Deutschland könnte bis 2045 ein rund 7.000 Kilometer langes Pipelinenetz für Kohlendioxid benötigen, das beispielsweise aus Zementwerken oder Müllverbrennungsanlagen stammt. Im Fraunhofer-Exzellenzcluster Integrierte Energiesysteme (CINES) haben die Institute SCAI, IEG und ISI erstmals eine mögliche deutschlandweite Netzstruktur mit einer detaillierten physikalischen Simulation verknüpft. So lässt sich abschätzen, wo Pumpstationen nötig sind, welche Rohrdurchmesser ausreichen und wie sich Druck und Temperatur im Netz entwickeln.

Simulation statt grober Netzskizze

Die im Journal of CO2 Utilization veröffentlichte Arbeit verbindet Annahmen zur industriellen Entwicklung und zu den CO₂-Mengen bis 2045 mit einer physikalischen Simulation des Leitungsbetriebs. Neu ist, nach Angaben des Studienteams, die Kopplung einer daraus abgeleiteten Netzstruktur mit einer detaillierten Pipeline-Simulation.

Zum Einsatz kommt die Software MYNTS des Fraunhofer-Instituts für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI. Für die Untersuchung wurde sie erweitert, um CO₂ unter so hohem Druck zu modellieren, dass es sich wie eine Flüssigkeit transportieren lässt. Die Software berücksichtigt auch, unter welchen Bedingungen CO₂ wieder in den gasförmigen Zustand übergehen könnte. Berechnet werden unter anderem Druck, Temperatur und Strömungsverhalten.

Dr. Mehrnaz Anvari, Erstautorin der Studie, leitet bei Fraunhofer SCAI das Geschäftsfeld »Network Evaluation Technologies«. Die Simulationen mit MYNTS ergänzen die langfristige Infrastrukturplanung um die ingenieurtechnische Prüfung: Eine auf der Karte plausible Trasse muss auch unter realen Druck-, Temperatur- und Geländebedingungen funktionieren.

Gerade Höhenunterschiede können den Druck in CO₂-Leitungen erheblich beeinflussen. Auch Verunreinigungen verändern die Bedingungen, unter denen sich Kohlendioxid in seiner flüssigkeitsähnlichen Form transportieren lässt. Auf dieser Grundlage lassen sich geeignete Leitungsdurchmesser und Pumpstandorte bestimmen.

Für die Berechnung wählt das Team bewusst ein Szenario mit hohem Transportbedarf. Abgeschiedenes CO₂ wird darin nicht als Rohstoff in der Chemieindustrie eingesetzt, sondern überwiegend in Richtung Nordsee zur Speicherung geleitet. Hinzu kommen jährlich 20 Millionen Tonnen CO₂ aus Nachbarstaaten, die durch Deutschland transportiert werden. Das Szenario dient als Belastungstest für das Netz.

Die Trassen folgen weitgehend den bestehenden Strecken des Erdgasfernleitungsnetzes. Die vorhandenen Gasleitungen sollen jedoch nicht umgerüstet werden: Für den CO₂-Transport unter hohem Druck geht die Untersuchung aufgrund der höheren Anforderungen von einem vollständigen Neubau aus. Bereits vorhandene Korridore könnten den Planungs- und Genehmigungsaufwand verringern.

Netzausbau hängt von Nutzung und Speicherung ab

Auf den Hauptachsen sieht das Modell überwiegend Leitungen mit einem Innendurchmesser von rund 66 Zentimetern vor, technisch als DN700 bezeichnet. Auf Nebenstrecken kommen kleinere Leitungen zum Einsatz. Diese Kombination benötigt weniger Pumpstationen als ein durchgehend klein dimensioniertes Netz, ohne die Pipelinekosten wesentlich zu erhöhen. Für die bevorzugte Netzvariante schätzt die Studie die Investitionen in Leitungen und Pumpen auf rund 17 Milliarden Euro. Die Autoren verstehen diese Summe allerdings als Größenordnung, nicht als belastbare Kostenprognose.

Das Modell geht davon aus, dass die heute betrachteten Industriestandorte auch 2045 an denselben Orten liegen, und setzt ausreichend verfügbare geologische Speicher unter der Nordsee voraus. Werksschließungen, neue Standorte oder zusätzliche CO₂-Quellen könnten deshalb andere Leitungsverläufe erforderlich machen.

Wie stark das Netz ausgelastet wäre, hängt vor allem davon ab, was mit dem abgeschiedenen Kohlendioxid geschieht. In einem zweiten Szenario wird ein erheblicher Teil davon von der Chemieindustrie als Rohstoff genutzt. Dann müssen geringere Mengen über weite Strecken zu den Speichern transportiert werden. Wird in der Industrie weniger CO₂ genutzt und zugleich mehr Kohlendioxid aus Nachbarstaaten über Deutschland geleitet, steigt die benötigte Transportkapazität.

Für Netzbetreiber und Politik liefert die Untersuchung eine Grundlage, um den möglichen Ausbau frühzeitig abzuschätzen. Sie zeigt, welche Leitungslängen und Rohrdurchmesser bei den angenommenen CO₂-Mengen erforderlich wären, wo Pumpstationen benötigt werden und mit welchen Investitionen zu rechnen ist. So lassen sich kritische Netzabschnitte bereits erkennen, bevor konkrete Bauentscheidungen anstehen.