2005, kurz nachdem das Kyoto-Protokoll in Kraft getreten war, ergriff der isländische Staatspräsident, Ólafur Ragnar Grímsson, die Initiative. Er organisierte ein Treffen mit dem bekannten Klimaforscher Wallace Broecker, den Geochemikern Sigurður Reynir Gíslason und Eric Oelkers sowie dem Chefgeologen des größten isländischen Energieversorgers, Einar Gunnlaugsson. Gemeinsam entwickelten die vier eine unglaublich klingende Idee: Sie wollten CO₂ in Stein verwandeln – und zwar binnen Monaten statt Jahrtausenden. Das war die Geburtsstunde des CarbFix-Projekts. Heute, gut zwanzig Jahre später, liegt der faustgroße CO₂-Speicher- Brocken in einer Vitrine in der Nürnberger Dépendance des Deutschen Museums.

Doch zurück zur Idee: Das CarbFix Projekt hatte das Ziel, CO₂ im Untergrund zu speichern. Jedoch nicht als Gas, wie bei anderen „Carbon Capture and Storage” (CCS)-Projekten, sondern im festen Zustand, als Mineral im Gestein gebunden. Dazu wird das CO₂ zunächst in Wasser gelöst. Dabei entsteht eine saure Lösung mit einem pH-Wert unter vier, die in den Untergrund geleitet wird. Hier trifft die Säure auf Basalt, ein auf Island (und auch weltweit) weit verbreitetes vulkanisches Gestein. Die CO₂-Lösung ist dichter als das im Untergrund natürlich vorhandene Wasser, das für den Prozess als Deckschicht fungiert, so dass das CO₂ auch bei porösem Gestein nicht mehr einfach nach oben entweichen kann.

Das dunkle Basaltgestein ist reich an silikatischen Mineralen, wie Plagioklas, Olivin und Pyroxen. In Kontakt mit der sauren Lösung verwittern diese Minerale: Es werden zweiwertige Metallkationen – vor allem Calcium (Ca²⁺), Magnesium (Mg²⁺) und Eisen (Fe²⁺) – in die wässrige Lösung freigesetzt. Gleichzeitig verbraucht dieser Verwitterungsprozess Protonen (H⁺), wodurch der pH-Wert der Lösung entlang des Fließweges immer weiter ansteigt. Sobald das Fluid dadurch eine Übersättigung erreicht, fallen Karbonatminerale wie Kalzit (CaCO₃), Magnesit (MgCO₃), Siderit (FeCO₃) oder Mischkristalle aus. In diesen ist das CO₂ dann mineralisch stabil gebunden.

Dieser Prozess ist grundsätzlich nichts Neues, solche Verwitterungsprozesse laufen ganz natürlich ab und spielen eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf der Erde. Der entscheidende Unterschied ist hier die sehr kurze Dauer von einigen Monaten im Gegensatz zur natürlichen Silikatverwitterung über Jahrhunderte bis Jahrtausende.

Das in Wasser gelöste reine CO₂ wurde dann bei Temperaturen von 20 bis 50 °C in eine 400 bis 800 Meter tiefe Basaltschicht injiziert. Anfänglich wurden 175 Tonnen reines CO₂ in den Untergrund geleitet. In einer anschließenden zweiten Pilotphase im Sommer 2012 konnten weitere 73 Tonnen eines CO₂-H₂S-Gasgemisches in den Untergrund gebracht werden. Während dieser zweiten Phase kam es jedoch zu einem rapiden Abfall der Durchlässigkeit des Gesteins um das Bohrloch herum, wodurch eine weitere Einleitung gehemmt wurde. Der Grund dafür war eine biogene Verstopfung des Bohrlochs und der direkten Umgebung durch eisenoxidierende Bakterien. Die Injektion musste daraufhin gestoppt und das Bohrloch aufwendig gereinigt werden. Das endgültige Aus für die Pilot-Injektionen kam dann Ende 2012 nicht etwa aufgrund der Geologie oder Biologie, sondern durch menschengemachte Probleme: Straßenbauarbeiter zerstörten mit schwerem Gerät versehentlich die Gasleitung zum Injektionsort. Zu diesem Zeitpunkt war eine Reparatur aus finanziellen Gründen nicht möglich.

Trotz des vorzeitigen Abbruchs der Injektionen erwiesen sich die anschließenden (isotopen-) chemischen und mineralogischen Untersuchungsergebnisse als großer wissenschaftlicher Erfolg: Sie bewiesen, dass mehr als 95 % des injizierten CO₂ innerhalb von weniger als zwei Jahren im Gestein in stabile Karbonatmineralien (hauptsächlich Kalzit) umgewandelt worden waren. Dieser Durchbruch widerlegte die verbreitete Annahme, dass solche Mineralisierungsprozesse Jahrtausende dauern würden.

