SustainaWeekly - Hoe CO2 op te slaan?

Sector: We hebben een trilogie gedaan over CCS. Onze eerste publicatie ging over de technologieën en technieken om koolstof af te vangen (zie hier). Daarna richtten we ons op het transport van CO2 (zie hier). In deze SustainaWeekly staat de vraag centraal hoe CO2 op te slaan? We beantwoorden in welke staat CO2 moet zijn om het op te kunnen slaan. Maar ook in welke geologische putten CO2 kan worden opgeslagen en welke vangmechanismen worden gebruikt. In de toekomst zullen we ons ook richten op CO2-gebruik, directe koolstofafvang en mobiele koolstofafvang.

ESG in cijfers: In een vaste rubriek van deze publicatie, presenteren we een grafiekenboek over enkele van de belangrijkste indicatoren voor ESG-financiering en de energietransitie.

Hoe CO2 op te slaan?

• Geologische of biologische depots kunnen CO2 opslaan

• Mogelijke geologische depots zijn olie- en gasreservoirs, zoutwaterformaties, niet-mijnbare kolenlagen, organisch-rijke schalie- en basaltformaties

• Maar de CO2 moet wel worden opgeslagen in de afzetting; er zijn vier mechanismen om dat te doen

• De kosten om CO2 op te slaan zijn afhankelijk van de geologische kenmerken, de schaal en de aannames ten aanzien van monitoring, financiën en andere modellering

De opslag van CO2 betekent dat de opgevangen CO2 op wordt geslagen in een depot. Dit wordt ook wel sequestratie genoemd. Er zijn twee vormen van opslag, namelijk biologische CO2-opslag en geologische CO2-opslag. Biologische opslag verwijst naar de opslag van atmosferische koolstof in vegetatie, bodems, houtachtige producten en aquatische milieus. Geologische CO2-opslag is het proces waarbij CO2 wordt opgeslagen in ondergrondse geologische formaties. In deze notitie richten we ons op geologische CO2-opslag. CO2 kan ondergronds worden opgeslagen als superkritische vloeistof (zie onze notitie over CO2-transport). Het belangrijkste voordeel van het opslaan van CO2 in superkritische toestand is dat het vereiste opslagvolume aanzienlijk kleiner is dan wanneer de CO2 onder "standaard" (kamer)druk zou worden opgeslagen. De temperatuur neemt van nature toe met de diepte in de aardkorst, net als de druk van de vloeistoffen (pekel=zoutwater, olie of gas) in de formaties. Op een diepte van minder dan 800 meter liggen de natuurlijke temperatuur en vloeistofdruk boven het kritieke punt van CO2 voor de meeste plaatsen op aarde. Dit betekent dat CO2 die op deze diepte of dieper wordt geïnjecteerd in superkritische toestand zal blijven gezien de aanwezige temperaturen en drukken.

Geologische opslaglocaties

Sequestratietechnologieën slaan CO2 op in geologische formaties of via mineralisatie in reactief gesteente. Geologische opslag is een beproefde methode voor ondergrondse opslag van kooldioxide (CO2) waarbij CO2 diep onder de grond in diepe rotsformaties wordt geïnjecteerd voor opslag op lange termijn. Het grote voordeel van geologische opslag van CO2 is dat het een langdurige isolatie van de atmosfeer biedt via permanente insluiting van CO2 in het poreuze medium van het reservoir. Het gesteente die het afsluit is vaak dicht schaliegesteente met een lage permeabiliteit. Een belangrijke eigenschap van een rots in de aanwezigheid van twee niet-mengbare vloeistoffen (hier CO2 en pekel of zout water uit de formatie) is de voorkeur van de ene vloeistof boven de andere om in contact te komen met het oppervlak van de rots, een eigenschap die bevochtigbaarheid wordt genoemd. De bevochtigbaarheid heeft een directe invloed op de stroming van geïnjecteerd CO2 in de ondergrond en zal in het gesteente opgesloten blijven. De bevochtigbaarheid van een systeem bepaalt de stroming en de insluitingsefficiëntie tijdens de opslag van CO2 in geologische formaties.

Er zijn vijf potentiële geologische depots voor permanente CO2-opslag: actieve of uitgeputte olie- en gasformaties (zandstenen/koolwaterstoffen), diepe zoutwaterformaties, niet-mijnbare kolenlagen, organisch-rijke schalies en basaltformaties.

Olie en gasreservoirs

Olie- en aardgasreservoirs zijn ideale geologische opslaglocaties omdat ze al duizenden tot miljoenen jaren koolwaterstoffen vasthouden en de omstandigheden geschikt zijn voor CO2-opslag. Het injecteren van CO2 kan ook de olieproductie verhogen door vloeistoffen naar producerende putten te stuwen via een proces dat Enhanced Oil Recovery (EOR) wordt genoemd. Koolwaterstofreservoirs hebben een beperkte opslagcapaciteit, maar er is een natuurlijke val door afdichting van het gesteente.

