CO2 – Eine Betrachtung

Auszug aus einem Vortrag von Dr. Karl-Ernst Heyl, Geologiedirektor a. D., 5. Februar 2005

Zu den interessantesten und vielseitigst genutzten Stoffen zählt das Kohlenstoffdioxid (CO₂), auch Kohlendioxid oder Kohlensäureanhydrid genannt. Es handelt sich um ein ungiftiges, farbloses, schwach sauer riechendes und schmeckendes sowie unbrennbares Gas. Interessant sind seine chemisch-physikalischen Eigenschaften in allen drei Aggregatzuständen. In gasförmigem Zustand kennt es jeder als Geschmacksbelebung in Erfrischungsgetränken (Limonaden, Biere), aber auch zur Konservierung von Lebensmitteln, als Schutzgas beim Schweißen, in Feuerlöschern und Spraydosen wird das Gas u.a. verwendet. Tief gekühlt und unter Druck verflüssigt sich CO₂, worauf man es in Stahlflaschen abfüllen oder das bekannte „Trockeneis“ herstellen kann. Schließlich bildet CO₂ im festen Aggregatzustand als Salz der Kohlensäure Karbonate (=gebundene Kohlensäure) und/oder Hydrogenkarbonate (=halb gebundene Kohlensäure) mit Metallen, Erdalkalien und Alkalien. CO₂ löst sich begierig in Wasser (ein neutrales Wasser wird bei Luftzutritt rasch schwach sauer) und bildet Kohlensäure. Diese wird andererseits leicht durch Erschütterung (Schütteln) oder Erwärmung wieder als Gas freigesetzt.

Karbonate und Hydrogenkarbonate sind im Wasser löslich, wobei ihre jeweilige Ionisierung von der Anwesenheit freier, gasförmiger CO₂ abhängt. Ist diese in ausreichendem Maß vorhanden, bedingt sie als sog. zugehörige CO₂ die Bildung von Hydrogenkarbonaten, die etwa zehn Mal löslicher als Karbonate sind. Entfernt man diese zugehörige CO₂ , fällt das schwer lösliche Karbonat aus. Bestes Beispiel dafür ist die Bildung von Kesselstein, wenn man hartes Wasser erhitzt und damit die zugehörige CO₂ austreibt.

Die Entstehung und das Auftreten von CO₂ können grundsätzlich auf drei Ursachen beruhen: Vulkanismus („letztes Lebenszeichen“), Zersetzung organischer Substanz (z.B. Erdöl) oder Erhitzung von Karbonatgesteinen in großer Erdtiefe. Auch führen alle Verbrennungen von kohlenstoffhaltigen Substanzen zur Bildung von CO₂.

CO₂ tritt in den seltensten Fällen (z.B. in Hohlraumbauten wie Kavernen, Stollen, Kellern) als freies Gas („Mofette“) aus.

Gewöhnlich nutzt es die gleichen Bewegungsbahnen wie das Grundwasser. Im Rheinischen Schiefergebirge sind dies die im Gebirge durchsetzenden Trennfugen, denn die Gesteine selbst sind praktisch undurchlässig. In zahlreichen Gebirgstälern treten gasführende Quellen dort aus, wo wasser- und gashöffige Spalten und Klüfte von den Tälern angeschnitten wurden. Die Quellwässer sind häufig nur gering mineralisiert; allerdings bedingt der CO₂ – Gehalt die Lösung des ubiquitär vorhandenen Eisens aus den Gesteinen. Dieses, ursprünglich im sauren Millieu gelöste Eisen ändert seine Wertigkeit, sobald das CO₂ bei Lufzutritt entweicht und fällt als unlösliche Eisenverbindung aus. Die rote Verfärbung in den Bachbetten ist der einfachste Hinweis auf einen „Eisensäulering“.

An jenen Stellen, an denen hoch mineralisierte Wässer austreten, verwirklicht die Getränkeindustrie ihre Interessen und fasst die Austritte. Zur Mengensteigerung und zur Abwehr schädigender Oberflächeneinflüsse werden in den höffigen Gebieten Brunnen und Bohrungen niedergebracht, um das „natürliche Mineralwasser“ zu nutzen. Dabei kann in ausreichendem Maß vorhandenes CO₂ durch „Gaslift“ (=gasartesischer Auftrieb bzw. Überlauf) Pumpkosten sparen helfen.

