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    • 专利摘要:
    DieErfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Speicherungund dauerhaften Fixierung von CO2 in Formationswasserführendengeologischen Formationen, wobei durch eine chemische Reaktion desCO2 mit Mineralen in der Formation CO2 in Form stabiler Minerale ausgefällt wird.Umeine überdie Speicherung des CO2 hinausgehende Reduktionder Umweltbelastung zu ermöglichen,wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,dass zur Ausfällungder stabilen Minerale das Formationswasser in der Formation abgekühlt wirdund die bei der Abkühlunggewonnene Wärme zuHeizzwecken und/oder Energieerzeugung verwendet wird.
    公开号:DE102004004689A1
    申请号:DE200410004689
    申请日:2004-01-29
    公开日:2005-09-01
    发明作者:Christoph Clauser；Helge Stanjek；Stefan Peiffer
    申请人:Clauser Christoph Prof Dr；Peiffer Stefan Prof Dr；Stanjek Helge Prof Dr；
    IPC主号:B65G5-00
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Speicherungund dauerhaften Fixierung von in Wasser gelöstem CO2 inFormationswasser führendengeologischen Formationen, wobei durch eine chemische Reaktion desCO2 mit Mineralen in der Formation CO2 in Form stabiler Minerale ausgefällt wird.
    [0002] DieVerringerung des anthropogenen CO2-Eintragesin die Atmosphäreist von überragenderBedeutung fürdie Entwicklung des Weltklimas. Neben der Entwicklung emissionsarmerKraftwerke ist die Speicherung und dauerhafte Fixierung von CO2 in geologischen Formationen kurz- und mittelfristigeine wichtige Möglichkeitzur Erreichung des von der deutschen Bundesregierung formulierten Zielesder Reduktion des deutschen CO2-Ausstoßes bis2005 um 25 % bezogen auf das Jahr 1990.
    [0003] Für eine Speicherungund Fixierung von CO2 im geologischen Formationenstehen mehrere Verfahrensansätzezur Verfügung,die auch in der Vergangenheit untersucht und diskutiert wurden.Letztlich werden die unterschiedlichen Ansätze danach bewertet, wie sicherund dauerhaft sie eine Speicherung von CO2 imUntergrund gestatten: – Direkte Einlagerung von gasförmigem oder überkritischemCO2 in ehemalige Erdgasreservoire; – PhysikalischeFixierung von CO2-Molekülen an den Oberflächen vonorganischem Kohlenstoff im Untergrund (etwa Kohlen) durch Adsorption; – [3],[5] [4], [6]: Chemische Reaktionen von in Wasser gelöstem CO2 mit geeigneten Mineralen in FormationswasserführendenFormationen und mit der damit einhergehenden Bindung und Ausfällung vonCO2 in Form sekundärer Karbonate.
    [0004] DieSpeicherung von CO2 in FormationswasserführendenFormationen (salinare Aquifere) verändert deren hydrodynamischesund geochemisches Gleichgewicht. Dabei kann ein Teil des im Reservoir gelösten CO2 unter geeigneten Bedingungen dauerhaftals Karbonat in der porösenGesteinsmatrix der Formation ausfallen. Dies hat auf Grund seinerAuswirkungen auf die Porositäteinen starken Einfluss auf die hydraulische Durchlässigkeitund kann sich damit auf die Speichereigenschaften des Aquifers auswirken.
    [0005] Weltweitwerden seit einiger Zeit die Vor- und Nachteile der unterschiedlichenMöglichkeitenzur CO2-Deponierung untersucht. Hinsichtlichder hierfür erforderlichenTechnologien kann bezüglicheiniger Aspekte auf bereits vorhandene Lösungen zurückgriffen werden, wie sie beider Bewirtschaftung von Erdöl-und Erdgaslagerstättenverwendet werden. Dies betrifft vor allem die Erschließung undBewirtschaftung geeigneter Gasspeicher. Gegenwärtig werden im norwegischenSektor der Nordsee ([1] Korbol und Kaddour, 1995) und im AlbertaBecken in Kanada ([2] Gunter et al., 1996) Versuche unternommen,CO2-Gas dauerhaft in tiefen Formationenzu speichern. Auswirkungen der CO2-Speicherungauf das komplexe physikalisch-chemische System in einem Reservoirkönnenauf Grund der lang andauernden geochemischen Prozesse nur mit Hilfeder numerischen Simulation untersucht werden. Erste Studien hierzubehandeln insbesondere das Problem von Grundwasserkontaminierunginfolge der durch CO2-Migration verdrängten salinaren Fluide, Zementationsprozessein tonigen Deckschichten übersolchen CO2-Blasen und die Auswirkungenvon Tonstrukturen innerhalb eines Aquifers auf die Abnahme der Migrationsgeschwindigkeitvon CO2-Gasblasen und die hieraus resultierendeZunahme von gelöstemCo2 ([3] Johnson et al. 2001; [4] Whiteet al., 2001; [5] McPherson & Lichtner,2001).