Diese Erkenntnisse bildeten die Grundlage für das Folgeprojekt, das die industrielle Skalierung des Prozesses zum Ziel hatte. Unter dem Namen CarbFix2 startete dieses Mitte 2014 am selben Standort in der Nähe des Geothermiekraftwerks Hellisheiði, jedoch an einer anderen Injektionsstelle. Um das Problem des Bakterienwachstums zu umgehen, wurde das saure Gas-Wasser-Gemisch (CO₂ und H₂S) diesmal in ein wesentlich tieferes und heißeres Reservoir (>250 °C) injiziert. Das größer angelegte System arbeitete sehr effektiv: Die Beobachtungen zeigten, dass bei diesen hohen Temperaturen über 60 % des Kohlenstoffs innerhalb weniger Monate mineralisiert wurden, ohne dass die Durchlässigkeit des Gesteins beeinträchtigt wurde. 2016 wurde außerdem der Gasgehalt der injizierten Lösung erhöht. Die dadurch stärkere Säure konnte im Untergrund noch effizienter Minerale lösen und führte so zu einer effektiveren Kristallisation.

Im Jahr 2017 erweiterte CarbFix das Projekt durch die Integration von “Direct Air Capturing” (DAC), um CO₂ mithilfe von Filteranlagen direkt aus der Atmosphäre abzuscheiden und im isländischen Untergrund zu mineralisieren. Die Injektionskapazitäten werden kontinuierlich ausgebaut: Bis Ende 2023 wurden am Standort Hellisheiði bereits mehr als 97.000 Tonnen CO₂ injiziert und im Gestein gebunden.

Eine weitere Ausbaustufe von CarbFix soll in diesem Jahr, 2026, in Betrieb gehen: Das Coda Terminal. An diesem Terminal in Straumsvík soll verflüssigtes CO₂ per Schiff von außerhalb Islands angeliefert werden. In kuppelförmigen Zwischenspeichern wird es gelagert, bis es in den Untergrund injiziert wird. In Phase 1 ab April 2026 steht eine Kapazität von 500.000 t CO₂ pro Jahr zur Verfügung. Im Endausbau, der 2031 erreicht werden soll, sollen drei Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr im Untergrund gespeichert werden können.

Die kommerzielle Entwicklung von Carbon Capture and Storage (CCS)-Technologien zur Speicherung von CO₂ im Untergrund begann bereits deutlich vor der Jahrtausendwende. 1996 startete das norwegische Staatsunternehmen Statoil (heute Equinor) damit, jährlich fast eine Million Tonnen CO₂ aus der Erdgasförderung unter dem Meeresboden der Nordsee zu injizieren. Diese Maßnahme wurde primär ergriffen, um eine norwegische CO₂-Steuer in Höhe von 50 US-Dollar pro Tonne zu vermeiden.

Es folgten weitere Projekte, unter anderem in Algerien, Norwegen, den USA und Kanada. Daneben begannen Wissenschaftler zunehmend zu untersuchen, wie sich in den Untergrund gepumptes CO₂ ausbreitet und chemisch verhält. Bis zum Jahr 2021 stieg die weltweite CCS-Kapazität auf etwa 40 Millionen Tonnen jährlich an.

Allerdings werden aktuell etwa 90 % dieser konventionellen Speicherprojekte für die “Enhanced Oil Recovery” (EOR) genutzt, bei der CO₂ in alte Ölfelder gepumpt wird, um dort restliches Erdöl fördern zu können. Da für EOR oft natürliches CO₂ aus dem Untergrund entnommen wird und durch das zusätzlich geförderte Öl neue Emissionen entstehen, ist der tatsächliche Klimanutzen dieser Praxis stark umstritten. Als der Weltklimarat (IPCC) 2005 einen Sonderbericht zu CCS veröffentlichte, wurde die Technologie zwar als wichtiger Baustein für den Klimaschutz definiert, die Injektion und Mineralisierung von CO₂ in reaktivem Untergrundgestein wurde dabei jedoch noch nicht berücksichtigt. Das ein Jahr nach dem IPCC Bericht initiierte CarbFix-Projekt stellte deshalb einen Wendepunkt in der CCS-Geschichte dar.

