Hiilidioksidin geologinen varastointi

Hiilidioksidi

Hiilidioksin kierto

• Hiilen kiertokulku
• Hiilidioksidipäästöt
• Hiilidioksidin geologinen varastointi
• Hiilinielu
• Hiilidioksidin talteenotto
• Hiilivuoto
• Hiilijalanjälki
• Hiilidioksidiekvivalentti

Hiilidioksidin geologinen varastointi on tärkeä osa hiilidioksidin talteenotto- ja varastointiteknologiaa (CCS).

Suurimittakaavaisen hiilidioksidin geologisen varastoinnin kaksi tärkeintä ja mahdollisinta vaihtoehtoa ovat:

1. Öljyn ja maakaasun etsinnästä ja tuotannosta hyvin tunnetut, tyhjentyneet maakaasu- ja öljykentät
2. Syvät suolavesiakviferit, jotka sisältävät juomakelvotonta, merivettä suolaisempaa vettä

Muut vaihtoehdot, kuten esimerkiksi hiilijuonet ja basalttikivet, ovat edelleen tutkimuksen alla, ja voivat olla mahdollisia tulevaisuuden vaihtoehtoja.

Hiilidioksidi injektoidaan porakaivojen kautta syvälle varastomuodostuman kivilajien rakeiden ja halkeamien väliseen huokostilaan korvaten ja paineistaen huokosissa olevan nesteen, joka voi olla maakaasua, vettä tai öljyä. Varastomuodostumaksi soveltuvilla kivilajeilla pitää olla hyvä huokoisuus ja läpäisevyys. Tyypillisimmin tällaisia kivilajeja löytyy kerrostumisaltaista jotka ovat muodostuneet sedimenttien kerrostuessa geologisessa menneisyydessä. Hienojakoiset läpipääsemättömät sedimentit näissä samoissa altaissa muodostavat sulkuja läpäiseviin kerroksiin. Luonnollisesti esiintyvä öljy, maakaasu tai puhtaat CO₂-varastot todistavat että nesteet pysyvät kerroksissa miljoonia vuosia.

Maanalaiset muodostumat, varastot ja sulkukerrokset muodostavat monimutkaisia rakenteita, jotka ovat heterogeenisia, epätasaisesti jakautuneita ja siirrostuneita. Perusteellinen tietämys kohteesta ja geotieteellinen kokemus ovat välttämättömät arvioitaessa maanalaisten rakenteiden soveltuvuutta pitkäaikaiseen hiilidioksidin varastointiin. Mahdollisten CO₂ varastomuodostumien täytyy täyttää monia kriteerejä, joista tärkeimmät ovat:

• riittävä huokoisuus, läpäisevyys ja varastointikapasiteetti
• varastomuodostuman päällä oleva läpäisemätön kivilajiyksikkö, esimerkiksi savi, savikivi, merkeli tai suolakivi, joka estää hiilidioksidin kulkeutumisen ylöspäin
• Sulkevia rakenteita, esimerkiksi kupolin muotoinen sulkukerros, joka voi ohjata hiilidioksidin kulkeutumista varastomuodostumassa
• syvyys enemmän kuin 800 m, missä paine ja lämpötila ovat tarpeeksi korkeita takaamaan tiheäksi tiivistetyn hiilidioksidin varastoinnin, jolloin varastointimäärä suurenee
• juomavedeksi kelpaavaa vettä ei saa olla alueella

Kansallinen esimerkki varastointipotentiaalista

Yksi yllä olevat kriteerit täyttävä alue on ”Southern Permian basin” eli eteläinen permikautinen kerrostumisallas, joka ulottuu Englannista Puolaan. Hiekat ovat kerrostuneet eri geologisina aikakausina. Sedimentteihin ovat vaikuttaneet kiviä muodostavat prosessit, jotka jättävät osan huokostilasta täyteen suolavettä tai maakaasua. Kerrostunut savi on tiivistynyt läpipääsemättömäksi kerrokseksi estäen nesteiden nousemisen ylöspäin. Suurin osa hiekkakivikerrostumista on 1–4 km syvyydessä, missä paine on tarpeeksi korkea jotta hiilidioksidia voidaan varastoida tiheässä olomuodossa. Näissä syvyyksissä muodostumissa olevan veden suolapitoisuus on 100–400 g/l, mikä on paljon suolaisempaa kuin merivesi. Kerrostumisaltaassa tapahtuneiden liikuntojen seurauksena vuorisuola deformoitui muodostaen satoja kupolimaisia rakenteita, joihin varastoitui myöhemmin maakaasua. Näitä rakenteita tutkitaan nyt mahdollisina hiilidioksidin lopullisina varastointipaikkoina ja pilottiprojekteina.