    [0006] Darüber hinauswurde von [6] Xu et al. (2003) die spezifische Speicherkapazität von CO2 durch Lösungund Ausfällungvon in Mineralen gebundenem CO2 unter geeignetenBedingungen am Beispiel eines Küstenaquifersin den USA auf 10 kg CO2 pro m3 Fluidberechnet.
    [0007] Ausgehendvon diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,ein Verfahren der eingangs erwähntenArt vorzuschlagen, das eine überdie Speicherung des CO2 hinausgehende Reduktionder Umweltbelastung ermöglicht.
    [0008] DiesAufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Artdadurch gelöst,dass zur Ausfällungder stabilen Minerale das Formationswasser in der Formation abgekühlt wirdund die bei der Abkühlunggewonnene Wärmezu Heizzwecken und/oder Energieerzeugung verwendet wird.
    [0009] DieErfindung macht sich die Erkenntnis zu nutze, dass es Formationengibt, deren Formationswasser zur Ausfällung stabiler CO2 bindenderMinerale gekühltwerden müssen.Des weiteren beruht die Erfindung auf dem Gedanken, dass die beider Kühlungfreigesetzte Wärmezur Energiegewinnung genutzt werden kann und damit eine weitereEntlastung der Umwelt nach sich zieht. Die Kühlung des aufgrund der geothernischenTiefenstufe warmen Formationswassers erfolgt durch den Eintrag vonWasser geringerer Temperatur von der Erdoberfläche in die Formation sowiedurch die Förderungwarmen Formationswassers aus der Formation an die Erdoberfläche, wodie von dem Formationswasser transportierte Erdwärme zu Heizzwecken und/oderEnergieverwendung genutzt werden kann.
    [0010] Diedauerhafte Speicherung und Fixierung von CO2 inFormationen im Untergrund wird durch chemische Bindung von CO2 in Form stabiler Minerale, insbesondereCalciumcarbonat erreicht. Fürdie damit einhergehenden chemischen Reaktionen sind daher vor allemFormationen mit calciumhaltigen Mineralen von Interesse, wie Feldspäte oderSulfate (z. B. Anhydrit : CaSO4; Gips :CaSO4 × H2O).
    [0011] Besondersgeeignet sind Anhydrit bzw. Gips-Formationen. Das warme Formationswasser stehtmit dem Anhydrit/Gips im Gestein im chemischen Gleichgewicht. DaAnhydrit/Gips bzgl. der Temperatur ein retrograde Löslichkeitaufweist, muss das warme Formationswasser abgekühlt werden. Nur so kann essich mit Calciumsulfat anreichern und anschließend CaCO3 ausfällen. Diebei der Abkühlungdes warmen Formationswassers gewonnene Wärme kann, wie es in an sichbekannten Anlagen zur Erdwärmenutzungbereits praktiziert wird, zu Heizzwecken verwendet oder in Stromgewandelt werden. Die Erdwärmenutzungreduziert den Energieaufwand fürdie Kühlungder Formationswässer. Darüber hinauswird durch die Erdwärmenutzungein zusätzlicher,das Klima schonender und daher umweltpolitisch erstrebenswerterEffekt erzielt.
    [0012] Einwichtiges Merkmal der erfindungsgemäßen mineralischen Umwandlungder Sulfat-Minerale Anhydrit/Gips besteht darin, dass eine Auflösung von Calciumsulfatund anschließendeAusfällungvon Calciumcarbonat mit einer Volumenverringerung von etwa 25 %für Anhydritund 50 % fürGips einhergeht. Füreine Speicherung und Fixierung von CO2 inder Formation durch Ausfällungvon Calciumcarbonat ist dies deshalb von Vorteil, weil der Umwandlungsprozessdie Formation nicht versiegelt und auf diese Weise den Prozess derCO2-Speicherung zum Erliegen bringt; vielmehrsteigt die Porositätder Gesteinsmatrix der Formation im Laufe der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrenssogar kontinuierlich an, sodass die mit CO2 übersättigtenFormationswässer,insbesondere Solen, immer weiter entfernte Teile der Formation erreichenkönnen.
