Monitoring

Bei der Überwachung sind die folgenden Fragen zu berücksichtigen.

Wie kann ein CO2-Austritt am Meeresboden festgestellt werden?

CO2-Lagerstätten müssen überwacht werden, um CO2-Austritte in einem frühen Stadium zu erkennen. In den letzten Jahren wurden eine Reihe von Methoden entwickelt und in der Praxis erprobt, um CO2-Austritte am Boden der Nordsee zu erkennen.

Diese Überwachungsmethoden wurden auf europäischer Ebene im Rahmen der Projekte ECO2 und STEMM-CCS (Sub-seabed carbon dioxide storage) intensiv untersucht. Es zeigte sich, dass Fächerecholote besonders geeignet sind, da mit diesen Geräten Gaslecks schon bei geringen Mengen und flächendeckend geortet und vermessen werden können. Darüber hinaus können chemische Sensoren eingesetzt werden, um das im Bodenwasser gelöste CO2 aufzuspüren und zu quantifizieren. Die Fächerecholote und chemischen Sensoren können sowohl auf Schiffen als auch auf autonomen Unterwasserfahrzeugen eingesetzt werden, um eine regelmäßige Überwachung zu gewährleisten (AIMS3-Projekt). Der Ansatz des GEOSTOR-Projekts besteht jedoch darin, mögliche Leckagen und Leckagepfade frühzeitig zu erkennen und zu kartieren, bevor es zu einem CO2-Austritt am Meeresboden kommt. Die dafür bisher eingesetzten aktiv-seismischen Methoden liefern nur Momentaufnahmen der CO2-Ausbreitung im Untergrund und führen zu einer erheblichen Lärmbelastung, durch die z.B. Meeressäuger beeinträchtigt werden können (Umwelt). In GEOSTOR wird daher die passive Seismik weiterentwickelt und eingesetzt, um Mikrobeben aufzuspüren und physikalische Veränderungen im Gestein zu beobachten sowie die CO2-Ausbreitung in der Speicherformation sichtbar zu machen.

Wie kann die Druckentwicklung in der Speicherformation überwacht werden?

Für die CO2-Speicherung werden durchlässige Speicherformationen (z. B. Sandstein) verwendet, die mit undurchlässigen Barriereschichten (z. B. Tonstein) abgedeckt werden. Ziel ist es, eine gleichmäßige CO2-Dispersion (Verteilung) in der durchlässigen Speicherformation zu erreichen und gleichzeitig zu verhindern, dass CO2 aus dem Speicher entweicht.

Die Druckentwicklung in der Speicherformation wird dabei anhand des Drucks bewertet, der aufgebracht werden muss, um das CO2 in die Speicherformation zu bringen (Injektionsdruck). Zusätzlich werden Drucksensoren im Speicher installiert, um den Druck direkt im Speicher zu messen. Die Speicherung muss gestoppt werden, wenn der Druck zu stark ansteigt, d. h. vorher festgelegte Grenzen überschreitet. Dieses Problem kann auftreten, wenn die Lagerstättenformation weniger durchlässig ist als aufgrund der Vorerkundungen erwartet. Erhebliche Druckänderungen im Gesteinsvolumen können zu geomechanischen Veränderungen im Gesteinsvolumen führen, die zur Entstehung oder Reaktivierung von Brüchen, Rissen und Verwerfungen führen können.  Diese örtlich begrenzte Aufspaltung des Gesteins löst kleine mikroseismische Ereignisse aus, die von Ozeanboden-Seismometern auf dem Meeresboden erfasst werden können. Mit dieser passiven, nicht-invasiven seismischen Methode lassen sich Veränderungen im Aufkommen dieser mikroseismischen Ereignisse im Laufe der Zeit erfassen. Die Verteilung der Mikroseismizität charakterisiert bevorzugte Fließwege und Zonen, in denen die unterirdischen Barrieren durchbrochen werden. Diese Methode dürfte die Kosten sowie die Eingriffe in die Natur erheblich reduzieren und es ermöglichen, die CO2-Ausbreitung in einem größeren Gebiet und dauerhaft zu erfassen.

Kann die CO2-Ausbreitung im Untergrund sichtbar gemacht werden?

Die Ausbreitung von CO2 in der Speicherformation kann mit geophysikalischen Methoden verfolgt werden. Dieser Ansatz wurde bereits erfolgreich bei der CO2-Speicherung in der norwegischen Nordsee (Sleipner-Projekt) angewandt. Bislang wurden aktive seismische Methoden eingesetzt, die zwar sehr aufschlussreich sind, aber aufgrund der erheblichen Lärmentwicklung Schweinswale und anderen Meeressäugern stören können (Umwelt). Zudem wird das Reservoir nur kurzzeitig abgebildet.

