Salte, der elsker vand, kan spille en central rolle i sikker lagring af CO2

Opbevaring af kuldioxid under overfladen (CO ₂ ) er en af ​​de mest lovende teknologier til fjernelse af store mængder CO ₂ fra atmosfæren. Metoden, kaldet CCS (carbon capture and storage) betragtes som en effektiv foranstaltning mod global opvarmning og klimaændringer.

En afgørende del af processen er injektion af CO ₂ ind i porøse klipper. I en sådan operation, komplikationer kan opstå, når porerne tilstoppes, så væskestrømmen falder eller stopper.

Vellykket CCS afhænger af tre faktorer:

• Tilstrækkelig lagerkapacitet i reservoiret
• Reservoirstenen skal have tilstrækkelig porøsitet og permeabilitet til injektionsfasen
• Forseglingseffektivitet af bundstenen for at forhindre CO ₂ lækage til overfladen

Saltudfældning er en af ​​hovedårsagerne til ændringer i porestrukturen under CO ₂ injektion og opbevaring.

Mohammad Nooraiepour, som er stipendiat ved Institut for Geovidenskab, forsvarede sin doktorafhandling om dette emne i december 2018. Han har undersøgt potentialet for effektiv og sikker opbevaring af CO ₂ i Nordsøen og Barentshavet.

Han har undersøgt, blandt andet, hvad der helt præcist sker, når der udfældes salt. Hvor i porerne dannes krystallerne? Og hvordan påvirkes klippens opbevaringsegenskaber?

Nooraiepours arbejde er en del af et større projekt, der undersøger reaktionerne mellem mineraler, saltvand, og CO ₂ , ledet af Helge Hellevang ved UiO's Institut for Geovidenskab. En af artiklerne i hans doktorafhandling blev offentliggjort i Miljøvidenskab og teknologi . Det er skrevet i samarbejde med Hossein Fazeli, Rohaldin Miri og Helge Hellevang.

Equinor har oplevet, at stenpermeabilitet reduceres over tid ved indsprøjtning af CO ₂ . Fænomenet er blevet undersøgt af flere UiO -studerende siden Helge Hellevang og Rohaldin Miri startede projektet for et par år siden.

Meget vand i klipper

Porøse sten kan indeholde store mængder saltvand. I meget porøse klipper, mere end 30 procent af volumenet kan være vand. For at sige det enkelt, ved indsprøjtning af CO ₂ , ved et bestemt mætningspunkt begynder saltkrystaller at dannes - en proces kendt som saltudfældning.

"Vi opdagede, at saltkrystallerne dannes i grænsefladen mellem klippen og CO ₂ og at de vokser hurtigt, mens de forbinder hinanden. Rent faktisk, der er flere former for saltkrystaller. Den mindste måles i mikrometer. I vores eksperimenter så vi, at de udviklede sig så hurtigt, at de kunne blokere strømmen ", forklarer Nooraiepour.

Han gjorde en overraskende opdagelse i disse forsøg:

"Saltkrystallerne er hydrofile, hvilket betyder, at de elsker vand, og de trækker vand over lange afstande. Når vand trækkes mod nedbørfronten, saltindholdet hjælper saltkrystallerne med at vokse sig endnu større. Derfor, når CO ₂ injiceres, klippens permeabilitet vil blive reduceret eller endda blokeret. "

Hvad betyder dette for fuld opbevaring af CO ₂ ?

"Det betyder forskellige ting, hvis du er tæt på injektionen godt eller langt væk fra den. Til fuldskala CO ₂ opbevaring i Nordsøen, saltudfældning nær brønden kunne gøre det vanskeligere at injicere CO ₂ . Denne kendsgerning var allerede kendt gennem eksperimenter og feltoplevelser. Hvad man ikke vidste, var mekanismerne bag. Mine kolleger og jeg har bidraget med mere viden, og vi har vist, at saltkrystaller trækker vand over længere afstande. "

Selvreparerende mekanisme

Dette gælder for området nær brønd under injektionsfasen. Hvad med caprockens evne til at holde CO ₂ , hvilket er et lige så vigtigt aspekt for at opnå sikker opbevaring?

"I lagringsfasen, vores resultater om saltudfældning er gode nyheder. Når du kommer længere væk fra brønden, saltfældning kan hjælpe med at gøre opbevaringen mere sikker. Forklaringen ligger i, at hvis der er et brud, en revne, i klippen, og CO ₂ begynder at lække, der dannes saltkrystaller i åbningerne. Dette har at gøre med ændringer i termodynamiske egenskaber, når tryk og temperatur falder, resulterer i reduceret permeabilitet og stopper lækagen over tid. Saltudfældning vil således fungere som en selvreparerende mekanisme. Dette var ikke kendt før. "

Brug af avanceret laboratorieudstyr (se fakta), Nooraiepour og kolleger har testet og observeret porøse sten under forskellige tryk, temperaturer og med forskellig saltindhold. På dette grundlag, de har foretaget termodynamiske analyser af, hvilke faktorer der kan påvirke opbevaringsforholdene.

Hvilken betydning har fundene?

”Når vi taler om, hvordan CO ₂ injiceres, vi har fået ny viden, der kan hjælpe med at reducere saltudfældning nær brønden. Vi forstår mere af processen, vi kender de termodynamiske faktorer, der påvirker saltudfældning ved forskellige injektionshastigheder. "

Dermed, forskere ved, hvilke parametre der skal justeres for at forhindre, at porer forsegles under den kritiske injektionsfase.

"I lagringsfasen, vi har udarbejdet et forslag til en ny metode til vurdering af reservoirets injektivitet og lagerkapacitet. Igen, det er vigtigt at forstå de termodynamiske mekanismer. Det gør det muligt for os at beregne, hvor sikkert opbevaringsreservoiret vil være over tid. "

Termodynamisk indflydelse

Konventionel visdom sagde, at termodynamiske forhold ikke påvirker, hvordan salt udfældes. Nooraiepour har en anden opfattelse af dette - efter at have eksperimenteret med rigtige sten, varierende høje temperaturer og varierende høje tryk, mens processen observeres i realtid i mikroskopet. Han har set, hvordan saltkrystallerne opfører sig forskelligt afhængigt af tryk og temperatur.

"Grundlæggende, det handler om grundlæggende fysik. Det er en forudsætning for sikkert CO ₂ opbevaring i stor skala. "

Indtil for nylig, Nooraiepours forskningsgruppe har opereret i en porestørrelse, ved hjælp af målinger af mikrometer, som er 0,001 millimeter. Med hensyn til feltapplikationer, gruppen vil skalere eksperimenterne og modellere processerne for kernetest og feltskala på større, sammenkoblede områder.

Hvor lang tid vil det tage, før den nye viden får praktisk betydning for opbevaring af CO ₂ ?

"Nogle af de fysikker, vi introducerer, kan anvendes nu. Hvis dette skal bruges sammen med CCS, vi ved nu, at vi skal tage hensyn til de termodynamiske effekter. Vi har to nye ph.d. -studerende, der arbejder på at modellere disse processer. På samme tid, vi planlægger at lave simuleringer i feltskala. Jeg håber, at vi om to eller tre år kan præsentere resultaterne af disse forsøg. "

Er den nye viden om saltudfældning signifikant for andre områder?

"Ja, absolut - for landbrug og miljøspørgsmål. Saltudfældning i jorden reducerer frugtbarheden, så der er et stort potentiale. "