Studie zum CO2/CH4-Verdrängungsprozess in mikroskaligen Schiefermodellen mit Adsorptions-/Desorptionsverhalten mittels Gitter-Boltzmann-Methode

Aus einem Klimaproblem ein nützliches Instrument machen

Das Verbrennen fossiler Brennstoffe setzt Kohlendioxid (CO2) frei, den Haupttreiber des Klimawandels. Gleichzeitig ist ein großer Teil des weltweiten Erdgases in dichten Gesteinen, sogenannten Schiefern, eingeschlossen, wo es schwer zu fördern ist. Diese Studie untersucht eine Technologie, die beide Probleme gleichzeitig adressieren will: CO2 zu nutzen, um Methan (den Hauptbestandteil von Erdgas) aus dem Schiefer zu verdrängen und gleichzeitig das CO2 unterirdisch zu speichern. Indem die Autorinnen und Autoren das Gestein auf der Skala von Milliardstel Metern betrachten, zeigen sie, wie injiziertes CO2 Methan aus den winzigen Poren des Gesteins lösen und die Gasgewinnung verbessern kann – und dabei potenziell CO2 bindet.

Gas in winzigen Poren unter unseren Füßen

Schiefergestein ist von nanoskaligen Poren durchzogen – Hohlräumen, die so klein sind, dass ein Menschenhaar im Vergleich riesig wirkt. Diese Poren fungieren sowohl als Speichertanks für Methan als auch als mögliche Lagerstätten für CO2. Im Inneren existiert Gas in zwei Hauptformen: als freie Moleküle, die sich durch die Porenräume bewegen, und als Moleküle, die als dünne Schicht an den Gesteinsoberflächen haften. Unter solchen beengten Bedingungen fließt Gas nicht wie Wasser in einem Rohr; die Bewegung wird stattdessen von einem Mix aus Anhaften, Ablösen und langsamer Diffusion bestimmt. Um zu beurteilen, ob CO2 Methan aus diesen Poren verdrängen kann, ist es daher wichtig, nicht nur den Gasfluss zu modellieren, sondern auch, wie die Gase um die Bindungsstellen an den Porenwänden konkurrieren und sich anlagern bzw. ablösen.

Ein virtuelles Mikroskop für Gasströmungen

Das direkte Beobachten der Gasbewegungen im Schiefer auf dieser winzigen Skala ist im Labor extrem schwierig, weshalb die Forschenden auf ein numerisches Werkzeug zurückgriffen: die Gitter-Boltzmann-Methode. Dieses Verfahren behandelt Fluide als viele kleine Pakete, die sich auf einem Gitter bewegen und zusammenstoßen, wodurch Computer rekonstruieren können, wie Gas durch komplexe Porennetzwerke fließt. Das Team entwickelte zunächst eine mathematische Beschreibung dafür, wie zwei Gase – CO2 und Methan (CH4) – um dieselben Oberflächenplätze in einer einzigen Molekularschicht konkurrieren. Ihr Modell erfasst sowohl Adsorption (Anhaften von Molekülen an das Gestein) als auch Desorption (Loslösen von der Oberfläche) und wie diese Prozesse auf Konzentration und Druck reagieren. Dieses Konkurrenzmodell wurde anschließend in Gitter-Boltzmann-Simulationen von Strömung und Diffusion innerhalb vereinfachter, aber realistischer schieferähnlicher Porenstrukturen eingebettet.

Beobachten, wie CO2 Methan verdrängt

Mit diesem virtuellen Gestein simulierten die Autorinnen und Autoren, was passiert, wenn CO2-reiches Gas in ein ursprünglich mit Methan gesättigtes Porensystem injiziert wird. In einem Einteilchen-Testfall heftet sich das von einer Seite eindringende CO2 schnell an die „stromaufwärtige“ Fläche des Partikels und erhöht dort die Adsorptionsrate deutlich. Gleichzeitig wird Methan, das bereits an der Oberfläche sitzt, zum Loslassen gezwungen, diffundiert in das angrenzende Gas und wird dann mit der Strömung stromabwärts transportiert. Mit der Zeit fällt der Methangehalt im Partikel stetig gegen null, während der CO2-Gehalt ansteigt, bis sich Adsorption und Desorption ausgleichen. Die Studie identifiziert zwei Stadien dieses Prozesses: eine frühe Wettbewerbsphase, in der beide Gase schnell Plätze tauschen, gefolgt von einem langsameren Annähern an ein Gleichgewicht, in dem CO2 an der Oberfläche verbleibt und Methan größtenteils abgegangen ist.

Wie Injektionsstärke und Gesteinsstruktur eine Rolle spielen

Die Simulationen zeigen, dass die Menge an CO2 im injizierten Gas stark bestimmt, wie schnell und wie vollständig Methan verdrängt wird. Ohne CO2-Injektion desorbiert Methan nur langsam. Mit steigender CO2-Konzentration wird Methan schneller freigesetzt, die CO2-Schicht auf dem Gestein baut sich zügiger auf und das System erreicht früher ein Gleichgewicht. Auch die Struktur des Gesteins ist entscheidend. In poröseren Modellen mit mehr Offenräumen kann sich Gas leichter bewegen und diffundieren, sodass CO2 schneller durch das Porennetz strömt und Methan effizienter verdrängt. Die Studie zeigt außerdem, dass die Strömungsgeschwindigkeiten in verschiedenen Bereichen des Porennetzwerks stark variieren und dass CO2-reiche Regionen tendenziell methanarme Bereiche sind – sowohl im fließenden Gas als auch an den festen Oberflächen – was ein klares Eins-zu-eins-Austauschmuster hervorhebt.

Was das für Energie und Klima bedeutet

Für Nichtfachleute lässt sich zusammenfassen: Diese Arbeit liefert ein detailliertes Bild davon, wie CO2 auf mikroskopischer Ebene physikalisch Methan aus Schiefer verdrängen kann. Das Modell legt nahe, dass eine Injektion von CO2 in höheren Konzentrationen in geeignete Schieferformationen sowohl die Erdgasgewinnung steigern als auch die langfristige Speicherung von CO2 durch Bindung an die inneren Gesteinsoberflächen fördern könnte. Zwar sind reale Lagerstätten komplexer als jedes Computermodell, doch stärken diese Ergebnisse die wissenschaftliche Grundlage für eine CO2-unterstützte Schiefergasförderung als Technologie mit doppeltem Zweck: Erschließung schwer zugänglicher Gasressourcen bei gleichzeitiger Hilfe, Kohlendioxid aus der Atmosphäre fernzuhalten.

Zitation: Zhang, Y., Xu, Y., Chen, X. et al. Study on CO₂/CH₄ displacement process in shale microscale models with adsorption/desorption behavior by lattice Boltzmann method. Sci Rep 16, 5033 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35062-y

Schlüsselwörter: Schiefergas, CO2-Speicherung, erhöhte Gasförderung, Methanverdrängung, Modellierung poröser Medien