Zoutwaterformaties

Zoutwaterformaties zijn poreuze formaties gevuld met pekel, of zout water, en omvatten grote volumes diep onder de grond. Koolstofafvang en -opslag (CCS) richt zich op formaties die pekel bevatten met een totaal gehalte aan opgeloste vaste stoffen van meer dan 10.000 delen per miljoen. Studies tonen aan dat zoutwaterformaties het grootste potentiële volume hebben voor de opslag van CO2 over de hele wereld.

Steenkoollagen

Steenkoollagen die als niet-mijnbaar worden beschouwd omwille van geologische, technologische en economische factoren (meestal te diep, te dun of zonder interne continuïteit om economisch te kunnen worden ontgonnen) kunnen nog steeds dienen als locaties om CO2 op te slaan. Om in aanmerking te komen voor CO2-opslag moet de ideale kolenlaag voldoende doorlatend zijn en als niet-mijnbaar worden beschouwd. Steenkoollagen kunnen ook methaan (CH4) bevatten, dat kan worden geproduceerd in combinatie met CO2-injectie in een proces dat verbeterde kolenbedmethaanterugwinning (ECBM) wordt genoemd. In kolenlagen kan de geïnjecteerde CO2 chemisch worden ingesloten door adsorptie (of hechting) aan het oppervlak van de kolen, terwijl CH4 vrijkomt en wordt geproduceerd. Adsorptie is de hechting van atomen, ionen of moleculen van een gas, vloeistof of opgeloste vaste stof aan een oppervlak. Dit vangmechanisme maakt permanente opslag van CO2 mogelijk. Steenkoollagen liggen vaak dichter bij emissielocaties, maar injectie is extreem moeilijk.

Schalies

Sommige schalies hebben soortgelijke eigenschappen als steenkool en kunnen CO2 vasthouden door adsorptie (hechting aan het oppervlak), waardoor methaan vrijkomt en ze potentieel aantrekkelijk zijn voor opslag. Ondanks hun lage vloeistofgeleiding kan CO2 verspreiden in en reageren met schaliemineralen en mogelijk migreren om schalieporiën te vullen. Organisch-rijke schalies houden een aanzienlijke hoeveelheid CO2 permanent vast.

Basalt

Basalt is een soort formatie die werd afgezet toen grote lavastromen uit vulkanen afkoelden en vervolgens stolden. In de loop der tijd werden dikke lagen basalt opgebouwd (met vaak lagen van andere formaties ertussen). De chemische en fysische eigenschappen van deze basaltlagen en de andere formaties tussen de basaltlagen maken ze goede kandidaten voor CO2-opslag. Bij basalt kan geïnjecteerd CO2 reageren met magnesium en calcium in het basalt om de stabiele carbonaatmineralen calciet en dolomiet te vormen. Dit mineralisatieproces kan een waardevol instrument zijn voor CO2 opslag omdat het mineralisatieproces CO2 permanent vastzet in de vaste minerale structuur. Dus de CO2 permanent wordt vastgehouden. Het injecteren van CO2 in poreus basaltgesteente is geïdentificeerd als één van de meest veelbelovende technieken voor CO2-opslag. Er zijn drie factoren waarmee rekening moet worden gehouden. De eerste factor is de porositeit van het gesteente, die van invloed is op het oppervlak dat beschikbaar is voor de CO2 om te reageren en te worden opgeslagen. Een andere cruciale factor voor efficiënte geologische opslag van CO2 is de permeabiliteit van de formatie, die van grote invloed is op de injectiesnelheden. Een hogere permeabiliteit maakt hoge injectiesnelheden mogelijk. De derde factor is de reactiviteit van het gesteente. Deze gesteenten bestaan uit mineralen die tweewaardige metaalkationen bevatten. Als de kationen onstabiel zijn, zal de reactie sneller verlopen omdat de kationen zich ver van de evenwichtsconstante bevinden. Dit resulteert in snellere oplossnelheden in het meer reactieve gesteente en snelle mineralisatie (zie hier). Er zijn echter enkele uitdagingen. Om te beginnen is er veel water nodig voor het mineralisatieproces. Bovendien zijn basaltformaties heterogeen vanwege hun oorspronkelijke afzettingsmilieu. Bovendien kan het van begin tot eind duizenden jaren duren voordat alle koolstof gemineraliseerd is en op elk moment kan een verschuiving in het gesteente ervoor zorgen dat er wat koolstof ontsnapt.

Mechanisme om CO2 in te sluiten

De CO2 wordt veilig opgeslagen in de afzettingen via vier vangmechanismen (zie hier). Deze mechanismen voorkomen opwaartse migratie en lekkage van CO2.