Da Eisen- und Manganverbindungen aus Getränkeflaschen nur schwer zu entfernen sind, hat der Gesetzgeber zugestanden, dass diese Stoffe vor der Flaschenabfüllung entfernt werden dürfen. Dafür gibt es verschiedene Methoden; der Entzug von CO₂, z.B. durch Belüften (wird vor allem in der Trinkwasseraufbereitung angewendet) ist die einfachste Lösung.

Durch unterschiedlich starkes Wiederversetzen des Mineralwassers mit CO₂ entstehen „stille“ (wenig CO₂) oder „normale“ Sprudelwässer, wobei die Betriebe gerne mit dem Hinweis werben „mit eigener Quellkohlensäure versetzt“. Durch die Entfernung der Schwermetallgehalte erfolgt eine –legale- Veränderung des ursprünglichen Mineralwassers, wobei aber der sonstige Gehalt an Mineralstoffen erhalten bleibt. Natürliches CO₂ zeichnet sich meist durch einen hohen Reinheitsgrad aus, weshalb ein großes Interesse an der Gewinnung dieses Rohstoffes besteht. Die Suche nach aussichtsreichen Erschließungsstellen wird mit Hilfe geologischer, geophysikalischer und fotoanalytischer („Linearanalyse“) Methoden vorgenommen. Bevorzugte Stellen finden sich häufig in der Nähe von Vulkaniten, die das Grundgebirge durchbrochen haben oder in ihm stecken geblieben sind. Als Beispiel sei der Laacher See angeführt, ein wassererfüllter Doppelmaarkessel, an dessen Ostufer noch heute CO₂-Gasblasen austreten. Wenige Kilometer weiter westlich befindet sich ein Trockenmaar, aus dem die CO₂-Industrie mittels Tiefbohrungen (fast bis 1000 m Tiefe) CO₂ gewinnt. Den Bohrungen sitzen hoch mineralisierte Tiefengrundwässer und CO₂ zu. Bereits die Beobachtungen beim Abteufen und die späteren geophysikalischen Bohrlochuntersuchungen belegen, dass in den durchörterten Kluftsystemen unterschiedlich konzentrierte und zusammengesetzte Wässer und verschiedene CO₂ Mengen vorhanden sind, was auf eine unterschiedliche Herkunft von Wasser und Gas schließen lässt. Auch hier wird durch entsprechende Steigrohrdimensionierung ein gasartesischer Auftrieb erstrebt, der allerdings gewissen Schwankungen unterworfen sein kann.

Da das Industrieunternehmen praktisch nur am Gas interessiert ist, trennt es die in den Bohrlöchern gemeinsam erschlossenen Phasen (Wasser und Gas) mit Hilfe von Entgaserkesseln. Das leichtere Gas wird dabei aus dem oberen Kesselbereich abgezogen, während unten das Wasser abläuft. Da sich dieser Vorgang in einem geschlossenen System abspielt, kann kein Luftsauerstoff zutreten und oxidische Reaktionen auslösen. Das heißt, dass das Mineralwasser unverändert abgeleitet wird und dabei u.a. seine hohen Eisengehalte in Lösung behält. Trotz der Trennung vom gasförmiger CO₂ ist der Anteil an freier zugehöriger CO₂ nach wie vor so hoch, dass keine Stoffe ausfallen und sich weder Kessel noch Leitungen zusetzen bzw. verstopfen. Eine Veränderung des Wassers setzt erst dann ein, wenn die behördlichen Auflagen zur Eisenminimierung erfüllt werden. Durch Belüftung (und anschließende Klärung) wird das sog. Kalk-Kohlensäuregleichgewicht derart verändert, dass außer den Schwermetallen auch Karbonat- und Hydroxidverbindungen ausfallen.

Als Schlussfolgerung dieser Betrachtung ist festzuhalten, dass zwischen der Mineralwasser- und der CO₂ Gewinnung insofern ein Unterschied besteht, als bei ersterer die Wasserzusammensetzung durch die Schwermetallentfernung verändert wird, während bei der Trennung von CO₂ und Wasser letzteres in seinem Mineralbestand unverändert bleibt.

Dr. Karl Ernst Heyl

Eberbach, am 5. Februar 2005