Diese Webseite nutzt Cookies

Diese Webseite verwendet Cookies zur Verbesserung der Benutzererfahrung. Indem Sie weiterhin auf dieser Webseite navigieren, erklären Sie sich mit der Verwendung von Cookies einverstanden.

Falls Sie Probleme mit einer wiederauftauchenden Cookie-Meldung haben sollten, können Ihnen diese Anweisungen weiterhelfen.

Essenzielle Cookies ermöglichen grundlegende Funktionen und sind für die einwandfreie Funktion der Website erforderlich.
Statistik Cookies erfassen Informationen anonym. Diese Informationen helfen uns zu verstehen, wie unsere Besucher unsere Website nutzen.
Mitglied werden Sponsor werden

CO2

Entwicklung des CO2-Gehaltes in der Atmosphäre seit 1960.
CO2-Konzentration in der Atmosphäre in vergangenen 60 Mio Jahren im Vergleich zu den 419ppm heute. Quelle: Univ. Utah, USA
Phasendiagramm für CO2. Quelle: Gemini

Kohlenstoffdioxid (im normalen Sprachgebrauch auch Kohlendioxid, oft fälschlich Kohlensäure genannt) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffmonoxid (auch Kohlenmonoxid), Kohlenstoffsuboxid und dem instabilen Kohlenstofftrioxid zur Gruppe der Kohlenstoffoxide.

Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas. CO2 ist zunächst ein natürlicher Bestandteil der Luft. Dieser ist allerdings durch menschliche Einwirkung in den letzten Jahren von 280ppm (parts per million) auf 419ppm gestiegen und steigt stetig weiter. Es entsteht sowohl bei der vollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen unter ausreichendem Sauerstoff als auch im Organismus von Lebewesen als Kuppelprodukt der Zellatmung. Das CO2 wird dabei über den Atem abgegeben. Umgekehrt sind Pflanzen, manche Bakterien und Archaeen in der Lage, CO2 durch die Kohlenstoffdioxid-Fixierung in Biomasse umzuwandeln. So produzieren Pflanzen beispielsweise bei der Photosynthese aus anorganischem CO2 Glukose.

Überkritische CO2 (sCO2)

Überkritisches (sCO2), oft auch superkritisches Kohlenstoffdioxid genannt, ist in einem Zustand, in dem es sowohl die kritische Temperatur als auch den kritischen Druck überschreitet. Es existiert dann als homogenes Fluid ohne unterscheidbare Gas- und Flüssigphase.

Im Vergleich zu überkritischem Wasser (ÜKW) sind die kritischen Bedingungen für deutlich milder:

  • Kritische Temperatur (Tc​): 31,1 ∘C

  • Kritischer Druck (pc​): 73,8 bar (oder 7,38 MPa)

Diese relativ milden Bedingungen machen sCO2 zu einem praktikablen und vielseitigen industriellen Lösungsmittelek

Besondere Eigenschaften

sCO2 vereint vorteilhafte Eigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten:

  • Löslichkeit (wie eine Flüssigkeit): Es hat eine hohe Dichte (ähnlich einer Flüssigkeit), was ihm ein starkes Lösungsvermögen für unpolare und lipophile (fettlösliche) Substanzen verleiht (z. B. Fette, ätherische Öle, Aromastoffe, Wachse). Polare Substanzen (z. B. Zucker, Salze, Aminosäuren) sind darin hingegen kaum löslich.
  • Diffusions- und Transporteigenschaften (wie ein Gas): Es besitzt eine geringe Viskosität und eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit (ähnlich einem Gas), wodurch es sehr schnell und tief in poröse Materialien eindringen kann.
  • Einstellbare Lösungsmittelstärke: Die Lösungsmittelstärke von sC=2 lässt sich präzise über kleine Änderungen von Druck und Temperatur steuern. Eine Druckerhöhung erhöht typischerweise die Dichte und somit die Löslichkeit.
  • Umweltfreundlich und sicher: ist nicht toxisch, nicht brennbar und hinterlässt keine Rückstände im Endprodukt, da es nach der Anwendung einfach durch Druckentlastung wieder in den Gaszustand überführt und recycelt werden kann. Es wird daher oft als „grünes Lösungsmittel“ bezeichnet.

