Der Boden als CO2-Speicher Endlager für Kohlendioxid? Wie lange das Gas im Boden bleibt

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Als Maßnahme gegen den Klimawandel wird es wohl unverzichtbar sein, Kohlenstoffdioxid aktiv aus der Atmosphäre zu entfernen. Doch wohin damit? Eine Option ist, das Gas in den Boden zu pumpen. Wie lange es dort verbleiben wird, haben Forscher anhand von Modellrechnungen an Supercomputern untersucht.

Es darf kein CO₂ mehr durch Industrie, Verkehr und andere menschliche Errungenschaften in die Atmosphäre gelangen, wenn wir den Klimawandel noch aufhalten wollen. Doch die „Netto-Null-CO₂-Emissionen“ allein werden nicht ausreichen, um negative Klimaeffekte noch unter Kontrolle zu halten. Zusätzlich wird es nötig sein, bereits in der Atmosphäre vorhandenes Kohlendioxid einzufangen und dauerhaft zu lagern, etwa indem man es tief in den Boden pumpt. Das wirft die Frage auf: Was passiert langfristig mit diesem CO₂? Bleibt es garantiert im Boden, oder kann es passieren, dass es über Jahrzehnte oder Jahrhunderte doch wieder entweicht?

Hochaufwändige numerische Simulationen auf Supercomputern zeigen nun erstmals genau, was passiert, wenn sich CO₂ mit Grundwasser mischt: In einem komplexen Zusammenspiel aus CO₂-reicheren und CO₂-ärmeren Bereichen sinkt das CO₂-reichere Wasser langsam nach unten, das Kohlenstoffdioxid kann somit dauerhaft in der Erde aufbewahrt werden.

Wie speichert man CO₂ im Boden?

Tief im Boden ist der Druck so hoch, dass Kohlendioxid eine Flüssigkeit ist – allerdings mit deutlich geringerer Dichte als Wasser. Man könnte daher meinen, dass CO₂ sofort nach oben driften muss, wenn man es unter die Erde ins Grundwasser pumpt. Doch die Realität ist etwas komplizierter.

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„Pures CO₂ hat zwar eine geringere Dichte als Wasser, aber die Sache ändert sich, wenn CO₂ in Wasser gelöst ist. Bei dieser Vermischung wird das Gesamtvolumen kleiner, eine dichtere Flüssigkeit entsteht“ erklärt Marco De Paoli, Leiter des Forschungsprojekts an der TU Wien. Stark CO₂-haltiges Wasser hat eine höhere Dichte als Wasser mit geringerem CO₂-Anteil und sinkt daher nach unten.

„Dadurch, dass CO₂-reicheres Wasser eine höhere Dichte hat als CO₂-armes Wasser, ergibt sich im porösen Gestein eine hochinteressante Dynamik“, sagt der Forscher. „Dort, wo die CO₂-Konzentration am höchsten ist, sinkt die Mischung schneller nach unten, das wiederum sorgt für noch bessere Durchmischung.“ So bildet sich ein netzartiges Muster aus CO₂-reicheren und CO₂-ärmeren Gebieten.

Speicherdauer: unbegrenzt

Insgesamt ergaben die Computersimulationen ein deutliches Ergebnis: das CO₂ sinkt nach unten und bleibt auch dort – für unbeschränkte Zeiträume.

Aus den Berechnungen leitete das Team schließlich einfache Modelle ab, die nun in der Praxis verwendet werden können, um den CO₂-Fluss im Boden vorherzusagen. So sollen sich künftig Injektions-Strategien entwickeln lassen, ohne für jede Situation neue aufwändige Computersimulationen durchführen zu müssen.

Nicht jeder Boden eignet sich als CO₂-Speicherstätte

Eine derartige Gasspeicherung im Boden ist natürlich nicht überall möglich. Voraussetzung ist zunächst eine möglichst undurchlässige Gesteinsschicht als Trenner, unter der sich das CO₂ sammeln kann, bis es sich in Wasser gelöst hat. Das Gestein darunter sollte möglichst porös sein, damit das CO₂-haltige Wasser leicht nach unten sinken kann. Ist das geschehen, spielt die undurchlässige Gesteinsschicht darüber keine Rolle mehr. Auch geologische Veränderungen, etwa Erdbeben oder menschliche Eingriffe, würden die Situation nicht mehr beeinflussen. Das CO₂ ist sicher im Boden verwahrt.

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„Solche geologischen Gegebenheiten sind gar nicht so selten“, sagt De Paoli. „Man könnte ehemalige Erdöllagerstätten verwenden. Es gibt auch sowohl unter dem Meeresgrund als auch im Landesinneren große Gebiete, so genannte salzhaltige Aquifere, wo CO₂-Speicherung nach diesem Schema möglich wäre. Allein in Österreich gibt es mindestens sechs solche Aquifere.“

In seinem ERC-Forschungsprojekt will De Paoli in den nächsten Jahren an der TU Wien noch weitere Forschungsfragen beantworten: etwa, wie sich das Gestein verändert, wenn es von CO₂-haltigem Wasser durchflossen wird. Durch chemische Reaktionen können sich bestimmte Mineralien im Gestein auflösen, wodurch ein noch höherer CO₂-Fluss nach unten möglich wäre. „All diese Fragen müssen genau geklärt werden, wenn wir die Effekte des Klimawandels in großem Stil abmildern wollen“, sagt De Paoli.

Internationale Kooperation

Diese Forschungsarbeit, die durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon Europe und das Gemeinsame Unternehmen für Europäisches Hochleistungsrechnen (EuroHPC) finanziert wurde, ist das Ergebnis einer internationalen Kollaboration, an der Wissenschaftler der Universität Twente (Enschede, Niederlande), der Universität La Sapienza (Rom, Italien), der Universität Newcastle (Newcastle upon Tyne, Vereinigtes Königreich) sowie die Doktorandinnen Lea Enzenberger und Eliza Coliban von der TU Wien beteiligt waren.

Originalpublikation: M. De Paoli et al.: Simulation and Modeling of Convective Mixing of Carbon Dioxide in Geological Formations, Geophysical Research Letters 52, 7 (2025): DOI: 10.1029/2025GL114804

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