Αποτύπωση της πολυπλοκότητας της γεωλογικής δέσμευσης άνθρακα σε σύνθετους σχηματισμούς βασάλτη

Παγκόσμιο διοξείδιο του άνθρακα (CO₂ ) οι εκπομπές από την παραγωγή ενέργειας μειώνονταν κάθε χρόνο μεταξύ 2013 και 2016, αλλά αυτή η τάση σταμάτησε απότομα το 2017 όταν CO₂ οι εκπομπές από την ενέργεια έφτασαν τους 32,6 γιγατόνους (WEO, 2019). Αυτή η αύξηση 1,6% σηματοδότησε νέο υψηλό ρεκόρ για το CO₂ με βάση την ενέργεια εκπομπές και περαιτέρω αυξήσεις προβλέπονται στο μέλλον, εκτός εάν ολοκληρωμένο CO₂ οι στρατηγικές διαχείρισης υιοθετούνται από τους κορυφαίους παραγωγούς ενέργειας στον κόσμο. Επιπλέον, δεκαετίες σταθερής αύξησης του ανθρωπογενούς CO₂ οι εκπομπές είχαν ως αποτέλεσμα τη σταθερή αύξηση του ατμοσφαιρικού CO₂ συγκεντρώσεις, οι οποίες έφτασαν τα 400 ppm τον Μάιο του 2013 και τώρα είναι πάνω από 410 ppm στο Παρατηρητήριο Mauna Loa (SIO, 2019).

Επειδή είναι ευρέως αποδεκτό ότι το αυξανόμενο ατμοσφαιρικό CO₂ Οι συγκεντρώσεις είναι υπεύθυνες για την αύξηση της θερμοκρασίας της γης και της θάλασσας, ίσως η μεγάλη πρόκληση της σύγχρονης κοινωνίας είναι να βρει τεχνολογικά, κοινωνικά και πολιτικά πλαίσια για τη σταθεροποίηση του ανθρωπογενούς CO₂ εκπομπές.

Στο χαρτοφυλάκιο του CO₂ στρατηγικές σταθεροποίησης, μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογική λύση είναι η δέσμευση και η δέσμευση άνθρακα (CCS), η οποία είναι η διαδικασία δέσμευσης CO₂ σε γεννήτριες σημειακών πηγών (δηλαδή σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής, εργοστάσια κ.λπ.) και απομόνωσή της από την ατμόσφαιρα με απόρριψη σε βαθείς γεωλογικούς σχηματισμούς (>800 m). Η αποτελεσματικότητα του CCS εξαρτάται από τη δεξαμενή στόχο, η οποία μετριέται από τη συνολική χωρητικότητα αποθήκευσης, καθώς και από την ικανότητά της να δέχεται CO₂ ενέσεις και αποτρέψτε τη διαρροή του.

Παραδοσιακά, η έρευνα της CCS έχει επικεντρωθεί σε ιζηματογενείς γεωλογικούς σχηματισμούς, όπως εξαντλημένους ταμιευτήρες πετρελαίου/αερίου, δεξαμενές βαθιάς άλατος και ραφές άνθρακα που δεν μπορούν να εξορυχθούν (Benson &Cole, 2008). Αυτά τα ιζηματογενή συστήματα χαρακτηρίζονται γενικά από πετρώματα δεξαμενής υψηλής αγωγιμότητας που επικαλύπτονται από σχηματισμούς πολύ χαμηλότερης αγωγιμότητας, οι τελευταίοι από τους οποίους παγιδεύουν αποτελεσματικά το CO₂ στη δεξαμενή απόρριψης και αποτρέπει τη διαφυγή του.

Ενώ το CCS σε ιζηματογενή πετρώματα έχει αποδειχθεί αποτελεσματικό για το CO₂ αποθήκευση, τέτοιοι σχηματισμοί δεν υπάρχουν παντού. Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές εξετάζουν τώρα μη παραδοσιακούς γεωλογικούς σχηματισμούς για CCS. Ένας πολλά υποσχόμενος τύπος βράχου είναι ο βασάλτης πλημμύρας, ο οποίος σχηματίζεται όταν λιωμένη λάβα ρέει στην επιφάνεια της γης, ψύχεται και στη συνέχεια σκληραίνει. Όταν αυτή η διαδικασία συμβαίνει επανειλημμένα σε μεγάλες γεωγραφικές περιοχές, το αποτέλεσμα είναι μια πολυεπίπεδη συνάθροιση μεμονωμένων ροών βασάλτη (IMAGE) που ονομάζονται μεγάλες πυριγενείς επαρχίες, π.χ. παγίδες Deccan (Ινδία), Siberian Traps (Ρωσία) και Columbia River Basalt Group ( ΗΠΑ).