Wichtige Anwendungen

Die Kombination dieser Eigenschaften macht sc$\text{CO}_2$ zu einem idealen Medium für Prozesse in vielen Industrien:

  • Extraktion (Überkritische Fluidextraktion - SFE): Die wichtigste und bekannteste Anwendung. sCO2 wird verwendet, um selektiv wertvolle Substanzen aus Naturmaterialien zu gewinnen:
    • Entkoffeinierung von Kaffee und Tee (selektive Entfernung des polaren Koffeins).
    • Gewinnung von ätherischen Ölen und natürlichen Aromastoffen (z. B. aus Hopfen, Gewürzen, Kräutern).
    • Gewinnung von Speiseölen und fetthaltigen Inhaltsstoffen (z. B. Omega-3-Fettsäuren).
  • Reinigung und Entfettung: Wird zur schonenden Reinigung und Entfettung von Präzisionsteilen (z. B. in der Elektronik- und Luftfahrtindustrie) sowie von Textilien (-Trockenreinigung) verwendet, da es keine schädlichen organischen Lösungsmittel benötigt.
  • Trocknung: Es dient zur schonenden Trocknung temperaturempfindlicher Materialien, z. B. bei der Herstellung von Aerogelen oder biologischen Proben für die Elektronenmikroskopie, da die Oberflächenspannung ist und somit kein Zerbrechen feiner Strukturen (Kapillarkräfte) verursacht wird.
  • Verfahrenstechnik: sCO2 wird als Arbeitsfluid in Wärmepumpen oder neuartigen Kreislaufprozessen zur Stromerzeugung (z. B. Allam-Zyklus) erforscht, da es hohe Wirkungsgrade bei kompakter Bauweise verspricht.

Abwendung in der Oberflächennahen Geothermie

Die Nutzung von CO2​ (Kohlenstoffdioxid) in der oberflächennahen Geothermie ist ein technologisch spannender Ansatz, der sich deutlich von klassischen wassergestützten Systemen unterscheidet.

In den in der Geothermie genutzten Thermalwässern ist oft CO2 in mehr oder weniger großen Konzentrationen enthalten. Obleich dieses CO2 natürlichen Ursprungs ist und somit nicht zum anthropogenen Kohlenstoff zählt ist es klimafreundlicher, es bei der Erdwärmenutzung nicht in die Atmosphäre zu entlassen. Dies wird entweder dadurch erreicht, dass der übertägige Thermalwasserkreislauf unter Druck gehalten wird, so dass das CO2 gelöst bleibt, oder indem das CO2 separiert wird, in einem Bypass um die Anlage geführt und dem Thermalwasser von der Reinjektion wieder zugemengt wird.

Funktionsprinzip: Der CO2​-Siphon

In der oberflächennahen Geothermie (bis ca. 400 Meter Tiefe) wird CO2​ oft in Form einer Wärmerohr-Sonde (Heat Pipe) eingesetzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Erdwärmesonden, bei denen eine Sole (Wasser-Glykol-Gemisch) mittels Pumpen umgewälzt wird, nutzt das CO2​-System einen physikalischen Phasenwechsel:

  • Verdampfung: Das flüssige CO2​ am Boden der Sonde nimmt Erdwärme auf und verdampft bereits bei sehr niedrigen Temperaturen.
  • Aufstieg: Das gasförmige CO2​ steigt aufgrund der geringeren Dichte im Rohr nach oben.
  • Kondensation: Am oberen Ende (im Wärmetauscher der Wärmepumpe) gibt das Gas die Wärme ab, wird wieder flüssig und läuft an der Rohrwandung durch die Schwerkraft zurück nach unten

Vorteile gegenüber wasserbasierten Systemen

Der Einsatz von CO2​ bietet spezifische physikalische und ökologische Vorzüge:

  • Keine Umwälzpumpe erforderlich: Da der Kreislauf auf Schwerkraft und Phasenwechsel basiert, entfällt der Stromverbrauch für eine Sole-Pumpe im Primärkreis.

  • Höhere Entzugsleistung: CO2​ hat eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und nutzt die latente Wärme des Phasenwechsels. Dies ermöglicht oft kürzere Sondenbohrungen bei gleicher Leistung.

  • Gewässerschutz: Im Falle einer Leckage ist CO2​ für das Grundwasser unbedenklich, während Glykol-Mischungen strengen Auflagen unterliegen. Dies ist besonders in Wasserschutzgebieten ein entscheidender Genehmigungsvorteil.

  • Konstante Temperatur: Das System arbeitet nahezu isotherm, was die Effizienz (COP) der angeschlossenen Wärmepumpe verbessern kann.

Technische Herausforderungen

Obwohl das Konzept besticht, gibt es limitierende Faktoren, die gegen eine pauschale Übernahme der Technologie für jedes Projekt sprechen:

Merkmal Detail
Druckverhältnisse CO2​ muss unter hohem Druck (ca. 35 bis 50 bar) stehen, um im relevanten Temperaturbereich flüssig zu bleiben. Das erfordert sehr druckresistente und teurere Edelstahl- oder Spezialkupferrohre anstelle von günstigem Kunststoff (PE).
Füllmenge Die exakte Berechnung der CO2​-Menge ist kritisch. Zu viel Flüssigkeit "ertränkt" die Sonde, zu wenig lässt den Film am Rohr abreißen.
Skalierbarkeit Während Einzelsonden (z. B. für Einfamilienhäuser) gut funktionieren, ist die Verschaltung großer Sondenfelder komplexer als bei klassischen Sole-Systemen.

