"Att förstå den bakomliggande fysiken är en förutsättning för att kunna genomföra säker CO2-lagring i stor skala", säger Mohammad Nooraiepour. Han visar det nyutvecklade mikrofluidsystemet för högt tryck och hög temperatur. Upphovsman:Dag Inge Danielsen/UiO
Lagring av koldioxid under ytan (CO 2 ) är en av de mest lovande teknikerna för att ta bort stora mängder CO 2 från atmosfären. Metoden, kallas CCS (avskiljning och lagring av koldioxid), betraktas som en effektiv åtgärd mot global uppvärmning och klimatförändringar.
En avgörande del av processen är injektionen av CO 2 in i porösa stenar. I en sådan operation, komplikationer kan uppstå när porerna blir igensatta så att vätskeflödet minskar eller stannar.
Framgångsrik CCS beror på tre faktorer:
Saltfällning är en av huvudorsakerna bakom förändringar i porstrukturen under CO 2 injektion och förvaring.
Mohammad Nooraiepour, som är forskare vid institutionen för geovetenskap, disputerade på sin doktorsavhandling i detta ämne i december 2018. Han har studerat potentialen för effektiv och säker lagring av CO 2 i Nordsjön och Barents hav.
Han har undersökt, bland annat, vad exakt händer när salt faller ut. Var i porerna bildas kristallerna? Och hur påverkas bergets lagringsegenskaper?
Nooraiepours arbete är en del av ett större projekt som undersöker reaktionerna mellan mineraler, saltvatten, och CO 2 , leds av Helge Hellevang vid UiO:s institut för geovetenskap. En av artiklarna i hans doktorsavhandling publicerades i Miljövetenskap och teknik . Den är skriven i samarbete med Hossein Fazeli, Rohaldin Miri och Helge Hellevang.
Equinor har upplevt att bergpermeabiliteten minskar med tiden vid injicering av CO 2 . Fenomenet har studerats av flera UiO-studenter sedan Helge Hellevang och Rohaldin Miri initierade projektet för några år sedan.
Mycket vatten i stenar
Porösa stenar kan innehålla stora mängder saltvatten. I mycket porösa stenar, mer än 30 procent av volymen kan vara vatten. För att uttrycka sig enkelt, vid injicering av CO 2 , vid en viss mättnadspunkt börjar saltkristaller bildas – en process som kallas saltutfällning.
"Vi upptäckte att saltkristallerna bildas i gränsytan mellan berget och CO 2 och att de växer snabbt samtidigt som de ansluter till varandra. Faktiskt, det finns flera former av saltkristaller. Den minsta mäts i mikrometer. I våra experiment såg vi att de utvecklades så snabbt att de kunde blockera flödet", förklarar Nooraiepour.
Han gjorde en överraskande upptäckt i dessa experiment:
"Saltkristallerna är hydrofila, vilket betyder att de älskar vatten, och de drar vatten över långa avstånd. När vatten dras mot nederbördsfronten, saltinnehållet hjälper saltkristallerna att växa sig ännu större. Därför, när CO 2 injiceras, bergets permeabilitet kommer att minska eller till och med blockeras."
Vad betyder detta för lagring av koldioxid i full skala 2 ?
"Det betyder olika saker om du är nära injektionen väl eller långt ifrån den. För fullskalig CO 2 lagring i Nordsjön, saltutfällning nära brunnen kan göra det svårare att injicera CO 2 . Detta faktum var redan känt genom experiment och fälterfarenheter. Det som inte var känt, var mekanismerna bakom. Jag och mina kollegor har bidragit med mer kunskap, och vi har visat att saltkristaller drar vatten över längre avstånd."
Självreparationsmekanism
Detta gäller området nära brunnen under injektionsfasen. Hur är det med caprockens förmåga att hålla CO 2 , som är en lika viktig aspekt för att uppnå säker lagring?
"För lagringsfasen, våra rön om saltutfällning är goda nyheter. När du kommer längre bort från brunnen, saltutfällning kan bidra till att göra förvaringen säkrare. Förklaringen ligger i det faktum att om det finns en bristning, en spricka, i berget, och CO 2 börjar läcka, saltkristaller bildas i öppningarna. Detta har att göra med förändringar i termodynamiska egenskaper när tryck och temperatur faller, vilket resulterar i minskad permeabilitet och stoppar läckaget över tid. Saltfällning kommer alltså att fungera som en självreparerande mekanism. Detta var inte känt tidigare."
Använda avancerad laboratorieutrustning (se fakta), Nooraiepour och kollegor har testat och observerat porösa bergarter under olika tryck, temperaturer och med olika salthalt. Utifrån detta, de har gjort termodynamiska analyser av vilka faktorer som kan påverka lagringsförhållandena.
Vilken betydelse har fynden?
"När vi pratar om hur CO 2 injiceras, vi har fått ny kunskap som kan hjälpa till att minska saltutfällningen nära brunnen. Vi förstår mer av processen, vi känner till de termodynamiska faktorerna som påverkar saltutfällning vid olika injektionshastigheter. "
Således, forskare vet vilka parametrar som behöver justeras för att förhindra att porer förseglas under den kritiska injektionsfasen.
"För lagringsfasen, vi har utarbetat ett förslag på en ny metod för att utvärdera reservoarens injektivitet och lagringskapacitet. På nytt, det är viktigt att förstå de termodynamiska mekanismerna. Det gör att vi kan beräkna hur säker lagringsbehållaren kommer att vara med tiden. "
Termodynamisk påverkan
Konventionell visdom sa att termodynamiska förhållanden inte påverkade hur salt fälls ut. Nooraiepour har en annan syn på detta – efter att ha experimenterat med riktiga stenar, varierande höga temperaturer och varierande höga tryck samtidigt som processen observeras i realtid i mikroskopet. Han har sett hur saltkristallerna beter sig olika beroende på tryck och temperatur.
"Väsentligen, det handlar om grundläggande fysik. Det är en förutsättning för säker CO 2 lagring i stor skala."
Tills nyligen, Nooraiepours forskargrupp har opererat i porskala, med hjälp av mätningar av mikrometer, vilket är 0,001 millimeter. När det gäller fälttillämpningar, gruppen kommer att skala upp experimenten och modellera processerna för kärntester och fältskala i större, sammanlänkade områden.
Hur lång tid tar det för den nya kunskapen att få praktisk betydelse för lagringen av CO 2 ?
"En del av den fysik vi introducerar kan tillämpas nu. Om detta ska användas tillsammans med CCS, vi vet nu att vi måste ta hänsyn till de termodynamiska effekterna. Vi har två nya doktorander som arbetar med att modellera dessa processer. På samma gång, vi planerar att göra simuleringar i fältskala. Jag hoppas att vi om två eller tre år kan presentera resultaten av dessa experiment."
Är den nya kunskapen om saltutfällning betydande för andra områden?
"Ja, absolut – för jordbruk och miljöfrågor. Saltutfällning i marken minskar fertiliteten, så det finns en stor potential."
