Зберігання CO₂

Після транспортування CO₂ зберігається в пористих геологічних пластах, що зазвичай розташовуються на глибині більше 800 метрів нижче поверхні землі, де тиск та температура змушують CO₂ залишатись у рідкому чи щільному стані. До придатних місць зберігання можна віднести колишні родовища газу та нафти, глибокі соленосні формації або родовища газу та нафти, що вичерпуються.

Можливість зберігання CO₂ – це основа розгортання УЗВ. Недостатня місткість сховищ може зробити уловлювання CO₂ недоцільним, а – в найгіршому випадку – привести до зменшення кількості інвестицій у проекти з УЗВ. Для того, щоб досятнути масштабів нафтогазового сектору, індустрія зберігання CO₂ повинна забезпечити належний масштаб розгортання УЗВ. У звіті Міжнародного екологічного об’єднання «Біллона» «Визначення масштабів сектору зберігання CO₂» зазначається, що для створення необхідної ємності для зберігання викидів у рамках проектів з УЗВ, що будуть запущені в 2030 році, значна кількість інвестицій у зберігання CO₂ потрібна вже до 2020 року.

Для зберігання CO₂ під землею використовуються переважно ті ж самі методи та принципи, що застосовуються до природно уловленої нафти та газу, що знаходяться під землею мільйони років. CO₂ може зберігатись як під землею, так і в морі. Однак перед вибором місця зберігання необхідно переконатись, що CO₂ після впорскування не дасть течу. Безпечні та ефективні місця зберігання мають такі характеристики:

• Пласти, в яких буде зберігатись CO₂, такі як піщаник, повинні мати здатність пропускати CO₂. Для цього потрібно достатньо пористого простору та невеличкі щілини, заповнені водою, між зернами гірської породи
• Пори в гірській породі повинні бути достатньо з’єднані, а саме мова йде про «проникність», аби CO₂ міг рухатись та поширюватись в межах пласту, що забезпечить належну ємність для утримання необхідної кількості CO₂
• Пласти повинні мати широкий шар покривної породи чи верхній бар’єр, щоб утримувати CO₂ сотні й тисячі років та довше

Глибокі сольові водоносні горизонти, які можна знайти у всьому світі, становлять найбільший потенціал для зберігання CO₂ в довгостроковій перспективі. Водоносний горизонт – це пористий піщаник, де вода природно перебуває в порах в піску. У разі впорскування, CO₂ може зайняти пори, як це робить вода, або ж він може навіть розчинитись у воді. З часом CO₂ неодмінно почне розчинятись у воді. Цей процес, що проходить природнім шляхом, зменшує ризик течі, оскільки вода перебуває у водоносному горизонті мільйони років. Через декілька тисяч років CO₂ вступить в реакцію з іншими корисними копалинами та перетвориться на твердий вапняк, який є найбезпечнішою формою зберігання CO₂. Варто зазначити, що лише водоносні горизонти, що містять солону воду, підходять для зберігання CO₂. Водоносні горизонти, що містять прісну воду, не будуть використовуватись для зберігання CO₂, оскільки їх можна використовувати для добування питної води.

CO2 storage in a saline aquifer below a caprock Credit: Prosjektlab

Зберігання CO₂ в сольовому водоносному горизонті під покривною породою 

Важливим фактором при виборі водоносних горизонтів у якості місць зберігання є якість підстильної породи. CO₂, що впорскується у водоносний горизонт, – плавучий, тобто він має тенденцію до підняття вверх. Це створює потребу в кришці чи ковпаку поверх водоносного горизонту, щоб не дати CO₂ піднятися догори. Такою кришкою може стати тонкий шар непроникного шламу або глини. Тому перед зберіганням CO₂ необхідно провести геологічні дослідження для того, щоб переконатися, що покривна порода непроникна для CO₂. Однак пласти понад формацією зберігання та покривною породою також необхідно оцінити, оскільки якщо виникне теча CO₂ , то зможе проникнути і через них. Варто відзначити, що УЗВ має багато схожих правових, планувальних, технічних та операційних аспектів з підземним зберіганням газу – процесом, що здійснюється по всьому світу вже майже 100 років. Хоча підземні сховища газу безпечні та ефективні, деякі з них давали течу, у більшості випадків через незакінчену роботу або неналежне закупорювання, занедбання та недотримання правил безпеки.