Aktueller Stand der Technik

In der Praxis hat sich die CO2​-Sonde als Nischenlösung etabliert, vor allem dort, wo der Schutz des Grundwassers eine Sole-Sonde unmöglich macht. Die Investitionskosten sind aufgrund der hochwertigen Materialien (Edelstahl) meist höher als bei Standard-PE-Sonden, was durch die Einsparung der Hilfsenergie (Pumpe) über die Jahre amortisiert werden muss.

Anwendung in der Tiefen Geothermie

In der Tiefengeothermie kann sCO2 in verschiedenen Arten genutzt werde, in offenen oder geschlossenen unterirdischen Kreisläufen (anstelle des Themalwassers) aber auch in überirdischen Anlagenteilen. Eine besonders innovative Anwendung ist die sCO2-Plume Geothermie (CPG).

sCO2​ als Wärmeträgerfluid

In der klassischen Tiefengeothermie wird meist Thermalwasser aus tiefen Aquiferen gefördert. Beim Einsatz von sCO2​ wird dieses jedoch aktiv in den Untergrund injiziert, um die Wärme aus dem Gestein aufzunehmen. Dies ist besonders bei Hot-Dry-Rock-Systemen (HDR) oder Enhanced Geothermal Systems (EGS) relevant.

Der Thermosiphon-Effekt

Ein wesentlicher physikalischer Vorteil von sCO2​ gegenüber Wasser ist der starke Dichteunterschied zwischen der kalten (absteigenden) und der heißen (aufsteigenden) Säule.

  • Das kalte CO2​ ist sehr dicht und "drückt" die Säule nach unten.

  • Das im Reservoir erhitzte CO2​ dehnt sich stark aus, verliert an Dichte und steigt mit hoher Kraft auf.

  • Resultat: Es entsteht eine natürliche Zirkulation, die oft stark genug ist, um auf mechanische Pumpen im Primärkreislauf komplett zu verzichten.

Vergleich: sCO2​ vs. Wasser

Obwohl Wasser eine höhere spezifische Wärmekapazität besitzt, bietet sCO2​ in großen Tiefen spezifische Vorzüge:

Eigenschaft sCO2​ (Superkritisch) Wasser (Thermalwasser)
Mobilität Sehr hoch (geringe Viskosität), dringt besser in feine Gesteinsklüfte ein. Niedriger, benötigt oft höheren Pumpdruck.
Chemisches Verhalten Weniger korrosiv gegenüber Metallen, aber kann bestimmte Elastomere angreifen. Oft hochmineralisiert, führt zu Scaling (Verkrustung) und Korrosion.
Wärmetransport Effizient durch hohen Massenstrom bei geringem Widerstand. Exzellent durch hohe Wärmekapazität, aber hoher Fließwiderstand.
Zusatznutzen Ermöglicht die dauerhafte Speicherung im Gestein (Carbon Capture and Storage - CCS). Kein direkter Klimanutzen über die Energieerzeugung hinaus.

CPG (CO2 Plume Geothermal)

Ein innovativer Ansatz ist die Kombination aus Geothermie und Kohlenstoffdioxid-Speicherung. Hierbei wird CO2​ in tief liegende, poröse Sedimentschichten injiziert, die eigentlich für die Sequestrierung vorgesehen sind. Das CO2​ bildet eine "Blase" (Plume), die sich durch die Erdwärme erhitzt. Anstatt das Gas nur zu lagern, wird ein Teil davon kontinuierlich zirkuliert, um Strom oder Wärme zu gewinnen.

Kritische Einordnung

Sie sollten beachten, dass die Nutzung von sCO2​ in der Tiefe technisch deutlich anspruchsvoller ist als die konventionelle Geothermie:

  1. Explorationsrisiko: Da sCO2​ dünnflüssiger als Wasser ist, besteht ein höheres Risiko für Leckagen in benachbarte Schichten, falls die Deckschicht nicht absolut dicht ist.

  2. Materialanforderungen: Turbinen, die direkt mit sCO2​ betrieben werden, müssen extrem kompakt und druckfest sein. Während sCO2​-Brayton-Zyklen in der Forschung als hocheffizient gelten, ist die kommerzielle Umsetzung in geothermischen Kraftwerken noch am Anfang.

  3. Anlaufphase: Um einen geschlossenen Kreislauf zu starten, müssen gigantische Mengen an CO2​ beschafft und komprimiert werden, was hohe Anfangsinvestitionen erfordert.

Quelle

Teilweise Gemini, überarbeitet

Weblink

http://de.wikipedia.org/wiki/CO2

https://www.sciencedaily.com/releases/2023/12/231207160421.htm

Literatur

Zu Literatur siehe:

zuletzt bearbeitet März 2026, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de

Zurück