    [0013] Inden gekühlten,mit Sulfat-Mineralen, insbesondere Anhydrit/Gips angereichertenFormationswässernkann CO2 als CaCO3 gebundenwerden, wenn die Formationswässeralkalisch sind (pH 6-7). Sofern das Formationswasser nicht bereitsalkalisch ist (pH-Wert 6-7), wird es erfindungsgemäß durch Einbringenalkalischer Substanzen auf einen alkalischen pH-Wert gebracht.
    [0014] 2 veranschaulichteine Modellrechung zur CO2-Speicherung und Fixierungals CaCO3 durch die Reaktion von CO2 mit Gips entlang eines pH-Gradienten (Anfangsbedingung:PCO2 = 3 atm). Berechnungen zeigen, dasshierbei für1 Mol CO2 1,7 Mol (OH)– erforderlichsind. Die Alkalinitätist somit ein limitierender Faktor für die Effektivität des mineralischenUmwandlungsprozesses.
    [0015] Besondersgeeignete Formationen zur Durchführungdes erfindungsgemäßen Verfahrens sindtiefe, Wasser führendeSchichten (Aquifere) mit Sulfat-Mineralen, wie Anhydrit bzw. Gips.Gegenüber anderengeologischen Formationen (z. B. erschöpfte Erdöl- und Ergaslagerstätten) bietenSie den Vorteil, dass sie weit verbreitet anzutreffen sind und leichterschlossen werden können.Aus diesem Grund lassen sich die Transportwege vom Ort der CO2-Produktion (Kraftwerk) bis hin zur Formationkurz gestalten und damit sind die durch den Transport anfallendenKosten minimal.
    [0016] EineAnwendung des erfindungsgemäßen Verfahrenskommt insbesondere in räumlicherNähe zueiner geothermischen Heizzentrale in Betracht, in der 50-100 m3/h Wasser umgesetzt werden.
    [0017] DiegroßenSedimentbecken, wie z. B. in Norddeutschland, sind grundsätzlich für eine untertägige Speicherungvon CO2 geeignet, da sie aus bis zu 10.000m von Sedimenten bestehen, welche einen bestimmten Anteil an Calciumsulfatenenthalten. Schenck et al. (2000) unterscheiden sechs hydrothermale,tief gelegene Formationen. Diese eignen sich auf Grund ihrer hohenPorositätund Permeabilitätund da sie noch oben hin abgeschlossen sind für eine Speicherung von CO2. Die flacher gelegenen Formationen (< 2000 m Tiefe )eignen sich ebenfalls grundsätzlichfür eineCO2-Speicherung, obwohl sie hinsichtlicheiner Erdwärmenutzungwegen ihrer vergleichsweise geringen Temperaturdifferenz zur Erdoberfläche wenigereffizient sind. In ihrer Untersuchung des geothermischen Potenzialsdes Rhät-Aquifersin Schleswig-Holsteinschätzen Schencket al. (2000) deren Volumen zwar auf etwa 1010 m3. Das durch mineralische Bindung im Rhät-Aquifer oder vergleichbarenFormationen deponierbare Gesamtvolumen an CO2 hängt jedochvon der in ihnen enthaltenen Menge an Sulfatmineralen ab.
    [0018] Anhydritist ein häufigin Sandsteinformationen enthaltenes Zementmineral, wie etwa in den Rhät- oderBuntsandsteinschichten. Teilweise befinden sich die Sulfat-Minerale in einerder Formation benachbarten Deckschicht. Das CO2 kannin diesen Fällendennoch durch Umwandlungsreaktionen in der Deckschicht an sekundäre Karbonategebunden werden auch wenn die Formation, der das CO2 zugegebenwurde frei von Sulfat-Mineralen ist. Für die Belange dieser Erfindungwird daher die Deckschicht als zu der Formation gehörig angesehen.Beispielsweise an einigen Stellen im nordostdeutschen Sedimentbeckenbefinden sich die Sulfat-Minerale in einer solchen Deckschicht.
