Entwicklung der Porenstruktur in Kohle während unterirdischer thermischer Behandlung: eine experimentelle Untersuchung

Kohle vom Klimaproblem zum Klimainstrument machen

Kohle gilt meist als treibende Kraft des Klimawandels, doch diese Forschung untersucht einen Weg, tiefe, unbergbare Kohleflöze in eine sauberere Energiequelle und in eine langfristige Zuflucht für Kohlendioxid (CO2) zu verwandeln. Indem man Kohle unterirdisch behutsam erhitzt statt sie an der Oberfläche zu verbrennen, lassen sich nützliche Brennstoffe erzeugen und gleichzeitig ein kohlenstoffreiches, schwammartiges Material zurücklassen, das CO2 sicher speichern könnte. Diese Studie stellt eine einfache, aber entscheidende Frage: Wie verändert sich die innere „Poren“-Struktur der Kohle beim In-situ-Erhitzen, und wie gut könnte sie danach CO2 aufnehmen?

Kohle erhitzen, ohne sie auszugraben

Der Ansatz, genannt unterirdische thermische Kohlebehandlung, erwärmt Kohleflöze langsam in einer sauerstofffreien Umgebung auf Temperaturen bis zu 600 °C. Anstatt die Kohle abzubauen, würden Ingenieure Wärme über Bohrungen einführen, die entstehenden Gase und Flüssigkeiten sammeln und dieselben Bohrungen anschließend nutzen, um CO2 wieder in den behandelten Flöz zu injizieren. Der zurückbleibende Feststoff, bekannt als pyrolytische Koks (Char), verhält sich ein wenig wie ein steifer, kohlenstoffbasierter Schwamm mit Poren unterschiedlicher Größe. Diese Poren bestimmen, wie viel Brennstoff während der Erhitzung gewonnen werden kann und wie viel CO2 das Gestein danach aufnehmen kann, weshalb das Verständnis ihrer Entwicklung zentral für die Auslegung eines sicheren, kohlenstoffarmen Verfahrens ist.

Ein Blick in das verborgene Labyrinth der Kohle

Um dieses verborgene Porennetz zu untersuchen, entnahmen die Autoren niedrigmetamorphe Kohleproben aus der Inneren Mongolei und erhitzten Proben sehr langsam auf acht Zieltemperaturen zwischen 30 °C und 600 °C unter Heliumatmosphäre. Anschließend nutzten sie drei ergänzende Labortechniken: CO2-Adsorption zur Untersuchung der winzigsten Poren (kleiner als 2 Nanometer), Stickstoff-Adsorption zur Charakterisierung mittelgroßer Poren und Quecksilbereindringung zur Kartierung größerer Poren und Risse. Zusammen erlaubten diese Methoden, Veränderungen im gesamten Porenvolumen, in der inneren Oberfläche und in der Komplexität des Porennetzes nachzuverfolgen, während die Kohle verschiedene Erhitzungsstadien durchlief.

Vom schrumpfenden Raum zum wachsenden Schwamm

Die Ergebnisse zeigen, dass Kohle sich beim Erhitzen nicht einfach „öffnet“; vielmehr durchläuft ihr innerer Raum deutliche Phasen. Zunächst, wenn die Temperatur von Raumtemperatur auf etwa 350 °C ansteigt, sinkt das gesamte Porenvolumen tatsächlich, obwohl die innere Oberfläche leicht zunimmt. Während der frühen Erhitzung gebildete Flüssigkeiten sickern in größere Poren und verstopfen diese teilweise, während eine moderate Anzahl neuer winziger Poren entsteht. Zwischen etwa 350 °C und 450 °C kehrt sich dieser Trend um: Gase und zerfallene Flüssigkeiten entweichen, wodurch neue Hohlräume entstehen und sowohl große als auch kleine Poren sich erweitern. Oberhalb von etwa 450 °C, und besonders bei 600 °C, entwickelt die Kohle deutlich mehr der kleinsten Poren sowie eine Wiederbelebung großer Poren, sodass sowohl das Gesamtvolumen als auch die Oberfläche merklich zunehmen und das Porennetz besser vernetzt wird.

Drei Schlüsselschritte in der Transformation der Kohle

Indem sie diese Messungen mit einem Standardindikator für die Kohle-Reife verknüpften, identifizierten die Forschenden drei Stadien im unterirdischen Erhitzungsprozess. Im ersten Stadium (niedrige Reife) geht Raum verloren, weil Flüssigkeiten mittelgroße und große Poren füllen. Im zweiten Stadium (mittlere Reife) schaffen schneller organischer Zerfall und Gasfreisetzung neue Kanäle und erhöhen das Porenvolumen und die Konnektivität schlagartig. Im letzten Stadium der Gasbildung bei höherer Reife erzeugen anhaltende Gasfreisetzung und strukturelle Umorganisation eine dichte Population winziger Poren neben der Ausweitung großer Poren. Kleine Poren liefern den größten Teil der inneren Oberfläche, an der CO2-Moleküle haften können, während größere Poren als „Autobahnen“ dienen, die CO2 helfen, sich in das Gestein hinein und hindurch zu bewegen.

Was das für die unterirdische Kohlenstoffspeicherung bedeutet

Alltagsgemäß verwandelt sorgfältiges unterirdisches Erhitzen ein relativ kompaktes Stück Kohle in einen komplexeren, mehrstufigen Schwamm. Die Studie zeigt, dass ein Betrieb bei höheren Behandlungstemperaturen innerhalb des getesteten Bereichs die Anzahl mikroskopischer Nischen, in denen CO2 gehalten werden kann, deutlich erhöht und die Wege verbessert, die das Gas durch das Flöz leiten. Diese Kombination könnte es der unterirdischen thermischen Kohlebehandlung ermöglichen, nützliche Brennstoffe zu liefern und zugleich einen unterirdischen Filter zu hinterlassen, der CO2 langfristig speichern kann, und so die Kohle von einer reinen Klimabelastung hin zu einem Bestandteil einer umfassenderen Kohlenstoff-Management-Strategie wandeln.

Zitation: Yang, S., Li, S., Hou, W. et al. Evolution of pore structure in coal during underground thermal treatment: an experimental investigation. Sci Rep 16, 7424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38256-6

Schlüsselwörter: unterirdische thermische Kohlebehandlung, CO2-Speicherung, Kohleporen, saubere Kohletechnologie, Kohlenstoffspeicherung