durchlässigkeitsbeiwert(kf-Wert) beschreiben die Durchlässigkeit eines porö-sen Mediums gegenüber einem Fluid (z. B. Wasser),wobei sich die Permeabilität allein auf die Gesteins-eigenschaften beschränkt und der Durchlässigkeits-beiwert [Maßeinheit: m/s] die Eigenschaften desFluids (z. B. Dichte, Viskosität, Temperatur) zusätz-lich einbezieht. Der Durchlässigkeitsbeiwert gibt an,welcher Volumenstrom [Q] bei einem hydraulischenGradienten [i] pro Fläche [A] bei einer bestimmtenFluidtemperatur strömt.

Emission: Aussendung von Teilchen, Strahlung oder Kräften andie Umwelt.

Fazies: Alle Eigenschaften eines Gesteins, die aus seinerEntstehungsgeschichte herrühren. Neben der Aus-bildung der Gesteine (Lithofazies) können auch dieim Gestein erhaltenen Fossilien (Biofazies) Hinweiseauf das Klima, den Lebensraum und die sonstigenUmweltbedingungen liefern, die zur Zeit der Ablage-rung herrschten.

Fossile Rohstoffe: Rohstoffe, die aus organischem Material hervorge-

gangenen sind. Hierzu zählen Kohle, Erdöl und Erd-gas. Sie dienen als Brenn- und Kraftstoff in Kraftwer-ken, Fahrzeugen und Flugzeugen und als Ausgangs-material für die chemische Industrie.

Geothermische Tiefenstufe: Die Tiefe, in der sich die Erdkruste um 1 °C er-wärmt. Eine solche Erwärmung erfolgt durchschnitt-lich auf eine lotrechte Strecke von 33 Meter, wobeiman aufgrund dessen auch oft einen geothermi-schen Gradienten von 3 °C pro 100 Meter angibt.

Globale Klimaerwärmung: Während der vergangenen Jahrzehnte beobachteterallmählicher Anstieg der Durchschnittstemperaturder erdnahen Atmosphäre und der Meere sowie dieerwartete weitere Erwärmung in der Zukunft.

Initialer Lagerstättendruck: Derjenige Druck, dem die Fluide oder Gase, die dasPorenvolumen der Speichergesteine ausfüllen, un-terliegen, bevor die Lagerstätte erstmalig durch einBohrloch erschlossen wird.

INKLIM 2012 (=Integriertes Klimaschutzpro-gramm Hessen 2012): Ein vom Hessischen Ministerium für Umwelt, ländli-cher Raum und Verbraucherschutz (HMULV) aufge-stelltes Klimaschutzprogramm für Hessen, dass zurErfüllung der Treibhausgasminderung nach Ratifizie-rung des Kyoto-Protokolls beitragen soll(www.hmulv.hessen.de, www.hlug.de).

IPCC (=Intergovernmental Panel on ClimateChange): Die 1988 ins Leben gerufene und in Genf ansässigezwischenstaatliche Sachverständigengruppe, auchals Weltklimarat bezeichnet, die sich mit dem Kli-mawandel beschäftigt, die Risiken der globalen Er-wärmung beurteilen und Vermeidungsstrategien zu-sammentragen soll.

Kapillare: Bezeichnung für kleine bzw. kleinste Hohlräume, indenen aufgrund der Adsorptionskräfte Flüssigkeitenauch entgegen der Schwerkraft wandern können.

Kapillarer Schwellendruck:Derjenige Druck, bei dem das in einem wassergesät-

8 Glossar

Potenziale der CO2-Speicherung in Hessen

30

tigten Gestein unter Lagerstättenbedingungen inji-zierte Gas das in den Gesteinskapillaren gebundeneWasser verdrängt.

Kyoto-Protokoll: Ein 1997 beschlossenes Zusatzprotokoll zur Ausge-staltung der 1992 in Rio de Janeiro unterzeichnetenKlimarahmenkonvention (UNFCCC) der Verein-ten Nationen. Das am 16. Februar 2005 in Kraft ge-tretene und 2012 auslaufende Abkommen sieht vor,den jährlichen Treibhausgas-Ausstoß der Industrie-länder zu reduzieren.

Lithologie: Chemische und physikalische Beschaffenheit derGesteine, ihre Eigenschaften und ihre Zusammen-setzung aus einzelnen Mineralen sowie ihre Kör-nung und Kristallstruktur.

Permeabilität: Gesteinsspezifische Eigenschaft für das Durchströ-men von Gasen und Flüssigkeiten durch einen porö-sen Körper [Maßeinheit: Darcy (1 D = 0,98697 ·10–12 m2)] (siehe auch Durchlässigkeit).

Porosität bzw. Hohlraumvolumen: Die absolute Porosität ist der Anteil des Hohlraumvo-lumens am Gesamtvolumen des Gesteins [Maßein-heit: dimensionslos (%)]. Der durchflusswirksameHohlraumanteil kennzeichnet den Hohlraumanteil,in dem verfügbares, nutzbares (effektives), d. h. freibewegbares Wasser enthalten ist, also beispielsweisekein Haftwasser. Der durchflusswirksame Hohlrau-manteil bietet Durchlässigkeit, ist jedoch nicht di-rekt in diese umsetzbar, da zusätzlich auch dieGröße, Gestalt und Verbindung der Hohlräume ent-scheidend sind.

Regenerative Energien (=Erneuerbare Energien): Energie aus nachhaltigen Quellen, die nach mensch-lichen Maßstäben unerschöpflich sind, z. B. dieEnergieströme aus der thermonuklearen Umwand-lung in der Sonne, dem radioaktiven Zerfall im Erd-innern sowie der Erdrotation und den damit verbun-denen Effekten (Gezeiten). Auf der Erde könnendiese Energiequellen in Form von Sonnenlicht und -wärme, Windenergie, Wasserkraft, Biomasse undErdwärme genutzt werden.

Salinar: Gesteinskomplex, der überwiegend aus Salzgestei-nen besteht.

Speichereffizienz: Anteil des vom CO2-erfüllten Volumens am Gesamt-porenvolumen des Speichers. Sie ist nicht nur vomUntergrund, sondern auch von Anforderungen andie Nutzung der Strukturen, den gewählten Spei-cherstrategien sowie der Reinheit des abgeschiede-nen CO2 abhängig.

Treibhauseffekt: Prozess, bei dem die kurzwellige Sonnenstrahlungan der Erdoberfläche zu einem großen Teil absor-biert, in Wärme umgewandelt und als Wärmestrah-lung wieder abgestrahlt wird. Treibhausgase wieWasserdampf (H2O), Kohlenstoffdioxid (CO2), Met-han (CH4), Distickstoffoxid (Lachgas, N2O), Schwe-felhexafluorid (SF6), Ozon (O3) und Fluor-Chlor-Koh-lenwasserstoffe (FCKW) können aufgrund ihrer che-mischen Natur in unterschiedlichem Ausmaß dieWärmestrahlung absorbieren und so die Wärme indie Atmosphäre abgeben.

Literatur

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