    [0019] 1 zeigteine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung deserfindungsgemäßen Verfahrens.Die insgesamt mit 1 bezeichnete Formation mit calciumhaltigen Mineralen,insbesondere Anhydrit, wird von der schematisch dargestellten Erdoberfläche 2 über eineInjektionsbohrung 3 sowie eine Förderbohrung 4 erschlossen.In ihrer porösenGesteinsmatrix führtdie Formation 1 salinare Formationswässer, die aufgrund der mitder Tiefe zunehmenden Temperatur (geothermische Tiefenstufe) einedeutlich höhereTemperatur aufweisen, als die Außentemperatur an der Erdoberfläche 2.Das aufgeheizte Formationswasser tritt über die Förderbohrung 4 alsHeißwasseroder Heißdampfan einer Austrittsöffnung 5 ander Erdoberflächein eine Leitung 6 ein, die mit der Austrittsöffnung 7 derInjektionsbohrung übereine Verbindungsleitung 6 verbunden ist.
    [0020] DieVerbindungsleitung 6 wird über einen Wärmetauscher 8 geführt, derdem Heißwasserbzw. Heißdampfdie Wärmeentzieht und an ein anderes dampfförmiges oder flüssiges Mediumabgibt, dass den Wärmetauscher 8 ebenfallsdurchströmt.Diese Wärmekann entweder direkt zu Heizzwecken oder zur Energieerzeugung verwendetwerden. Das den Wärmetauscher 8 inRichtung der Eintrittsöffnung 7 derInjektionsbohrung 3 verlassende, rückgekühlte Formationswasser wird über einein der 1 nicht dargestellte Pumpe, wieder in die Formationgefördert,wobei gleichzeitig übereinen nahe der Eintrittsöffnung 7 angeordnetenEinlass CO2 in das Formationswasser eingebrachtwird, das überdie Injektionsbohrung mit dem Wasser und ggf. alkalischen Substanzenin die Formation verpresst wird. Die Pumpe ist beispielsweise alsTauchpumpe oder aber als in die Leitung 6 eingebaute Pumpeausgeführt.
    [0021] Durchdie Zuführungdes rückgekühlten Formationswasserswird das warme Formationswasser abgekühlt. Aufgrund der mit sinkenderTemperatur abnehmenden Löslichkeitdes Anhydrit reichert sich dieses in dem Formationswasser an, sodass anschließendCalciumkarbonat CaCO3 ausfällt.
    [0022] Ineiner alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Austrittsöffnungen 5, 7 derInjektionsbohrung 3 sowie der Förderbohrung 4 nichtmiteinander verbunden. Eine solche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnungzur Durchführungdes Verfahrens kommt beispielsweise dann in Betracht, wenn das FormationswasserTrinkwasserqualität aufweist.In diesen Fällenkann das überdie Förderbohrung 4 zuTage geförderteWasser bzw. Heißdampf über denWärmetauscher 8 einerTrinkwasseraufbereitungsanlage zugeführt werden. Da das Wasser nichtim Kreislauf geführtwird, ist es dann allerdings erforderlich, die Austrittsöffnung 7 derInjektionsbohrung 3 mit einer Wasserquelle zu verbinden, wobeigewährleistetsein muss, dass die Temperatur des zugeführten Wassers unterhalb derTemperatur des Formationswassers liegt.
    Literatur:
    [1] Korbol, R., and Kaddour, A., 1995. Sleipnervest CO2 disposal – Injection of removed CO2 into the Utsira Formation, Energy Convers.Manag., 36, 509-512, 1995.[2] Gunter, W. D., Bachu, S., Law, D. H. S., Marwaha, V., Drysdale,D. L., MacDonald, D. E., and McCann, T. J., 1996. Technical andeconomic feasibility of CO2 disposal inaquifers within the Alberta Sedimentary Basin, Canada, Energy Convers.Manag., 37, 1135-1142, 1996.[3] Johnson, J. W., J.J. Nitao, C.I. Steffel, and K.G. Knaus,2001. Reactive transport modelling of geologic CO2 sequestrationin saline aquifers: The influence of intraaquifer shales and therelative effectiveness of structural, solubility, and mineral trappingduring prograde and retrograde sequestration, paper presented atFirst National Conference on Carbon Sequestration, Washington, DC,May 14-17, 2001.[4] White, S. P., Weir, G. J., Kissling, W. M., 2001. NumericalSimulation of CO2 Sequestration in Natural CO2 Reservoirson the Colorado Plateau, paper presented at First National Conferenceon Carbon Sequestration, Washington, DC, May 14-17, 2001.[5] McPherson, B. J. O. L., Lichtner, P. C., 2001. CO2 Sequestrationin Deep Aquifers, paper presented at First National Conference onCarbon Sequestration, Washington, DC, May 14-17, 2001.[6] Xu, T., Apps, J. A., and Pruess, K., 2003. Reactive geochemicaltransport simulation to study mineral trapping for CO2 disposalin deep arenaceous formations, J. Geophys. Res., 108 (B2), 2071, doi:10.1029/2002JB001979.[7] Schenck, P-F, Kirsch, R., and Christensen, S., 2000. DasGeothermische Potential in Schleswig-Holstein, Zeitschrift für AngewandteGeologie, 46, 130-137.
