Ondergrondse opslag van kooldioxide (CO ₂ ) is een van de meest veelbelovende technologieën voor het verwijderen van grote hoeveelheden CO ₂ uit de atmosfeer. De methode, aangeduid als CCS (koolstofafvang en -opslag), wordt beschouwd als een effectieve maatregel tegen de opwarming van de aarde en de klimaatverandering.

Een cruciaal onderdeel van het proces is de injectie van CO ₂ in poreuze rotsen. Bij een dergelijke operatie complicaties kunnen optreden wanneer poriën verstopt raken, zodat de vloeistofstroom afneemt of stopt.

Succesvolle CCS hangt af van drie factoren:

• Voldoende opslagcapaciteit in het reservoir
• Het reservoirgesteente moet voldoende porositeit en doorlaatbaarheid hebben voor de injectiefase
• Afdichtingsefficiëntie van de caprock om CO . te voorkomen ₂ lekkage naar de oppervlakte

Zoutneerslag is een van de belangrijkste redenen achter veranderingen in de poriestructuur tijdens CO ₂ injectie en opslag.

Mohammed Nooraiepour, die research fellow is bij de afdeling Geowetenschappen, verdedigde in december 2018 zijn proefschrift over dit onderwerp. Hij onderzocht het potentieel voor efficiënte en veilige opslag van CO ₂ in de Noordzee en de Barentszzee.

Hij heeft onderzocht, onder andere, wat er precies gebeurt als zout neerslaat. Waar in de poriën worden de kristallen gevormd? En hoe worden de opslageigenschappen van het gesteente beïnvloed?

Het werk van Nooraiepour maakt deel uit van een groter project waarin de reacties tussen mineralen, zout water, en co ₂ , geleid door Helge Hellevang bij UiO's Institute of Geosciences. Een van de artikelen in zijn proefschrift is gepubliceerd in: Milieuwetenschap en -technologie . Het is geschreven in samenwerking met Hossein Fazeli, Rohaldin Miri en Helge Hellevang.

Equinor heeft ervaren dat de doorlaatbaarheid van rotsen na verloop van tijd afneemt bij het injecteren van CO ₂ . Het fenomeen is door verschillende UiO-studenten bestudeerd sinds Helge Hellevang en Rohaldin Miri het project een paar jaar geleden startten.

Veel water in rotsen

Poreuze rotsen kunnen grote hoeveelheden zout water bevatten. In zeer poreuze rotsen, meer dan 30 procent van het volume kan water zijn. Simpel gezegd, bij het injecteren van CO ₂ , op een bepaald verzadigingspunt beginnen zich zoutkristallen te vormen - een proces dat bekend staat als zoutprecipitatie.

"We ontdekten dat de zoutkristallen zich vormen op het grensvlak tussen het gesteente en CO ₂ en dat ze snel groeien terwijl ze met elkaar verbonden zijn. Werkelijk, er zijn verschillende vormen van zoutkristallen. De kleinste wordt gemeten in micrometers. In onze experimenten zagen we dat ze zo snel evolueerden dat ze de stroom konden blokkeren", legt Nooraiepour uit.

Hij deed een verrassende ontdekking in deze experimenten:

"De zoutkristallen zijn hydrofiel, wat betekent dat ze van water houden, en ze trekken water over lange afstanden. Wanneer water tegen het neerslagfront wordt getrokken, het zoutgehalte helpt de zoutkristallen nog groter te worden. Daarom, wanneer CO ₂ wordt geïnjecteerd, de doorlaatbaarheid van het gesteente wordt verminderd of zelfs geblokkeerd."

Wat betekent dit voor volledige opslag van CO ₂ ?

"Het betekent verschillende dingen als je dicht bij de injectie goed of ver weg bent. Voor volledige CO ₂ opslag in de Noordzee, zoute neerslag in de buurt van de put kan het injecteren van CO . bemoeilijken ₂ . Dit feit was al bekend door experimenten en veldervaringen. Wat niet bekend was, waren de mechanismen erachter. Mijn collega's en ik hebben bijgedragen met meer kennis, en we hebben aangetoond dat zoutkristallen water over grotere afstanden trekken."

