At salt elsker vann, kan bli avgjørende for CO₂-lagring

Undersjøisk lagring av karbondioksid (CO2) er den mest brukte metoden for å fjerne store mengder CO2 fra atmosfæren. Metoden regnes som et effektivt tiltak mot global oppvarming og klimaendringer. Den går ut på at CO2 blir pumpet inn i porøse bergarter. I en slik operasjon kan det oppstå komplikasjoner, som at porene tettes til, slik at strømningen avtar eller stanser.

Vellykket lagring av CO2 er avhengig av tre faktorer som må være på plass:

• Reservoaret må ha tilstrekkelig lagringskapasitet
• Reservoarbergarten må være porøs (olje og gass oppbevares i porene i bergarten) og ha gjennomstrømningsevne, slik at CO2 kan pumpes inn
• Takbergarten, som ligger øverst, må ha evnen til å holde på CO2 og hindre at den lekker ut og strømmer til overflaten

Saltutfelling er en av årsakene til endringer i porestrukturen i forbindelse med injeksjon og lagring. Dette påvirker både injeksjonsfasen (mens CO2 pumpes inn) og forseglingen.

Mohammad Nooraiepour tok nylig doktorgraden på denne problematikken ved UiOs Institutt for geofag. Han har sett på mulighetene for effektiv og sikker lagring av CO2 i Nordsjøen og Barentshavet.

Nooraiepour har blant annet undersøkt hva som foregår ved saltutfelling. Hvor i porerommet blir det dannet saltkrystaller? Og hvordan blir bergartens lagringsegenskaper påvirket?

Dette arbeidet har vært en del av en større aktivitet rundt reaksjoner mellom mineraler, saltvann, og CO2, ledet av Helge Hellevang ved Institutt for geofag. En av artiklene i doktoravhandlingen ble publisert i «Environmental Science & Technology». Den er skrevet sammen med Hossein Fazeli, Rohaldin Miri og Helge Hellevang.

Equinor har erfart at bergartens gjennomstrømningsevne (permeabilitet) reduseres over tid når man pumper inn CO2. Flere av forskerne på Universitetet i Oslo har vært opptatt av å studere fenomenet. To av dem er Helge Hellevang og Rohaldin Miri, som tok tak i tematikken for noen år siden. De oppdaget da at det var flere svakheter ved tidligere forskning.

Mye vann i bergarter

Porøse bergarter kan inneholde store mengder saltholdig vann. I veldig porøse bergarter kan mer enn 30 prosent av volumet være vann. Når CO2 pumpes inn, kan man sterkt forenklet si at vannet ved et visst metningspunkt begynner å danne saltkrystaller. Dette kalles saltutfelling.

– Vi oppdaget at saltkrystallene dannes i grenseflaten mellom bergarten og CO2 og at de vokser raskt samtidig som de binder seg til hverandre. Egentlig er det flere former for saltkrystaller. Den minste måles i mikrometer. I eksperimentene våre så vi at de utviklet seg så raskt at de kunne blokkere for gjennomstrømningen, forklarer Nooraiepour.

Han gjorde en overraskende oppdagelse i disse eksperimentene:

– Saltkrystallene er hydrofile, som betyr at de er vannelskende, og de trekker til seg vann over lengre avstander. Når vann trekkes mot utfellingsfronten, bidrar saltinnholdet i vannet til å gjøre saltkrystallene enda større. Når CO2 injiseres, vil derfor bergartens gjennomstrømningsevne bli redusert eller blokkert som følge av at porene tettes.

– Hva betyr dette i praksis for lagring av CO2?

– Det betyr forskjellige ting om du er nær borebrønnen eller langt unna. Når det skal gjennomføres fullskala CO2-lagring i Nordsjøen, vil saltutfelling nær brønnen kunne medføre at det blir vanskeligere å pumpe inn CO2. Dette er for så vidt et kjent problem både fra eksperimenter og felterfaringer. Det som ikke har vært kjent, er hvilke mekanismer som ligger bak. Mine kolleger og jeg har bidratt med mer kunnskap om dette, og vi har avdekket at saltkrystallene trekker til seg vann over lengre avstander.

Selv-reparerende

Dette gjelder altså nær brønnen, i injeksjonsfasen. Hva så med reservoarbergartens evne til å holde på CO2, som er et like viktig aspekt for å oppnå sikker lagring?