Το κίνητρο για CCS σε σχηματισμούς βασάλτη είναι η ανόργανη σύστασή τους, η οποία απελευθερώνει ιόντα ασβεστίου, μαγνησίου και σιδήρου όταν εκτίθεται σε μείγματα CO₂ και νερό. Καθώς αυτά τα ιόντα εισέρχονται στο νερό-CO₂ μίγμα, αντιδρούν με διττανθρακικά ιόντα για να σχηματίσουν ανθρακικά ορυκτά, π.χ. ασβεστίτη. Αυτή η διαδικασία ακινητοποιεί μόνιμα τον άνθρακα που προέρχεται από το CO₂ . Για να παρακινηθεί περαιτέρω αυτό το CCS σε σχηματισμούς βασάλτη, πειράματα εργαστηρίου και πεδίου δείχνουν ότι η ανοργανοποίηση του άνθρακα συμβαίνει γρήγορα. Στην πραγματικότητα, η πιλοτική δοκιμή CarbFix στην Ισλανδία έδειξε 95% ανοργανοποίηση σε λιγότερο από δύο χρόνια (Matter et al., 2016).

Ενώ αυτά τα πειράματα εργαστηριακής και πιλοτικής κλίμακας δείχνουν πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα, η μετάβαση στην εφαρμογή σε βιομηχανική κλίμακα είναι γεμάτη προκλήσεις. Για παράδειγμα, οι σχηματισμοί βασάλτη πλημμύρας χαρακτηρίζονται από διάχυτα δίκτυα ρωγμών, τα οποία αποτελούν πιθανές οδούς για το CO₂ για να ξεφύγει από τη δεξαμενή πριν από την ανοργανοποίηση. Επιπλέον, οι τεχνολογικοί περιορισμοί αποκλείουν την ικανότητά μας να χαρτογραφήσουμε πλήρως αυτά τα δίκτυα ρωγμών στα βάθη που απαιτούνται για CCS (>800 m). Αυτή η αβεβαιότητα επιδεινώνεται περαιτέρω επειδή η αγωγιμότητα των δικτύων θραύσης βασάλτη παρουσιάζει μια εξαιρετική μεταβλητότητα (Jayne &Pollyea, 2018). Οι συνέπειες αυτής της αβεβαιότητας είναι ότι τα μοντέλα αξιολόγησης κινδύνου του CCS σε σχηματισμούς βασάλτη είναι επιρρεπή σε σημαντικά σφάλματα. Στην πιο πρόσφατη εργασία μας, μετατρέπουμε αυτήν την αβεβαιότητα σε πλεονέκτημα εφαρμόζοντας μεθόδους προσομοίωσης στοχαστικών (βασισμένες σε στατιστικές) για να μάθουμε τον βαθμό στον οποίο οι σχηματισμοί βασάλτη πλημμύρας μπορούν να δεχτούν CO₂ ενέσεις ενώ παραμένει μηχανικά σταθερός.

Αυτή η μελέτη βασίζεται στο πιλοτικό έργο Wallula Basalt Sequestration στη νοτιοανατολική πολιτεία της Ουάσιγκτον, ΗΠΑ. Αυτό το πιλοτικό έργο αναπτύχθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ για να αξιολογήσει το δυναμικό της τεχνολογίας δέσμευσης βασάλτη. Μεταξύ 2007 και 2013, η τοποθεσία Wallula υποβλήθηκε σε εκτεταμένο χαρακτηρισμό θέσης, ο οποίος κατέληξε σε μια μικρής κλίμακας δοκιμαστική έγχυση που έδειξε ευρεία ανοργανοποίηση άνθρακα σε δείγματα πυρήνα μετά την έγχυση (McGrail et al., 2017). Προκειμένου να δοκιμάσουμε λειτουργίες CCS σε βιομηχανική κλίμακα σε σχηματισμούς πλημμυρικών βασάλτη, συνδυάσαμε δεδομένα χαρακτηρισμού τοποθεσίας από τη γεώτρηση Wallula με γεωστατιστική ανάλυση της διαπερατότητας στο οροπέδιο του ποταμού Κολούμπια για να αναπτύξουμε ένα πείραμα αριθμητικής μοντελοποίησης που περιλαμβάνει 50 εξίσου πιθανές, ετερογενείς δεξαμενές.