1. Structurele insluiting

2. Residuele insluiting

3. Insluiting door oplosbaarheid

4. Minerale insluiting

Structurele insluiting

Structurele insluiting is de fysieke insluiting van CO2 in het gesteente en is het mechanisme dat de grootste hoeveelheid CO2 insluit. Structurele insluiting betekent het afsluiten van CO2 door een deklaag. Eenmaal geïnjecteerd kan superkritisch CO2 een groter drijfvermogen hebben dan andere vloeistoffen in de omringende poriënruimte. Daarom zal de CO2 omhoog migreren door het poreuze gesteente totdat het een ondoordringbare laag afdichtingsgesteente bereikt (en wordt ingesloten). Afdichtingsgesteente is een extreem laag doorlatend gesteente dat de stroming van de CO2 pluim verhindert. Deze rotslaag kan honderden meters dik zijn en houdt de CO2 veilig ingesloten. De gesteentelagen en breuken binnen en boven de opslagformatie waar CO2 wordt geïnjecteerd werken als afdichtingen en voorkomen dat CO2 uit de opslagformatie stroomt.

Residuele insluiting

Residu-insluiting verwijst naar de CO2 die opgesloten blijft in de poriën tussen de gesteentekorrels terwijl de CO2-pluim door het gesteente migreert. Het bestaande poreuze gesteente werkt als een stijve spons. Wanneer superkritisch CO2 in de formatie wordt geïnjecteerd, verdringt het de bestaande vloeistof terwijl het door het poreuze gesteente beweegt. Terwijl de CO2 blijft bewegen, kunnen kleine delen van de CO2 achterblijven als losgekoppelde, of resterende, druppels in de poriënruimten die in wezen immobiel zijn, net als water in een spons. Deze reservoirs zijn niet groot. Wanneer residuele insluiting optreedt, wordt de CO2 ingesloten.

Insluiting door oplosbaarheid

Bij solubility trapping zal een deel van het geïnjecteerde CO2 oplossen in het pekelwater dat aanwezig is in de poriënruimtes in het gesteente. De CO2 heeft een interactie met het pekelwater, wat leidt tot insluiting door oplosbaarheid. Op het grensvlak tussen CO2 en pekelwater lossen sommige CO2-moleculen op in het pekelwater in de poriënruimte van het gesteente. Een deel van dat opgeloste CO2 combineert dan met beschikbare waterstofatomen om HCO3- te vormen. Door deze oplossing neemt de dichtheid van pekelwater toe, waardoor het nog lager in de formatie zinkt en de opwaartse migratie van CO2 wordt beperkt.

Minerale insluiting

Bij minerale insluiting treedt er op moleculair niveau interactie op tussen CO2 en mineralen die aanwezig zijn in de rotsformatie via een reeks geochemische reacties. Deze reacties resulteren in de vorming van nieuwe, vaste en stabiele carbonaatmineralen. De CO2 wordt in feite onderdeel van het gesteente.

Opslagkosten

Het overgrote deel van het CO2-opslagpotentieel wereldwijd bevindt zich in onshore en offshore zoutwaterformaties (USGS, 2013). De kosten van CO2-opslag zijn sterk afhankelijk van de locatie, omdat de geologische kenmerken van locatie tot locatie verschillen en de injectie-, arbeids-, boor-, kapitaal- en andere kosten regionaal verschillen. Net als offshore pijpleidingen is offshore CO2-opslag over het algemeen duurder dan onshore-opslag. Voor CO2-opslag in zoutwaterformaties moeten verschillende types putten worden geboord (exploratie, injectie en monitoring) die een groot deel van de totale opslagkosten vertegenwoordigen.

Eerdere studies hebben gesuggereerd dat de kosten van CO2-opslag in uitgeputte olie- en gasvelden lager zijn dan in zoutwaterformaties omdat de olie- en gasvelden al onderzocht zijn en de mogelijkheid bieden om bestaande infrastructuur te hergebruiken. De infrastructuur moet echter CO2 kunnen transporteren, dat andere eigenschappen heeft dan andere gassen of vloeistoffen. Daarom moet de integriteit van de infrastructuur worden gecontroleerd en bewaakt. Er zijn kosten verbonden aan het controleren van de infrastructuur en er zijn ook kosten verbonden aan het aanpassen van de infrastructuur voor CO2-transport. Deze kosten kunnen eventuele kostenbesparingen tenietdoen. De kosten van CO2-opslag hangen af van drie belangrijke bronnen van variabiliteit: 1) geologische kenmerken; 2) schaal (d.w.z. de hoeveelheid opgeslagen CO2); en 3) aannames met betrekking tot monitoring, financiën en andere modellering. Een handvol geologische parameters bepaalt in de eerste plaats of een reservoir gunstig is voor CO2-opslag: permeabiliteit, dikte, diepte, porositeit en laterale continuïteit.