Zelfherstellend mechanisme

Dit geldt voor het nabije brongebied tijdens de injectiefase. Hoe zit het met het vermogen van de caprock om CO . vast te houden ₂ , wat is een even belangrijk aspect voor het bereiken van veilige opslag?

"Voor de opslagfase onze bevindingen over zoutneerslag zijn goed nieuws. Als je verder van de put vandaan komt, zoutneerslag kan de opslag veiliger maken. De verklaring ligt in het feit dat als er een breuk is, een barst, in de rots, en co ₂ begint te lekken, in de openingen zullen zich zoutkristallen vormen. Dit heeft te maken met veranderingen in thermodynamische eigenschappen wanneer druk en temperatuur dalen, resulterend in verminderde doorlaatbaarheid en het stoppen van de lekkage na verloop van tijd. Zoutneerslag werkt dus als een zelfherstellend mechanisme. Dit was niet eerder bekend."

Met behulp van geavanceerde laboratoriumapparatuur (zie feiten), Nooraiepour en collega's hebben poreuze gesteenten onder verschillende drukken getest en waargenomen, temperaturen en met een verschillend zoutgehalte. Op deze basis, ze hebben thermodynamische analyses gedaan van welke factoren de bewaarcondities kunnen beïnvloeden.

Wat is de betekenis van de bevindingen?

"Als we het hebben over hoe CO ₂ wordt geïnjecteerd, we hebben nieuwe kennis opgedaan die kan helpen de zoutneerslag bij de put te verminderen. We begrijpen meer van het proces, we kennen de thermodynamische factoren die de zoutneerslag bij verschillende injectiesnelheden beïnvloeden."

Dus, onderzoekers weten welke parameters moeten worden aangepast om te voorkomen dat poriën tijdens de kritische injectiefase worden afgesloten.

"Voor de opslagfase we hebben een voorstel opgesteld voor een nieuwe methode om de injectiviteit en opslagcapaciteit van het reservoir te evalueren. Opnieuw, het is essentieel om de thermodynamische mechanismen te begrijpen. Zo kunnen we berekenen hoe veilig het opslagreservoir in de loop van de tijd zal zijn."

Thermodynamische invloed

Conventionele wijsheid zei dat thermodynamische omstandigheden geen invloed hadden op hoe zout neerslaat. Nooraiepour heeft hier een andere kijk op – na te hebben geëxperimenteerd met echte stenen, variërende hoge temperaturen en variërende hoge drukken terwijl het proces realtime in de microscoop wordt geobserveerd. Hij heeft gezien hoe de zoutkristallen zich verschillend gedragen afhankelijk van druk en temperatuur.

"Eigenlijk, het gaat over basisfysica. Het is een voorwaarde voor veilige CO ₂ opslag op grote schaal."

Tot voor kort, De onderzoeksgroep van Nooraiepour heeft op porieschaal geopereerd, met behulp van metingen van micrometers, dat is 0,001 millimeter. Op het gebied van veldtoepassingen, de groep zal de experimenten opschalen en de processen modelleren voor kerntests en veldschaal op grotere, onderling verbonden gebieden.

Hoe lang duurt het voordat de nieuwe kennis praktische betekenis krijgt voor de opslag van CO ₂ ?

"Een deel van de fysica die we introduceren, kan nu worden toegepast. Als dit in combinatie met CCS wordt gebruikt, we weten nu dat we rekening moeten houden met de thermodynamische effecten. We hebben twee nieuwe promovendi die deze processen gaan modelleren. Tegelijkertijd, we zijn van plan simulaties op veldschaal te maken. Ik hoop dat we over twee of drie jaar de resultaten van deze experimenten kunnen presenteren."

Is de nieuwe kennis over zoutneerslag van belang voor andere gebieden?

"Ja, absoluut – voor landbouw- en milieukwesties. Zoutneerslag in de bodem vermindert de vruchtbaarheid, dus er is een groot potentieel."