Найкращим доказом того, що CO₂ може зберігатись безпечно, є природні накопичення відносно чистого CO₂, що перебуває в різних геологічних умовах в усьому світі. CO2 знаходиться в таких природних резервуарах мільйони років, що є очевидною ознакою того, що введений CO₂ може зберігатись там таку ж кількість часу. Наприклад, вважається, що 200 мільйонів тон CO₂ уловленого в антикліналі гори Фаска в США, утворились більш ніж 65 мільйонів років тому. В цьому місці не було зафіксовано течі, що обгрунтовує можливість довгострокового зберігання CO₂. Такі природні місця, як вулканічні системи та мінеральні джерела, навпаки нещільні і можуть стати корисними у вивченні наслідків течі CO₂ для здоров’я, безпеки та навколишнього середовища.

Джерело: http://network.bellona.org/content/uploads/sites/3/2015/06/bodytextimage_CO2-storage-engelsk1.jpg

Досвід проведення проектів зі зберігання CO₂ є дуже важливим, оскільки він, між тим, є і доказом безпеки. Морське газове родовище Слейпнир (Sleipner), що знаходиться посередині Північного моря, виробляє природній газ, що містить до 9 % CO₂. Експортні вимоги до якості природного газу вимагають вміст лише 2,5 % CO₂, тому, відповідно, CO₂ відокремлюється від природного газу. CO₂ впорскується у пласт піску, що містить солону воду, яка називається формація «Утсіра» (Utsira), знаходячись на глибині 1000 метрів нижче морського дна. З 1996 року туди щороку вводиться близько одного мільйону тон CO₂ і там не встановлено будь-яких ознак течі.

CO2 storage at Utsira, Norway

Зберігання CO2 в «Утсірі», Норвегія

Джерело: http://network.bellona.org/content/uploads/sites/3/2015/07/Figure-20.jpg

Ризики, пов’язані зі зберіганням CO₂ в геологічних резервуарах, поділяються на дві категорії: глобальні ризики та місцеві ризики. До глобальних ризиків відноситься вивільнення збереженого CO₂в атмосферу, що може значно вплинути на зміну клімату, якщо якась частина просочиться з пласту зберігання. Місцеві ризики включають небезпеку для людей, екосистем та підземних вод. Однак спостереження та аналіз поточних місць зберігання CO₂, природних та технічних систем та моделей вказують на те, що ймовірність течі у належним чином обраних та доглянутих резервуарах майже відсутня або ж незначна в довгостроковій перспективі.

На сьогодні вже існує значний досвід впорскування CO₂ глибоко під землю для зберігання, що було здійснено в рамках ряду проектів з УЗВ. Ці місця зберігання ретельно обиралися, а результати моніторингу вказують на те, що CO₂ було повністю й безпечно заблоковано в геологічних пластах. Ретельна розробка системи зберігання та вибір місця, разом із застосуванням методів раннього виявлення течі (бажано задовго до того, як CO₂  досягне поверхні землі), зможуть допомогти знизити ризики, пов’язані з дифузними течами.

Фізичне захоплення

Найбільш ефективними сховищами є ті, де CO₂ в нерухомості, оскільки постійно утримується під товстим, ізолюючим шаром з низькою проникністю. Басейни добування корисних копалин мають такі закриті, фізично замкнені пастки або структури, в яких знаходяться переважно солона вода, нафта і газ. До структурних пасток належать такі, що утворені складеними або тріснутими породами, і такі,що формуються шляхом зміни типу породи, викликаної зміною в умовах, де залягали породи. При введенні CO₂, необхідно бути обережним, аби не перевищити допустимий тиск, щоб уникнути надлому покривного пласта або повторних дефектів.

CO2 is injected into pores in the sand in the aquifer and will try to move upwards, but it is stopped by the impermeable caprock on top of the aquifer Credit: Prosjektlab

CO₂ впорскується в пори в піску у водоносному горизонті і намагається рухатись вгору, однак його зупиняє непроникна покривна порода на поверхні водоносного горизонту

Джерело: Prosjektlab

Коли вуглець вводиться в пласт, він зміщує флюїд сольової формації, а потім активно переміщується вгору, тому що він є менш щільним, ніж вода. Коли він досягає верхньої частини пласта, він продовжує мігрувати як окрема фаза, поки не опиниться в якості залишкового захоплення CO₂ або в локальній структурній пастці всередині ущільнювальної формації. Захоплення може також відбутися в сольових утвореннях, які не мають замкненої пастки, але де гази дуже повільно переміщуються на великі відстані.

