Mit dem Inkrafttreten des Kyoto-Protokolls im Februar 2005 ist die internationale Staatengemeinschaft erstmals verpflichtet, verbindliche Handlungsziele und Umsetzungsinstrumente für den globalen Klimaschutz zu realisieren. Hieraus ergeben sich Verpflichtungen für die Erstellung, die Überwachung und die Überprüfung von Treibhausgasemissionen. Das beinhaltet neben der Entwicklung von Strategien zur Erreichung der Reduzierungsziele auch die Konzipierung effektiver Monitoringmethoden zur flächenhaften Überwachung von Treibhausgasemissionen (u.a. Kohlenstoffdioxid - CO2).
Eine mögliche Brückentechnologie für die Reduzierung, der durch den Menschen verursachten Treibhausgasemissionen wird in der Speicherung von CO2 in tiefen unterirdischen Gesteinsschichten gesehen. Diese Technologie nennt sich carbon dioxide capture and storage oder kurz: CCS. Dabei stammt das zu speichernde CO2 entweder aus Kohlekraftwerken, aus Industrieanlagen oder aus dem Einsatz von Biomasse zur Energieerzeugung. Einen effektiven Beitrag zur Bekämpfung des Klimawandels kann die geologische Speicherung von CO2 jedoch nur leisten, wenn das eingelagerte Treibhausgas dauerhaft und vollständig in den Speichern verbleibt. Diese Anforderung gibt auch das Kohlendioxidspeicherungsgesetz (KSpG) vor. Damit sind effektive und schnelle Monitoringverfahren zur umfassenden Überwachung der oberflächennahen Umwelt vor, während und nach der Betriebsphase von großer Bedeutung. Beobachtungsmethoden und Sensortechnologien stellen ein wesentliches Instrument zur Gewährleistung der Sicherheit und des Umweltschutzes dar.
Das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) realisierte deshalb bis Ende 2014 mit nationalen Partnern das Forschungsverbundprojekt MONACO (Monitoring-Ansatz für geologische CO2-Speicherung). Ziel dieses Projektes war die Entwicklung eines integrativen hierarchischen Monitoringkonzeptes für die verlässliche Feststellung von CO2-Austritten aus natürlichen und anthropogenen geologischen, tiefliegenden Gesteinsschichten in oberflächennahe Bereiche (z.B. Grundwasserleiter, ungesättigte Bodenzone/Pedosphäre) und in die Atmosphäre. Dabei galt es, die leistungsfähige Kombination geophysikalischer, geochemischer und geotechnischer Einzelmessverfahren auf zahlreichen Referenzstandorten mit jeweils unterschiedlichen Standortbedingungen zu entwickeln und zu prüfen.
Der hierarchische Ansatz, basierend auf einem aus verschiedenen Methoden und Technologien bestehenden Monitoringkonzeptes, erlaubt eine Überwachung großräumiger Gebiete (im km2-Maßstab) mit geeigneter räumlicher und zeitlicher Auflösung.
Da der Nachweis von auffälligen atmosphärischen Gaskonzentrationen besonders für die Etablierung von Frühwarnsystemen notwendig ist, wurden bodengestützte optische Fernmessverfahren eingesetzt und getestet. Dadurch konnte die oberflächennahe atmosphärische CO2-Konzentration beobachtet werden. Neben der Untersuchung der natürlichen räumlichen Variabilität wurden gezielte Versuche hinsichtlich zeitlicher Veränderungen an natürlichen CO2-Quellen durchgeführt. Dies geschah mit der bodengestützten Infrarotspektroskopie und der Eddy-Kovarianz-Methode. Um mit einer hohen Genauigkeit die großräumige und langfristige Überwachung von CCS-Gebieten zu ermöglichen, wurde ein Prototyp eines neuartigen Infrarot-Spektrometers mit entsprechender Analysesoftware entwickelt.
Nachgeschaltet angewandte meso- und punktskalige Monitoringtechniken konzentrieren sich auf die Identifizierung von Strukturen im oberflächennahen Untergrund. Mit Hilfe von geophysikalischen Daten, charakteristischen Verteilungen der CO2-Konzentration im Boden sowie Mustern im Verhalten der CO2-Austrittsraten, konnten an den jeweiligen Teststandorten potenzielle Bereiche mit biogen und geogen beeinflussten Kohlendioxid-Emissionen identifiziert werden. Für die Beurteilung der Gasmigrationsprozesse ist eine auf den Standort zugeschnittene Kombination von periodisch wiederholten Messkampagnen notwendig. Verwendet wurden geophysikalische Methoden mit bodengasanalytischen Messungen und dauerhaften in-situ Installationen zur direkten, zeitlich hochaufgelösten Messung petrophysikalischer und bodengasanalytischer Parameter. Die standortspezifische räumliche und zeitliche Dynamik von petrophysikalischen Parametern ist für das Verständnis von Transportprozessen und den daraus resultierenden geophysikalischen Antwortfunktionen für das Design von Monitoringkonzepten maßgeblich. Zur räumlichen und zeitlichen Untersuchung des CO2-Ausbreitungsverhalten im Untergrund wurde ein Prototyp entwickelt und erfolgreich getestet. Anhand der Bestimmung der Isotopenverhältnisse im Bodengas konnte auf die Herkunft und das Ausbreitungsverhalten des CO2 geschlossen werden.
Die Ergebnisse des MONACO-Projekts demonstrieren, dass ein erfolgreiches Konzept zur Überwachung oberflächennaher Bereiche möglich ist. Es muss aber auf einem modularen, hierarchischen Ansatz basieren, der unterschiedliche räumliche und zeitliche Skalen mit variablem Auflösungsvermögen abdeckt und damit eine belastbare Identifizierung von potenziellen CO2-Wegsamkeiten bis hin zu potenziellen Leckagen ermöglicht.