Da Island über keine großen Sedimentbecken verfügt, sondern der Untergrund primär aus oft porösem Basaltgestein besteht, musste eine Methode gefunden werden, um zu verhindern, dass injiziertes CO₂ wieder an die Oberfläche entweichen kann. Das Abkommen zwischen isländischen Kraftwerksbetreibern und internationalen Wissenschaftlern ermöglichte die Entwicklung dieses völlig neuartigen Ansatzes am Geothermiekraftwerk Hellisheiði.

Die größte Hürde für eine weltweite Implementierung von CCS-Technologien sind die hohen Kapital und Betriebskosten, die zu großen Teilen auf die Abscheidung von CO₂ zurückzuführen sind. Das CarbFix-Projekt konnte diese technologische und ökonomische Barriere signifikant absenken (auf etwa 25 US-Dollar pro Tonne), da auf die teure Isolierung von reinem CO₂ verzichtet wird. Stattdessen werden Gasgemische aus den Kraftwerksabgasen, die auch toxischen Schwefelwasserstoff (H₂S) enthalten, direkt im Injektionswasser gelöst und gemeinsam mit dem CO₂ im Untergrund gebunden.

Der Erfolg von CarbFix ließ weltweit eine Reihe weiterer Pilot- und Forschungsprojekte entstehen. Dabei werden der Prozess und seine Effizienz in anderen geologischen und klimatischen Bedingungen getestet und angepasst:

Fast zeitgleich zum CarbFix-Projekt in Island wurden während des “Wallula Basalt Pilot Demonstration Project” im US-Bundesstaat Washington 2013 knapp 1000 Tonnen reines CO₂ 800 bis 900 Meter tief in die Basalte des Columbia-River-Flutbasalt-Plateaus injiziert. Der wesentliche Unterschied zu CarbFix besteht darin, dass das CO₂ direkt als superkritisches Fluid injiziert wurde, ohne es vorher in großen Mengen Wasser zu lösen. Dies spart zwar enorme Mengen an Wasser, erfordert aber ein dichtes Deckgestein, um ein Entweichen des CO₂ zu verhindern. Im Gegensatz zu früheren CCS-Projekten war hier jedoch auch das Ziel die Bindung des CO₂ in mineralischer Form. Die Kristallisation lief bei diesem Projekt langsamer ab als beim CarbFix Projekt. Außerdem wurde als Karbonatmineral hauptsächlich Ankerit, ein Kalzium-Eisen-Karbonat, gebildet. Modellierungen zeigten, dass nach zwei Jahren ca. 60 % des CO₂ mineralisiert waren. Dies wird einerseits auf das injizierte Fluid zurückgeführt, doch auch niedrige Temperaturen von nur ca. 40 °C und eine unterschiedliche Reaktionskinetik spielen dabei eine Rolle.

Während Basalt sehr vielversprechend ist, besitzt das Gestein Peridotit (ein Gestein aus dem der Erdmantel hauptsächlich besteht) ein noch höheres Potenzial für die CO₂-Speicherung, da es reich an reaktiven Magnesiumsilikaten ist. Das Projekt “Chalk” im Sultanat Oman ist das weltweit erste In-situ-Pilotprojekt zur CO₂-Mineralisierung in Peridotit-Gestein. Es nutzt die massiven Formationen des Samail-Ophioliths, eines zutage tretenden Teils des oberen Erdmantels. Für den Pilotversuch wurde CO₂, das aus einer Ammoniakanlage im Oman abgeschieden wurde, in Wasser gelöst und in den Untergrund zwischen 100 und 400 Metern Tiefe injiziert.

Das Gestein unterscheidet sich nicht nur in der Zusammensetzung, sondern auch in der Porosität (Anteil der Hohlräume im Gestein) und Permeabilität (Durchlässigkeit durch Vernetzung der Hohlräume). Da beide im Samail-Ophiolith geringer sind, als im Basalt Islands, muss sich das injizierte Fluid vor allem entlang von Rissen und Bruchzonen im Gestein bewegen. Die Ergebnisse des Tests zeigten eine extrem schnelle Gesteinsbildung: Massenbilanzberechnungen zufolge wurden rund 88 % des injizierten CO₂ innerhalb von nur 45 Tagen nach der Injektion als feste Karbonatminerale gebunden.

Um die Skalierung der Mineralisierung in trockenen und wasserarmen Regionen zu ermöglichen, wurde ein Pilotprojekt in den Vulkangesteinen der Jizan-Gruppe in Saudi-Arabien entwickelt. Um auf große Mengen von Frischwasser zu verzichten, nutzt das “Jizan CO₂ mineralization demonstration project” ein geschlossenes Wasser-Zirkulationssystem (Recirculation): Wasser wird aus dem Untergrund durch ein Produktionsbohrloch an die Oberfläche gepumpt, dort mit CO₂ angereichert und sofort über ein Injektionsbohrloch wieder in den Basalt hinabgepresst. Zwischen Mai und Juli 2023 wurden auf diese Weise erfolgreich 131 Tonnen CO₂ injiziert. Mithilfe von Tracern konnte nachgewiesen werden, dass etwa 70 % des injizierten CO₂ innerhalb von zehn Monaten im Gestein mineralisiert wurden. Dabei entstanden als feste Speicherprodukte neben Kalzit vor allem Ankerit und Siderit.