Залишкове захоплення

Коли вуглець в надкритичному стані вводиться у формацію, він витісняє газ, оскільки рухається через пористу губчасту породи. У ході міграції CO₂ його заміняє газ, захоплюючи CO₂ в якості залишків рідини в порах, що робить його нерухомим. Подібним чином протягом мільйонів років зберігалася нафта.

Розчинне захоплення

У довгостроковій перспективі значна кількість CO₂ розчиняється в пластовій воді, а потім мігрує з підземними водами. Якщо відстань від місця глибокого введення до кінця непроникної формації, розміщеної вище, складає сотні кілометрів, для газу, щоб досягти поверхні з глибокого басейну, можуть знадобитися мільйони років. Основна перевага розчинного захоплення полягає у тому, що як тільки CO₂ розчиняється, він більше не існує як окрема структура, тим самим усуваючи підйомні сили, які виштовхують його вгору.

CO2 initially trapped by the caprock (left), but as times goes by CO2 dissolves into water (middle) and finally, after thousands of years, CO2 reacts with other minerals to form limestone which is the safest way to store the CO2 (right) Credit: Prosjektlab

CO₂, що спочатку був захоплений покривною породою (зліва), але з часом розчинився у воді (по центру) й, врешті-решт, через тисячі років реагує з іншими корисними копалинами, утворюючи вапняк, який є найбезпечнішою формою зберігання CO₂ (справа) Джерело: Prosjektlab

Мінеральне захоплення

CO₂ у поверхневому шарі ґрунту може пройти ряд геохімічних взаємодій з породою і пластовою водою, що призведе до подальшого збільшення ємності зберігання і ефективності – цей механізм відомий як геохімічне захоплення або мінералізація. Розчинений у воді вуглець утворює іонні частинки, які вступають в реакцію з породою і утворюють стійкі карбонати. Цей процес можна назвати мінеральним уловлюванням, що є найбільш постійною формою геологічного зберігання. Мінеральне уловлювання йде порівняно повільно, потенційно процес займає тисячі років або більше. Тим не менш, стабільність мінерального зберігання у поєднанні з потенційно великою ємністю зберігання в деяких геологічних умовах робить це бажаною властивістю тривалого зберігання.

Характеристика місця зберігання

Місце зберігання і навколишнє середовище має бути охарактеризовано з наданням геологічних, гідрогеологічних, геохімічних і геомеханічних характеристик. Документація характеристик того чи іншого місця зберігання буде спиратися на дані, які були отримані як безпосередньо з резервуара, так і на відстані. Інтеграція усіх різноманітних типів даних необхідна для отримання надійної моделі, що може бути використана для оцінки того, чи підходить певне місце для зберігання CO₂. Вибір місць зберігання базується на даних характеристики. Найважливішими даними необхідними для вибору місця є:

• Геологічний опис місця зі стовбурів свердловини та оголених порід, необхідних для характеристики формації зберігання та щільності
• Сейсмічні дослідження для визначення геологічної структури підповерхневого пласту та можливих дефектів або тріщин, що можуть призвести до течі
• Виміри тиску в пласті для відображення швидкості і напрямку руху потоку підземних вод, та
• Зразки якості води для демонстрації ізоляції між глибокими та мілкими підземними водами.

Важливими для початкової оцінки економічної рентабельності також є прогнозування та тестування швидкості, з якою можна впорскувати CO₂ та ємності в місце зберігання.

Комп’ютерне моделювання також відіграє ключову роль у проектуванні та експлуатації проектів для підземного закачування СО2. Подібним чином, моделювання може використовуватися в поєднанні з економічними оцінками для оптимізації розташування, кількості, конструкції і глибини нагнітальних свердловин. Таке моделювання може також використовуватись для оцінки впливу можливих операційних змін, наприклад, шляхом буріння нових свердловин чи зміни швидкості впорскування, що часто має на меті подальше покращення якості відновлення (в контексті ПНП) або уникнення проходження CO₂ через точку максимального заповнення.