Großflächige CO2-Speicherung in komplexen geologischen Reservoirs: Chancen und Herausforderungen in der Appalachian-Region

Die globale Energiewende und die dringende Notwendigkeit, den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren, rücken Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) zunehmend in den Fokus. Besonders die großflächige Speicherung von CO2 in geologischen Reservoirs spielt eine wichtige Rolle, um Emissionen vor allem in Industrie- und Energiesektoren dauerhaft zu binden. Die Umsetzung solcher Projekte in komplexen geologischen Formationen ist jedoch mit vielfältigen Herausforderungen verbunden. Die Appalachian-Region im Osten der USA stellt dafür ein exemplarisches Beispiel dar. Dort hat sich gezeigt, dass trotz der schwierigen geologischen und technischen Bedingungen großvolumige CO2-Speicherung möglich ist.

Daraus ergeben sich wertvolle Erkenntnisse und Impulse für vergleichbare Gebiete weltweit. Der Appalachian-Becken ist ein geologischer Strukturkomplex, der sich über etwa 150.000 Quadratkilometer erstreckt und geologisch durch eine von mehreren Gebirgsbildungsphasen geprägte, abwechslungsreiche Sedimentabfolge gekennzeichnet ist. Diese komplexe Struktur ist aus Sicht der CO2-Speicherung sowohl Herausforderung als auch Chance. Üblicherweise werden für die geologische Speicherung umfangreiche, durchlässige Sandsteinformationen mit hoher Porosität angestrebt.

Im Appalachian-Becken jedoch überwiegen kleinere, lokal begrenzte Reservoirs mit komplexen Eigenschaften wie sekundärer Porosität, natürlich vorkommenden Frakturen und einer Vielzahl von Deckgesteinen, die als Abdichtung dienen können. Die drei zentral untersuchten Lagerstätten sind das Knox-Gruppe Rose Run Sandstone und Copper Ridge Dolomit, die Oriskany Sandstein-Formation sowie die Huntersville Chert-Formation. Alle diese Formationen weisen einzigartige Eigenschaften auf, die sie als potenzielle CO2-Speicherzonen attraktiv machen. Die Rose Run Sandstone ist eine glimmer- und quarzhaltige Sandsteinschicht mit variabler Porosität zwischen 5 und 12 Prozent und einer schwankenden Permeabilität, die durch geologische Prozesse wie Diagenese und Frakturierung beeinflusst wird. Der Copper Ridge Dolomit besteht aus karbonatischen Ablagerungen mit typischerweise vuggy Porosität, die durch hydrothermale Prozesse zusätzlich verbessert sein können.

Beide Formationen bieten durch ihre mittlere Porosität und ein Zusammenspiel von mehreren Kapgesteinsschichten einen mehrschichtigen Speicherraum, die sogenannten gestapelten Speicherzone (stacked storage), was gegenüber einzelnen homogenen Reservoirs Vorteile bieten kann. Die Huntersville-Formation stellt insbesondere durch natürliche Frakturen und eine charakteristische Mischung aus Chert- und karbonatischen Gesteinen eine interessante Speicheralternative dar, da die Frakturen die Permeabilität erhöhen und somit die CO2-Injektion erleichtern können. Um die technische Umsetzbarkeit und Effizienz der CO2-Speicherung in diesen komplexen Reservoiren zu untersuchen, wurden verschiedene Reservoir-Simulationsmodelle entwickelt. Diese Modelle basieren auf umfangreichen geologischen Daten, Bohrlochinformationen und vorhandener Betriebsdaten aus Öl- und Gasförderungen sowie Wassereinspritzungen, die als Analogie für CO2-Injektionen dienen. Die Simulationen konzentrieren sich auf verschiedene Injektionsstrategien und -konfigurationen wie die gleichzeitige Nutzung gestapelter Speicherschichten, verteilte Mehrfachbrunnen und sogenannte Daisy-Chain-Systeme mit lateral verlegten Bohrungen, um die beste Speicherleistung bei gleichzeitiger Minimierung von Druckaufbauten zu erreichen.

In der gestapelten Speicherstrategie werden die drei Hauptspeicherkomponenten (Rose Run, Upper Copper Ridge, Lower Copper Ridge) nacheinander kontaktiert, wobei für jede Schicht separate Bohrungen vorgesehen sind. Dadurch kann eine bessere Balance zwischen CO2-Verteilung und Druckmanagement erzielt werden, ohne dass eine einzelne Formation übermäßig belastet wird. Die Modelle zeigen, dass mit einem sechs Brunnen umfassenden Feld kommerzielle Injektionsraten von bis zu 1,5 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr erreicht werden können. Die Ergebnisse verdeutlichen die Bedeutung einer sorgfältigen Planung der Injektionsraten in den einzelnen Formationen, um Kapazitäten optimal auszuschöpfen. Im Oriskany-Sandstein mit eher homogenen Eigenschaften hingegen wurde ein flächenverteiltes System mit acht vertikalen Brunnen modelliert.