Der Großteil der ozeanischen Erdkruste besteht aus Basalt und stellt daher ein interessantes weiteres Forschungsfeld zur Anwendung der CO₂-Mineralisierung dar. Hinzu kommt, dass die Ozeane als Wasserquelle zur Verfügung stehen könnten. Beispielsweise wird im “Solid Carbon Projekt” untersucht, wie im Cascadia-Becken vor der Küste von Washington State (USA) und British Columbia (Kanada) jährlich bis zu 50 Millionen Tonnen CO₂ sicher in ozeanischen Basalt gespeichert werden könnten. Aber auch in Europa wird daran gearbeitet, unter anderem im “AIMS³ Projekt” am Mittelozeanischen Rücken südlich von Island.

Ein zentrales Problem des CarbFix Prozesses ist der massive Wasserbedarf: Um eine einzige Tonne CO₂ zu lösen und in den Untergrund zu pumpen, werden etwa 25 Tonnen Wasser benötigt. Der Nutzungskonflikt um Frischwasser kann durch die Nutzung von Meerwasser entschärft werden, was dann aber weitere technologische Herausforderungen mit sich bringt. Zudem wird eine aufwendige Infrastruktur für Injektions- und Überwachungsbrunnen benötigt.

Die Abscheidung von CO₂, insbesondere Anlagen zur direkten CO₂-Luftabscheidung (DAC) sind aktuell sehr energieintensiv. Geologische Einschränkungen erschweren die Standortsuche erheblich, da reaktive Gesteine wie Basalt über ausreichende Klüfte und durchlässige Fließwege verfügen müssen. Oft liegen die großen Emittenten von CO₂ auch nicht in direkter Nähe von geeigneten Gesteinsformationen, so dass zusätzliche Transport-Logistik benötigt wird.

Neben den technischen Herausforderungen gibt es verschiedene Bedenken gegenüber CCS-Projekten mit in-situ Mineralisierung. Das stark saure, mit CO₂ angereicherte Wasser kann bei der Gesteinsauflösung zunächst auch gesundheits- und umweltschädliche Metalle und Spurenelemente (wie Barium, Strontium, Zink und Chrom) mobilisieren. Diese können die Wasserqualität gefährden. Die gelösten Stoffe werden allerdings im weiteren Reaktionsverlauf meist wieder in Mineralen gebunden und stellen dann keine Gefährdung mehr da.

Die Injektion großer Flüssigkeitsmengen in den Untergrund birgt darüber hinaus das Risiko, Erdbeben auszulösen (induzierte Seismizität). Dieses Risiko kann durch Überwachung und Begrenzung der Injektionsrate verringert werden.

Jenseits der technischen Herausforderungen und Kritikpunkten an CarbFix und ähnlichen Anwendungen gibt es auch allgemeine Kritik an CCS-Technologien. Ein zentraler Punkt ist die geringe Kapazität: Weltweit werden derzeit nur rund 4 Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr rein für den Klimaschutz gespeichert. Bei jährlichen Emissionen von etwa 40 Gigatonnen entspricht das lediglich 0,01 %. Zudem wird kritisiert, dass CCS als Ausrede dienen könnte, dringend nötige Emissionssenkungen aufzuschieben. Forschende weisen deshalb stets darauf hin, dass diese Technologien nur als Ergänzung zu sehen sind – die Priorität muss darauf liegen, den Ausstoß von CO₂ zu reduzieren.

All diese Informationen und Geschichten stecken in dem Gesteinsbrocken im Deutschen Museum, der im Zukunftsmuseum in Nürnberg zu sehen ist. Durch dieses Exponat erhält man einen seltenen Einblick in sonst verborgene Prozesse im Untergrund. CarbFix und die vielen weiteren Projekte liefern einen kleinen Eindruck von den oft komplexen und vielfältigen Technologien zur Entnahme und Speicherung von CO₂ aus der Atmosphäre. Dabei steht das Exponat als Stellvertreter für eine ganze Bandbreite möglicher Technologien, deren Einsatz neben wissenschaftlichen Gesichtspunkten auch von ökonomischen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen abhängt.