Varastokapasiteetti

Varastokapasiteettiarviot ovat yleensä erittäin likimääräisiä ja ne perustuvat sopivien muodostumien spatiaaliseen laajuuteen. Kapasiteettia voidaan arvioida karkeasti erilaisilla tasoilla, alkaen karkeasta kansallisesta tasosta, tarkemmalla kerrostumisallas- sekä varastomuodostumatasolla, jolloin laskennassa otetaan huomioon olemassa oleva geologisten rakenteiden heterogeenisyys ja monimutkaisuus.

Varastokapasiteetin eri tasot ovat eritelty usein seuraavasti:

• volumetrinen kapasiteetti: muodostuman huokostilavuuden arvio, perustuen muodostuman laajuuteen, paksuuteen ja ominaisuuksiin.
• Todellinen kapasiteetti /geotekninen kapasiteetti: yleensä yksittäisen varastointipaikan arvio, perustuen yksityiskohtaiseen tutkimukseen varastointipaikasta, ottaen huomioon muodostuman ja sulkukerroksen kivilajiominaisuudet kuten injektiivisyys, muodostuman nesteet ja todennäköiset injektointistrategiat. Todellisen kapasiteetin arvioita voidaan arvioida paikan erityisiin arvoihin perustuvilla tietokonemallinnuksilla, missä mallinnuksen avulla ennustetaan hiilidioksidin injektoitumista ja liikettä varastomuodostuman sisällä.
• Toteuttamiskelpoinen kapasiteetti: Lopuksi, sosioekonomiset tekijät vaikuttavat siihen voidaanko soveltuvaa muodostumaa käyttää vai ei. Näihin tekijöihin kuuluu sopivien hiilidioksidilähteiden saatavuus, varastointikustannukset, vastuukysymykset, lait ja asetukset sekä yleinen mielipide. Näitä ei-geoteknisiä vaikutuksia on vaikea ennakoida ja laskea kapasiteettiin.

Yhteenvetona voidaan sanoa että Euroopan varastointikapasiteetin tiedetään olevan korkea, mutta epävarmuustekijöitä etenkin syviin suolavesikerrostumiin on olemassa. Suolavesikerrostumat voi olla varastointikapasiteettia suuria yksiköitä varten useiksi vuosikymmeniksi. Varastointikapasiteetin päivitys ja täydennyskartoitus on ajankohtainen tutkimusaihe sekä yksittäisille valtioille että suuremmassa Euroopan mittakaavassa, esimerkiksi EU CO₂STOP projektissa.

Katso myös

• Hiilidioksidin talteenotto

Lähteet

R. Arts, S. Beaubien, T. Benedictus, I. Czernichowski-Lauriol, H. Fabriol, M. Gastine, O. Gundogan, G. Kirby, S. Lombardi, F. May, J. Pearce, S. Persoglia, G. Remmelts, N. Riley, M. Sohrabi, R. Stead, S. Vercelli, O. Vizika-Kavvadias. (2008); L. Solismaa, R. Turunen, T. Vähäkuopus, N. Nordbäck & J. Kallio (Finnish eds)(2012). Mitä hiilidioksidin (CO₂) geologien varastointi tarkoittaa? CGS Europe-hankkeen puitteissa käännetty ja julkaistu CO₂GeoNet esite, 16 s. ISBN: 978-952-217-189-4.

Aiheesta muualla

• CO₂GeoNet – European Network of Excellence on the Geological Storage of CO₂
• CGS Europe – Pan European coordination action on CO₂ geological storage
• Carbon capture and storage timeline, englanninkielinen Wikipedia
• Carbon sequestration, englanninkielinen Wikipedia