– For lagringen er våre funn om saltutfelling gode nyheter.  Når du kommer lenger bort fra brønnen, kan saltutfelling bidra til å gjøre lagringen sikrere. Forklaringen ligger i at hvis det oppstår et brudd, en sprekk, i bergarten, og det begynner å strømme CO2 oppover i lekkasjekanalen, vil det dannes saltkrystaller i denne åpningen. Dette har å gjøre med endringer i termodynamiske egenskaper når trykket og temperaturen faller. Dermed reduseres gjennomstrømningen, og lekkasjen reduseres over tid. Saltutfelling vil altså fungere som en selv-reparerende mekanisme, og dette er noe vi ikke har kjent til tidligere.

Ved hjelp av avansert laboratorieutstyr (se faktaboks) har Nooraiepour og kollegene testet og observert porøse bergarter under forskjellig trykk, temperatur og med ulikt saltinnhold.  På dette grunnlaget har de gjort termodynamiske analyser av hva som påvirker lagringsforholdene for CO2.

– Hvilken praktisk betydning kan funnene få?

– Når vi snakker om hvordan CO2 injiseres, har vi fått ny kunnskap som kan bidra til å redusere saltutfelling nær brønnen. Utgangspunktet er at vi forstår mer av prosessen, vi kjenner de termodynamiske faktorene som påvirker saltutfellingen ved ulik injeksjonshastigheten.

Dermed vet forskerne hvilke parametere som må justeres for at porene ikke skal tettes i den viktige injeksjonsfasen.  

– For lagringsfasen har vi utarbeidet et forslag til en ny metode for å beregne reservoarbergartens lagringsevne. Igjen er det essensielt å forstå de termodynamiske mekanismene. På den måten kan vi beregne hvor sikkert lagringsreservoaret vil være over tid.

Termodynamisk påvirkning

Tidligere var det en gjengs oppfatning i miljøet at termodynamiske forhold ikke påvirket saltutfellingen. Nooraiepour har et annet syn på dette – etter å ha eksperimentert med virkelige bergarter, varierende høye temperaturer og varierende høyt trykk samtidig som han har observert prosessene i mikroskopet. Da har han sett hvordan saltkrystallene opptrer ulikt ut fra trykk og temperatur.

– Det dreier seg i bunn og grunn om å forstå den grunnleggende fysikken. Det er en forutsetning for å gjennomføre sikker CO2-lagring i stor skala.

Forskningsgruppen som Nooraiepour er en del av har til nå operert på porenivå. Da snakker vi om mikrometer, som er 0,001 millimeter. Med tanke på praktisk anvendelse i felt, skal gruppen fremover skalere opp forsøkene og modellere prosessene for kjerneprøver og se på hvilken betydning den nye kunnskapen vil ha for større, sammenhengende områder.

– Hvor lang tid vil det ta før den nye kunnskapen får praktisk betydning for lagring av CO2?

– Noe av fysikken vi introduserer, kan tas i bruk allerede nå. Hvis dette skal brukes i forbindelse med CCS, altså karbonfangst og -lagring, vet vi nå at vi må ta hensyn til de termodynamiske effektene. Vi har to nye doktorgradsstudenter som arbeider med å modellere disse prosessene. Samtidig planlegger vi å gjøre feltskalasimuleringer. Jeg håper at vi om to eller tre års tid kan presentere resultatene av disse forsøkene.

– Kan den nye kunnskapen om saltutfelling få betydning på andre områder?

– Ja, absolutt – for jordbruket og miljøspørsmål. Det kan godt tenkes at noe av denne fysikken kan forhindre saltutfelling i jorda, noe som ødelegger for jordas fruktbarhet.

.......

Fakta: Undersøkelsen:

Mohammad Nooraiepour har undersøkt hvordan saltutfelling påvirker bergartens gjennomstrømmingsevne – ved injeksjon og lagring av CO2.

Han har brukt en nyutviklet trykkbeholder for laboratorietesting av mikromodeller av bergarter – under høyt trykk og høy temperatur og med mulighet for sanntidsobservasjoner. Utstyret befinner seg på sedimentlaboratoriet ved Institutt for geofag på UiO.

Nooraiepour var selv med på å utvikle trykkbeholderen, som ble finansiert gjennom SUCCESS - et forskningssenter for miljøvennlig energi (FME), der ulike forskningsmiljøer samarbeidet om CO2-lagring.

Arbeidet blir nå videreført gjennom et nytt FME ved navn Norwegian CCS Research Centre (NCCS).