    权利要求:
    Claims (9)
    [1] Verfahren zur Speicherung und dauerhaften Fixierungvon CO2in Formationswasser führenden geologischenFormationen, wobei durch eine chemische Reaktion des CO2 mitMineralen in der Formation CO2 in Form stabilerMinerale ausgefälltwird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausfällung derstabilen Minerale das Formationswasser in der Formation (1)abgekühltwird und die bei der Abkühlunggewonnene Wärmezu Heizzwecken und/oder Energieerzeugung verwendet wird.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass eine Formation mit solchen calciumhaltigen Mineralen ausgewählt wird,deren Löslichkeitmit abnehmender Temperatur zunimmt.
    [3] Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Formation Sulfat-Minerale, insbesondere Anhydrit oder Gipsenthält.
    [4] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass das Formationswasser in der Formation durch Einbringen alkalischer Substanzenauf einen alkalischen pH-Wert gebracht wird.
    [5] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass die geologische Formation übermindestens eine Injektionsbohrung und eine mindestens Förderbohrungerschlossen wird.
    [6] Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,dass in Wasser gelöstesCO2 überdie Injektionsbohrung (3) der Formation (1) zugeführt wird, wobeidie Temperatur des Wassers geringer als die des Formationswassersin der Formation ist und durch die Förderbohrung (4) Heißwasseroder Heißdampfaus der Formation an die Erdoberfläche gefördert wird.
    [7] Verfahren nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet,dass die Austrittsöffnung(7) mindestens einer Injektionsbohrung (3) unddie Austrittsöffnung(5) mindestens einer Förderbohrung(4) unter Zwischenschaltung eines Wärmetauschers (8) miteinander verbundenwerden.
    [8] Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einemder Ansprüche1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die geologische Formation(1) über mindestenseine Injektionsbohrung (3) mit einem Einlass zum Einbringendes CO2 und mindestens eine Förderbohrung(4) zum Fördernvon Heißwasser oderHeißdampfaus der Formation (1) erschlossen ist.
    [9] Anordnung zur Durchführung des Verfahrens Anspruch8, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (7) mindestenseiner Injektionsbohrung (3) und die Austrittsöffnung (5)mindestens einer Förderbohrung(4) übereine einen Wärmetauscher(8) aufweisendende Leitung (6) miteinander verbunden sindund die Anordnung mindestens eine Pumpe zum Einpressen von Wassermit CO2 und ggf. Zusätzen in die Formation (1)aufweist.
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    Gunter et al.2000|Aquifer disposal of acid gases: modelling of water–rock reactions for trapping of acid wastes
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    AT380153T|2007-12-15|
    EP1571105A3|2006-03-15|
    DE102004004689B4|2006-10-05|
    EP1571105B1|2007-12-05|
    EP1571105A2|2005-09-07|
    DE502005002122D1|2008-01-17|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-09-01| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2007-04-05| 8364| No opposition during term of opposition|
    2009-11-19| 8339| Ceased/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410004689|DE102004004689B4|2004-01-29|2004-01-29|Verfahren und eine Anordnung zur Speicherung und dauerhaften Fixierung von in Wasser gelöstem CO2 in geologischen Formationen|DE200410004689| DE102004004689B4|2004-01-29|2004-01-29|Verfahren und eine Anordnung zur Speicherung und dauerhaften Fixierung von in Wasser gelöstem CO2 in geologischen Formationen|
    DE200550002122| DE502005002122D1|2004-01-29|2005-01-15|Verfahren und eine Anordnung zur Speicherung und dauerhaften Fixierung von in Wasser gelöstem CO2 in geologischen Formationen|
    AT05000779T| AT380153T|2004-01-29|2005-01-15|Verfahren und eine anordnung zur speicherung und dauerhaften fixierung von in wasser gelöstem co2 in geologischen formationen|
    EP20050000779| EP1571105B1|2004-01-29|2005-01-15|Verfahren und eine Anordnung zur Speicherung und dauerhaften Fixierung von in Wasser gelöstem CO2 in geologischen Formationen|
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