Τρέξαμε κάθε CO₂ μοντέλο έγχυσης για 20 χρόνια στην ίδια πίεση έγχυσης και διαπίστωσε ότι το δυναμικό έγχυσης από ένα φρεάτιο μεμονωμένης έγχυσης κυμαίνεται από 0,1 έως 2 εκατομμύρια μετρικούς τόνους (MMT) CO₂ ανά έτος με μέση τιμή ~0,8 MMT ετησίως. Για αναφορά, μια μονάδα παραγωγής ενέργειας 1.000 MW με αέριο παράγει ~1,6 MMT CO₂ ανά έτος, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι σχηματισμοί βασάλτη πλημμύρας παρουσιάζουν εξαιρετική δυνατότητα έγχυσης για λειτουργίες CCS βιομηχανικής κλίμακας. Ωστόσο, αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν επίσης ότι υπάρχει πιθανότητα κακής απόδοσης φρεατίων έγχυσης. Ως αποτέλεσμα, η μελέτη μοντελοποίησης μας δείχνει τη σημασία του λεπτομερούς χαρακτηρισμού της δεξαμενής, επειδή η χωρητικότητα της δεξαμενής είναι ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες κατά την εξέταση της αποτελεσματικότητας του CCS.

Αυτή η μελέτη διαπίστωσε επίσης ότι υπάρχει μια θερμική ανωμαλία στο μπροστινό άκρο του CO₂ λοφίο, όπου η θερμοκρασία αυξάνεται έως και 4 C (Εικ. 2). Αυτή η θέρμανση προκαλείται από CO₂ διαλύεται στο νερό, που είναι εξώθερμη αντίδραση (απελευθερώνει θερμότητα). Επειδή οι 4C είναι μια σημαντική αύξηση στις θερμοκρασίες του ταμιευτήρα, η μελέτη μας υπονοεί έντονα ότι η θερμοκρασία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο παρακολούθησης κατά τη διάρκεια εργασιών έγχυσης CCS.

Συνοπτικά, οι αριθμητικές μέθοδοι που παρουσιάζονται στο Jayne et al. (2019) αποδίδουν ένα ευρύ φάσμα ποσοτικών δεδομένων που παρέχουν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με την ικανότητα αποθήκευσης του ταμιευτήρα και τη χαρακτηριστική συμπεριφορά του συστήματος ρευστού. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν στη συνέχεια να αξιοποιηθούν για την ανάπτυξη ποσοτικών πλαισίων για την ελαχιστοποίηση λειτουργικών κινδύνων και την ανάπτυξη σχεδίων για την παρακολούθηση, τη μέτρηση και την επαλήθευση του CO₂ απομόνωση. Αν και αυτή η μελέτη είναι συγκεκριμένη για την ομάδα Columbia River Basalt Group, οι μέθοδοι μας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον περιορισμό της αβεβαιότητας που σχετίζεται με το CCS σε άλλους γεωλογικούς σχηματισμούς.

Αναφορές:

1. Benson, Sally M. και David R. Cole. «Απομόνωση CO2 σε βαθιά ιζηματογενή σχηματισμούς». Στοιχεία 4.5 (2008):325-331.
2. Jayne, Richard S. και Ryan M. Pollyea. «Δομή συσχέτισης διαπερατότητας του οροπεδίου του ποταμού Κολούμπια και επιπτώσεις στην αρχιτεκτονική του συστήματος ρευστών σε ηπειρωτικές μεγάλες πυριγενείς επαρχίες». Γεωλογία 46.8 (2018):715-718.
3. Jayne, Richard S., Hao Wu και Ryan M. Pollyea. «Γεωλογική δέσμευση CO2 και αβεβαιότητα διαπερατότητας σε μια εξαιρετικά ετερογενή δεξαμενή». International Journal of Greenhouse Gas Control 83 (2019):128-139.
   Matter, Juerg M., et al. «Ταχεία ανοργανοποίηση άνθρακα για μόνιμη διάθεση ανθρωπογενών εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα». Science 352.6291 (2016):1312-1314.
4. McGrail, Bernard Pete, et al. «Πιλοτικό έργο επίδειξης Wallula Basalt:Αποτελέσματα και συμπεράσματα μετά την έγχυση». Energy Procedia 114 (2017):5783-5790.
5. SIO =Scripps Initiute of Oceanography, πρόσβαση στις 11 Απριλίου 2019.
6. "Παγκόσμια Ενεργειακή Προοπτική." WEO, www.iea.org/weo/. Πρόσβαση στις 11 Απριλίου 2019