Dabei war es wesentlich, die Brunnen so anzuordnen, dass Wechselwirkungen zwischen Druckfronten minimiert und hohe Injektionsmengen ermöglicht wurden. Über einen Zeitraum von 30 Jahren konnte so eine Gesamtspeicherkapazität von rund 32 Millionen Tonnen CO2 simuliert werden. Diese verteilte Injektionsstrategie eignet sich besonders für sedimentär ausgeprägte Formationen mit relativ flacher Schichtmächtigkeit, in denen eine gleichmäßige CO2-Verteilung den Druckaufbau über große Flächen hinweg reduziert. Die dritte Simulationsvariante analysierte die Huntersville-Formation mit ihren natürlichen Frakturen und ihrer Dual-Porosity-Struktur. Hier werden Injektionen und zuvor erfolgte Produktionsphasen simuliert, um die geänderten Reservoirbedingungen nach einem längeren Förderbetrieb zu berücksichtigen.

Das „Daisy-Chain“ Konzept nutzt geneigte und laterale Bohrungen, um den Kontakt mit hochpermeablen Fraktursträngen zu maximieren. Innerhalb eines zehnjährigen Injektionszeitraums konnten so gut 18 Millionen Tonnen CO2 in das Speicherfeld eingebracht werden, was einer jährlichen Injektionsrate von rund 2,1 Millionen Tonnen entspricht. Die Ergebnisse heben die Rolle von Bewirtschaftungsstrategien und Bohrtechnologien hervor, um natürliche Gesteinsheterogenitäten für die CO2-Injektion optimal zu nutzen. Ein zentrales Ergebnis der Analysen ist, dass die kommerzielle Größe der Speicherprojekte in der Appalachian-Region wohl eine Mehrfachbrunnenbenutzung erforderlich macht. Die Reservoirsimulationen und geologischen Untersuchungen zeigen, dass für moderate bis niedrige Reservoirqualitäten meist zwei bis zehn Injektionsbohrungen nötig sind, um mehrere Millionen Tonnen CO2 jährlich einzuspeisen.

Dies hat Auswirkungen auf die Planung der Oberflächeinrichtungen, da auch Pipelineanbindungen, Druck- und Temperaturkontrollen sowie Sicherheitssysteme entsprechend ausgelegt sein müssen. Besonders wichtig ist die Auslegung der Injektionsfelder unter Berücksichtigung der Reservoirgeometrie, der geologischen Grenzen, von Landnutzungsrestriktionen und ökonomischen Kriterien. Modelle zeigen auch, dass chemisch-thermische Eigenschaften des CO2, Fluiddruckgrenzen, und Kapillarkräfte das Verpressverhalten beeinflussen. Ein geeignetes Management der lokalen Druckzunahme ist essentiell, um mögliche Komplikationen wie Frakturierung des Deckgesteins zu vermeiden. Zusätzlich zu den geologischen und ingenieurtechnischen Herausforderungen stellen betriebliche Erfahrungen einen wichtigen Informationspool dar.

In der Appalachian-Region existiert eine lange Historie von Öl- und Gasförderung mit vielen aktiven und inaktiven Bohrungen, welche wichtige Datengrundlagen und Analogiebeispiele für Verpressungen, etwa von Produktionswasser, liefern. Die hohe Zahl an Abwasserinjektionsbohrungen lässt auf eine Grundakzeptanz und betriebliche Machbarkeit höherer Volumina schließen. Dennoch sind Themen wie die Integrität alter Bohrungen und unzureichend dokumentierte sogenannte „verwaiste“ Bohrungen ein Risikofaktor, der bei jedem CO2-Speicherprojekt sorgfältig adressiert werden muss. Für den sicheren und nachhaltigen Betrieb der CCS-Projekte ist somit auch ein umfassendes Monitoring und ein langfristiges Management dieser Bohrstrukturen unerlässlich. Neben den technischen Aspekten ist auch die geologische Beschaffenheit des Appalachian-Gebiets charakteristisch.

Millionen Jahre alte, stark verfestigte Gesteine führen zu einem komplexen Porositäts- und Permeabilitätsmuster, das sich von jüngeren Becken deutlich unterscheidet. Die mehrfachen orogenen Ereignisse führten zu zahlreichen Verwerfungen, Brüchen und hydrothermalen Veränderungen, die zum Teil sekundäre Speicherporosität erzeugten. Diese Besonderheiten erfordern maßgeschneiderte Modellierungsansätze und bieten zugleich die Möglichkeit, durch die natürliche Frakturierung und hydrothermale Vervollkommnung Reservoirqualitäten zu verbessern. Die jüngeren Entwicklungen und Planungen im CCS-Bereich reflektieren das Potenzial der Region. Mehrere Unternehmen haben bereits Genehmigungsanträge zur Injektion von CO2 in tiefe Karbonatformationen sowie Sandsteinreservoirs eingereicht.