Undersjøisk lagring av karbondioksid er den mest brukte metoden for å fjerne store mengder av CO2 fra atmosfæren, som et tiltak mot global oppvarming og menneskeskapte klimaendringer.

Men, når CO2 blir pumpet inn i porøse bergarter kan porene tettes til. Det kan hindre strømmen av gassen inn i berget.

De porøse bergartene under havet kan inneholde store mengder saltholdig vann. I noen tilfeller kan over 30 prosent av volumet være vann. Når gassen pumpes inn kan vannet nå et metningspunkt slik at saltet danner krystaller. 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 forskeren Mohammad Nooraiepour.

Saltkrystaller tiltrekker vann

Nooraiepour tok nylig doktorgrad ved Universitetet i Oslo innen mulighetene for effektiv og sikker lagring av CO2 i Nordsjøen og Barentshavet.

Han har forsket spesielt på hva som foregår ved saltutfelling, for å finne ut hvor i porene saltkrystaller dannes og hvordan dette påvirker lagringskapasiteten til bergarten.

For vellykket lagring av CO2 må lageret ha god nok kapasitet. Bergarten må være porøs og ha evne til gjennomstrømning, slik at CO2 kan pumpes inn. Og bergarten over, den såkalte takbergarten, må kunne holde på gassen slik at den ikke lekker ut og strømmer til overflaten.

I samarbeid med andre forskere som undersøker reaksjoner mellom mineraler, saltvann og CO2, har han publisert en vitenskapelig artikkel i Environmental Science & Technology.

Han gjorde en overraskende oppdagelse i eksperimentene.

– Saltkrystallene er hydrofile. Det betyr at de er vannelskende og trekker til seg vann over lengre avstander, sier han.

Prosessen gjør at saltkrystallene blir større. Når CO2 pumpes inn, vil porene bli tettet, slik at bergartens gjennomstrømningsevne blir redusert.

– Hva betyr dette i praksis for lagring av CO2?

– Det betyr forskjellige ting om du er nær borebrønnen eller langt unna. Ved fullskala CO2-lagring i Nordsjøen vil saltutfelling nær brønnen kunne medføre at det blir vanskeligere å pumpe inn CO2, sier han

Ifølge forskeren er dette for så vidt et kjent problem, både fra eksperimenter og erfaringer i felt. 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, sier han.

Selvreparerende lager

Dette gjelder altså nær brønnen, i den fasen der gassen blir pumpet inn, såkalt injeksjon. 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. I større avstand fra brønnen, kan saltutfelling bidra til å gjøre lagringen sikrere, sier han.

Om bergarten sprekker, slik at CO2 strømmer opp og ut i vannet, vil det dannes saltkrystaller i åpningen.

Dette skjer på grunn av endringer i temperatur og trykk, og andre termodynamiske forhold som påvirker gjennomstrømningen. Lekkasjen blir mindre og mindre over tid.

– Saltutfelling vil altså fungere som en selvreparerende mekanisme. Dette er noe vi ikke har kjent til tidligere, sier han.

Test på modeller

Nooraiepour og kollegene testet og observerte porøse bergarter under forskjellig trykk, temperatur og med ulikt saltinnhold ved hjelp av avansert laboratorieutstyr.

Analysene viser hva som påvirker lagringsforholdene for CO2.

– Hvilken praktisk betydning kan funnene få?

– Vi har fått ny kunnskap om hva som skjer når CO2 injiseres som kan bidra til å redusere saltutfelling nær brønnen. Vi forstår rett og slett mer av prosessen. Vi vet hvilke justeringer som skal til for at porene ikke skal tettes i den viktige injeksjonsfasen, sier han.

For lagringsfasen har forskerne utarbeidet et forslag til en ny metode for å beregne reservoarbergartens lagringsevne.

Han sier at den nye kunnskapen om de termodynamiske mekanismene gjør det mulig å beregne hvor sikkert lagringsreservoaret vil være over tid.

Trykk og temperatur

Tidligere var det en gjengs oppfatning blant forskere at termodynamiske forhold ikke påvirket saltutfellingen. I mange år har selskaper som Equinor erfart at gjennomstrømningsevnen eller permeabiliteten til en bergart blir redusert over tid når CO2 pumpes inn.

Nooraiepour har et annet syn etter å ha eksperimentert med bergarter, varierende høye temperaturer og varierende høyt trykk, samtidig som han har observert prosessene i mikroskopet.

Han har sett hvordan saltkrystallene opptrer ulikt ut fra trykk og temperatur. Saltutfelling kan endre strukturen i porene, både når gassen pumpes inn og under forseglingen.

– 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.

Les også:

Forskeren forteller: Vi kan lagre CO2 og samtidig produsere olje

Kan få betydning på land

Forskerne vil nå skalere opp metodene og forsøkene for å se hva den nye kunnskapen betyr for praktisk anvendelse i felt.

– 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 til karbonfangst og karbonlagring, så er det viktig å ta hensyn til de termodynamiske effektene, sier han.

– 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, sier Nooraiepour.

Referanse:

Mohammad Nooraiepour mfl: Effect of CO2 Phase States and Flow Rate on Salt Precipitation in Shale Caprocks—A Microfluidic Study, Environmental Science & Technology. 2018. (Sammendrag)