Zwei BAM-Mitarbeiter betrachten ein Messgerät im Labor. Im Hintergrund ist eine große technische Anlage zu sehen.

Dr. Axel Kranzmann (links) und Artur Göbel mit einem Reaktor für Dauertests an Rohren.

Quelle: BAM/Thomas Köhler

Projektlaufzeit

01.07.2015 - 30.06.2018

Projektart

Verbundforschungsprojekt

Projektstatus

Laufend

Kurzbeschreibung

Die BAM erforscht, wie sich klimaschädliches CO2 aus der Energieproduktion in Speicher im Untergrund transportieren und injizieren lässt. Im Fokus steht die Vermeidung von Korrosion bei Rohren und Pipelines.

Ort

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Unter den Eichen 87
12205 Berlin

Ein BAM-Mitarbeiter stellt die Halterung mit Stahlproben in eine Versuchseinrichtung.

In der Screening-Anlage wird Gas an den Metallproben vorbeigeleitet, um deren Korrosion zu untersuchen.

Quelle: BAM

In den Projekten COORAL (abgeschlossen) und CLUSTER (laufend) geht es um die Korrosionsreaktionen von Stählen für die CCS-Technik. Die BAM untersucht, wie verschiedene Stahlarten bei unterschiedlichen Temperaturen und Druckverhältnissen auf verschiedene Grade von CO2-Verunreinigungen reagieren.

Stilisierter Programmablaufplan

Quelle: BAM

Die BAM und ihre Projektpartner haben bei COORAL die Versuche entsprechend der realen Transportkette des Gases in drei Bereiche unterteilt: Abscheidung, Transport, Injektion. Die Wissenschaftler der BAM bewerten Korrosionsschäden. Im Projekt CLUSTER erweitert die BAM den Fokus: Dabei geht es um zusätzliche Anwendungsgebiete (z. B. Tankschiffe) sowie kritischere Mischungen von Kraftwerksabgasen und industriellen Abgasen.

Ein Pfeil in der Mitte einer Zielscheibe

Quelle: BAM

Ziele sind Korrosionsschutz und technische Sicherheit von Pipelines, Bohrlöchern und Anlagen bei der CO2-Speicherung im Erdreich sowie Beratung zur CCS-Technik. Es sollen Grenzwerte für Gase ermittelt werden, bei deren Durchlauf der Stahl in Rohren korrosionsfrei bleibt. Übergreifendes Ziel ist die Reduktion von CO2-Ausstoß.

Händeschütteln

Quelle: BAM

Die BAM ist Teil eines multidisziplinären Verbundes mit der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, der DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH, der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, der Eurotechnica GmbH, der TU Clausthal sowie der TU Hamburg-Harburg. Das BMWi und Industrieunternehmen waren an der Projektfinanzierung beteiligt.

Die Bundesregierung will klimaschädliche CO2-Emissionen deutlich reduzieren. Mit erneuerbaren Energien allein ist das Ziel kaum zu erreichen. Eine weitere Maßnahme, die derzeit erprobt wird: CO2 zum Beispiel in Kohlekraftwerken abzuscheiden und im Erdreich zu speichern (CCS-Technik für Carbon Capture and Sequestration). Solche "negativen Emissionen" sind etwa laut UN-Klimarat IPCC wichtig, um internationale Klimaabkommen zu erreichen.

Entscheidend für den Erfolg der CCS-Technik sind unter anderem technisch sichere Pipelines und Rohre. Ein mögliches Risiko sind Korrosionsschäden, weil das CO2 in flüssigem oder überkritischem Zustand in die Tiefe gepumpt wird und durch die Prozesse im Kraftwerk mit korrosionsfördernden Bestandteilen verunreinigt ist. Je nach Konzentration und Mischverhältnis der Verunreinigung sowie Materialbeschaffenheit der Rohre lässt sich die Korrosionsgefahr jedoch vorhersagen und so kann man gezielt Gegenmaßnahmen definieren.

Kompetenzen der BAM

Experten der BAM arbeiten interdisziplinär am Thema Korrosion im Energiesektor und kombinieren ihre Erfahrungen in den Bereichen Materialographie, Fraktographie, Alterung technischer Werkstoffe sowie zu Werkstoffen für geothermische Kreisläufe.

Dr. Axel Kranzmann, Leiter des Fachbereichs Materialographie, Fraktographie, Alterung technischer Werkstoffe der BAM, ist darüber hinaus Mitglied im COORETEC-Beirat (eine Abkürzung für CO2-Reduktions-Technologien) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. Die Initiative berät das Ministerium zu Forschung und Entwicklung zukunftsfähiger Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen. Axel Kranzmann betreut gemeinsam mit Dr. Dirk Bettge, einem Experten für Schadensfälle, den Bereich der CCS-Forschung an der BAM.

Außerdem verfügt die BAM über spezielle experimentelle Einrichtungen, zum Beispiel eine europaweit einzigartige Hochdruckanlage zur Untersuchung der Korrosionsreaktionen zwischen Dampf oder Gasen und Stählen bis zu sehr hohen Temperaturen.

Ein BAM-Mitarbeiter fügt Stahlproben in eine Halterung für einen Versuch ein.

Ein BAM-Mitarbeiter fügt Stahlproben in eine Halterung für einen Versuch ein.

Quelle: BAM/Thomas Köhler

Leistung und Vorgehen der BAM

Die BAM Experten lassen Rohre im Labor korrodieren und untersuchen, wie beständig das Material gegen CO2 ist. Dabei wollen sie auch Grenzwerte für die jeweiligen Gase unter Berücksichtigung der Gaskombinationen bestimmen: Bis zu welchem Anteil im CO2 ist der Zusatz der Gase korrosionstechnisch unbedenklich?

Dafür hat die BAM im Projekt COORAL (eine Abkürzung für CO2-Reinheit für die Abscheidung und Lagerung) ein Forschungsszenario entwickelt, das nah an den realen Bedingungen ist:

  • Der Versuchsaufbau und die Auswahl der getesteten Stahlarten wurden analog der Transportkette des Gases unterteilt in Abscheidung, Transport und Injektion ins Erdreich.
  • Anschließend wurden je nach Stahlart und Zweck verschiedene Screening-Versuche mit unterschiedlicher Dauer, Temperatur oder Druck vorgenommen.
  • Bei Tests unter Betriebsbedingungen konnte die BAM nachweisen, dass Druck und Fließgeschwindigkeit des Gases großen Einfluss auf Korrosion haben.
  • Ein Ergebnis der Analyse der Stahlproben mit elektrochemischen und mikroskopischen Untersuchungen war: Die meisten Stähle sind für den Einsatz in CCS-Anlagen ungeeignet, weil sie Korrosionsreaktionen (Lochfraß oder Flächenkorrosion) zeigen.

Nach Abschluss des COORAL-Projekts im Jahr 2013 gab es noch offene und neue Forschungsfragen. Im Anschlussprojekt CLUSTER, das bis 2018 umgesetzt wird, werden die Stahlproben unter Hochdruckbedingungen und über längere Zeiträume getestet.