Bewertung des Speicherpotenzials und Optimierung günstiger Zonen für die geologische CO2-Verpressung in tiefen Kohlelagerstätten

Warum die Speicherung von Kohlenstoff in Kohleflözen wichtig ist

Um die CO2-Emissionen schnell genug zu reduzieren, damit Klimaziele erreichbar bleiben, braucht es nicht nur sauberere Energie, sondern auch Orte, an denen große Mengen CO2 über Jahrhunderte sicher unterirdisch gebunden werden können. Tiefe, nicht bergbaulich nutzbare Kohleflöze sind eine vielversprechende Option: Sie können CO2 an ihren inneren Oberflächen adsorbieren und festhalten und gleichzeitig wertvolles Grubengas auspressen. Diese Studie untersucht ein bedeutendes Kohleflöz im Qinshui-Becken in China mit einer praktischen Frage: Wie viel CO2 können diese tiefen Kohleschichten wirklich aufnehmen, und wo liegen die besten Injektionsbereiche?

Das unterirdische Umfeld unter einem Kohleregion

Die Arbeit konzentriert sich auf das Flöz Nr. 3 im südlichen Qinshui-Becken, einer der wichtigsten Kohle- und Grubengasregionen Chinas. Hier liegen mächtige Schichten mittel- bis hochgradiger Kohle mehrere hundert bis über tausend Meter unter der Oberfläche, eingebettet zwischen dichten Tonschiefern und Sandsteinen, die als natürliche Sperrschichten wirken. Das Grundwasser ist in weitgehend getrennte Schichten gegliedert, sodass sich Fluide nicht leicht zwischen ihnen bewegen. Die Zielkohle ist eine harte, hochgradige Anthrazitkohle mit sehr kleinen Poren und großer innerer Oberfläche, was sie besonders geeignet macht, Gas durch Adsorption—also Anhaften von Molekülen an Porenwänden—zu halten; die umgebenden Gesteine tragen dazu bei, Leckagen zu verhindern.

Wie sich CO2 mit zunehmender Tiefe verhält

Wenn CO2 in den Untergrund gepumpt wird, steigen Temperatur und Druck mit der Tiefe und drängen das Gas schließlich in einen überkritischen Zustand, der die Dichte einer Flüssigkeit und die Beweglichkeit eines Gases besitzt. Die Forscher rekonstruierten diese Bedingungen im Labor mit pulverisierter Kohle aus etwa 900 Metern Tiefe. Sie maßen, wie viel CO2 die Kohle bei drei Temperaturen (20, 30 und 40 °C) und Drücken bis zu 20 Megapascal aufnehmen kann. Bei allen Temperaturen nahm die Kohle zunächst bei steigendem Druck schnell CO2 auf, erreichte dann ein Maximum und zeigte schließlich einen leichten Rückgang der gemessenen „exzessiven“ Menge. Wärmere Bedingungen verringerten die bei einem gegebenen Druck gehaltene CO2-Menge, was bedeutet, dass tiefere, heißere Flöze sich anders verhalten als flachere, kühlere.

Aufbau eines einfachen, aber leistungsfähigen Speicherrechners

Um diese Messungen in ein Planungswerkzeug zu überführen, prüfte das Team drei gängige mathematische Adsorptionsbeschreibungen und stellte fest, dass ein mehrschichtiges Modell, bekannt als BET-Modell, das CO2-Verhalten am besten erfasste, insbesondere in der Nähe und oberhalb des kritischen Punktes, wo das Gas überkritisch wird. Sie kombinierten dieses Adsorptionsmodell mit getrennten Formeln für CO2, das als freies Fluid den offenen Porenraum besetzt, und für den kleinen Anteil, der sich im Formationwasser löst. Minerale Reaktionen, die CO2 über Millionen von Jahren in feste Karbonate binden würden, wurden für ingenieurtechnisch relevante Zeitskalen in diesem Flöz als vernachlässigbar beurteilt. Das Ergebnis ist ein kompaktes Gleichungsset, das die gesamte CO2-Speicherkapazität pro Masseneinheit Kohle als Funktion der Tiefe schätzt, unter Verwendung typischer Werte für Porosität, Wassergehalt, Kohledichte sowie in-situ-Druck und -Temperatur.

Wie viel gespeichert werden kann und wo es am besten ist

Mit regionalen geologischen Daten in dieses Rahmenwerk eingespeist, berechneten die Autoren, wie sich die Speicherkapazität von etwa 300 bis 1300 Metern Tiefe verändert. In flacheren, „subkritischen“ Schichten dominiert die Adsorption an Kohleoberflächen und nimmt mit der Tiefe moderat zu, bevor sie sich einpendelt. Unterhalb von etwa 800 Metern, wo CO2 überkritisch wird, steigt der Anteil der Speicherung als dichtes freies Fluid in den Poren schnell an, und die Gesamtkapazität klettert steil bis etwa 1100 Meter, dann langsamer weiter. Insgesamt könnten die Hauptkohleschichten im Untersuchungsblock theoretisch rund 575 Millionen Tonnen CO2 aufnehmen, wobei etwa zwei Drittel dieser Kapazität in der tieferen überkritischen Zone liegen. Detaillierte strukturelle Kartierungen zeigen, dass die vielversprechendsten Zonen, bezeichnet als Einheiten I und II, im nördlichen, strukturell einfachen Teil des Blocks liegen, wo mächtige Kohle, gute Sperrgesteine und wenige ausbruchsfördernde Verwerfungen mit hohem Grubengaspotenzial zusammenfallen.

Was dies für Klimaschutz und Energieverbrauch bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Kernbotschaft, dass bestimmte tiefe Kohleflöze wie riesige unterirdische Schwämme für CO2 wirken können, besonders dort, wo Druck und Temperatur das Gas in einen dichten, überkritischen Zustand bringen. Im Qinshui-Becken-Beispiel machen die Adsorption an der Kohle und dichtes freies CO2 im Porenraum zusammen über 99 % des Speicherpotenzials aus, während Lösung im Wasser und sehr langsame Mineralreaktionen kurzfristig bis mittelfristig kaum eine Rolle spielen. Die Studie zeigt, dass die beste Tiefe für Sicherheit und Effizienz zwischen etwa 800 und 1100 Metern liegt und dass die besten Injektionsstandorte oft mit bestehenden Gasfeldern und Bohrungen zusammenfallen. Das eröffnet die Möglichkeit für Projekte, die CO2 speichern und gleichzeitig die Methanproduktion steigern—was hilft, die Speicherprojekte zu finanzieren und Chinas „Dual-Carbon“-Ziele des Emissionsgipfels und der anschließenden Reduktion voranzubringen.

Zitation: Xue, Z., Xu, X., Tian, L. et al. Potential evaluation and favorable zone optimization of CO₂ geological sequestration in deep coal reservoirs. Sci Rep 16, 12208 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42680-z

Schlüsselwörter: CO2-Speicherung, tiefe Kohleflöze, überkritische Fluide, Grubengas (Coalbed Methane), CO2-Abscheidung und -Speicherung