Das GEOSTOR-Projekt entwickelt daher eine neue umweltfreundliche und minimalinvasive Methode, um die CO2-Ausbreitung zu verfolgen und Veränderungen im Untergrund frühzeitig zu erkennen. Dazu werden Ozeanbodenseismometer (OBS) auf dem Meeresboden installiert, die seismische Geschwindigkeiten und mikroseismische Ereignisse im Untergrund („Mini-Erdbeben“) aufzeichnen. Die mikroseismischen Ereignisse im Untergrund können mit Hilfe der OBS und der Full Wave Location-Technologie überwacht werden, die den seismischen Momententensor im Gestein unter Verwendung des vollständigen Wellenformsignals, das auf drei Komponenten (x, y, z) der OBS registriert wird, mit dem geringsten Signal-Rausch-Verhältnis erfassen. Diese mikroseismischen Ereignisse können auf Druckänderungen, Flüssigkeitsverschiebungen, Sättigung der Porenflüssigkeit, Reaktivierung von Klüften und Filtrationskanälen zurückzuführen sein. Die Methode erfordert daher keine aktiven seismischen Quellen, und es ist nur wenig Schiffszeit erforderlich, um das OBS einzurichten und zu warten, so dass keine nennenswerte Lärmbelästigung entsteht (Raumplanung). Jedes eingesetzte OBS zeichnet kontinuierlich seismische Daten auf und ermöglicht somit auch eine kontinuierliche Bewertung des Zustands des Reservoirs.

Wie kann die große Menge an kontinuierlich aufgezeichneten Daten verarbeitet werden?

Eine automatisierte und optimierte Interpretation der Daten ist eine Voraussetzung für ein industriell skalierbares und gesellschaftlich akzeptables Überwachungssystem (Monitoring, Messung und Verifizierung) der CO2-Sequestrierung in Offshore-Lagerstätten.

Die Menge der erzeugten Daten nimmt im Laufe der Zeit zu, insbesondere bei langfristigen Projekten und mit der zunehmenden Zahl der weltweit geplanten CCS-Projekte, die auf das Erreichen des Netto-Null-Ziels und die Abschwächung des Klimawandels abzielen. Diese wachsenden Datenmengen müssen effizient verarbeitet werden, um eine zeitnahe Interpretation der Daten zu gewährleisten und so die mit der CO2-Speicherung verbundenen Risiken zu verringern.  In dem Projekt werden neue Wege entwickelt, um die großen Datenmengen, die bei dieser passiv-seismischen Methode anfallen, effizient auszuwerten. Dabei werden auch Ansätze aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) genutzt, um die Analyse seismischer Ereignisse zu automatisieren und qualitativ zu verbessern. Für eine optimierte und schnelle Datenverarbeitung werden Methoden zur skalierbaren Verarbeitung in der Cloud entwickelt. Die Datenverarbeitungs- und Interpretationsverfahren werden anhand von passiv-seismischen Datensätzen, die im Rahmen von Speicherprojekten aufgenommen wurden, optimiert.

Darüber hinaus werden die Anordnung und technische Konfiguration der OBS optimiert, um eine gute Abdeckung der Speicherformation zu gewährleisten.  Für diese Optimierung werden Ergebnisse zur CO2– und Druckausbreitung verwendet, die auf Simulationen der CO2-Speicherung in den beiden GEOSTOR-Arbeitsgebieten beruhen (Geologie).

Warum wird in GEOSTOR eine neue Überwachungsmethodik entwickelt?

Das Ziel dieser neuen Technologieentwicklung ist es, eine kontinuierliche Beobachtung der dreidimensionalen CO2-Ausdehnung im Untergrund zu erreichen, ohne die Meeresumwelt zu beeinträchtigen. Außerdem sollen die Kosten für die CO2-Überwachung extrem reduziert werden (Raumplanung). Zudem kann die Seismizität genutzt werden, um geotechnische Risiken frühzeitig zu erkennen (Umwelt)

Team:

Dr. Florian Schmid (K.U.M)

Arne Schwenk (K.U.M)

Philipp Kraus (TO – Big Data Prozessierung und Skalierung)

Anton Myagotin (TO)

Weiterführende Informationen:

https://www.trueocean.io

https://www.kum-kiel.de

https://www.tenzorgeo.co.uk

Überblick über eine marine passiv-seismische Überwachungsanlage, die eine kontinuierliche Aufzeichnung der Seismizität der CO2-Speicherformation ermöglicht.