Innhold Klimaendring og behovet for geologisk lagring av CO 2.......................................................... 4 1. Hvor og hvor mye CO 2 kan vi lagre under jorden?......................................................... 6 Paris 2. Hvordan kan vi transportere og injisere store mengder CO 2 ned under jorden?................................. 8 Dybde (km) Ca. 1000 m 3 CO 0 2 ved jordoverflaten Jordoverflate 20 m 3 0,5 11 m 3 CO 2 går fra å være en gass til en superkritisk væske 3,8 m 3 Kritisk dybde 1 3,2 m 3 1,5 2,8 m 3 erkritisk væske CO 2 som gass 3. Hva skjer med CO 2 i lagringsreservoaret?............................................................ 10 4. Kan CO 2 lekke fra reservoaret? og hva vil konsekvensene i så fall være?................................................ 12 5. Hvordan kan vi overvåke lagringsstedet i dybden og på overflaten?....................................................... 14 6. Hvilke sikkerhetskriterier må innføres og respekteres?..................................................................16 Ordliste.............................................................................. 18 Hva CO 2 GeoNet kan gjøre for deg.................................................. 19 Denne brosjyren er produsert med bidrag fra: Rob Arts, Stanley Beaubien, Tjirk Benedictus, Isabelle Czernichowski-Lauriol, Hubert Fabriol, Marie Gastine, Ozgur Gundogan, Gary Kirby, Salvatore Lombardi, Franz May, Jonathan Pearce, Sergio Persoglia, Gijs Remmelts, Nick Riley, Mehran Sohrabi, Rowena Stead, Samuela Vercelli, Olga Vizika-Kavvadias. Vi takker programstyret i CLIMIT for finansiell støtte til arbeidet med oversettelsen av brosjyren fra engelsk til norsk. 2
En visjon om framtiden Ingen rykende skorsteiner En rørledning som frakter CO 2 og fører den i bakken Dette er bra for jordkloden Sapienza URS Massimo, 10 år, Roma - Italia For barna våre har geologisk lagring av CO 2 stor betydning 3 Hva betyr egentlig geologisk lagring av CO 2?
Klimaendring og behovet for geologisk lagring av CO 2 Figur 1 Globalt utslipp av CO 2 forbundet med menneskelig aktivitet er på 30 milliarder tonn (GT) hvert år, noe som tilsvarer 8,1 GT med karbon: 6,5 GT fra forbrenning av fossilt drivstoff og 1,6 GT fra skogrydding og jordbruksaktiviteter. Menneskeheten slipper ut for mye CO 2 i atmosfæren Det er nå akseptert at menneskenes aktivitet forstyrrer klodens karbonkretsløp. Før den industrielle revolusjonen og omtrent 10 000 år tilbake i tiden ga dette fint balanserte kretsløpet (naturlig utveksling av karbon mellom geosfæren, biosfæren, havene og atmosfæren) en konstant CO 2 konsentrasjon i atmosfæren (280 deler/million, dvs. 0,028 %). De siste 250 årene har imidlertid vår økende forbrenning av fossilt drivstoff (kull, olje og gass) for strømproduksjon, oppvarming, industri og transport stadig økt mengden av CO 2 som slippes ut i atmosfæren (Fig. 1). Omtrent halvparten av det overskuddet av CO 2 som vi mennesker har skapt har blitt absorbert i planter og oppløst i havene. Oppløsningen i havene har ført til forsurning, noe som kan ha negative følger for havets planter og dyr. Resten av CO 2 har akkumulert seg i atmosfæren, der gassen bidrar til klimaendringen fordi CO 2 er en drivhusgass som fanger en del av solvarmen og får jordkloden til å varmes opp. Det er behov for øyeblikkelige og radikale tiltak for å hindre at dagens atmosfæriske konsentrasjon av CO 2 (som er 387 deler/million - allerede en økning på 38 % sammenlignet med nivået før vi utviklet industri på jorden) stiger til det kritiske nivået 450 deler/million i de neste tiårene. Eksperter i hele verden er enige om at dersom dette nivået nåes, blir det umulig å avverge de mest drastiske konsekvensene. Returnere karbon til bakken Figur 2 Frankrikes karbongassprovins. BRGM im@gé Vår verden har vært svært avhengig av fossilt drivstoff helt fra starten på den industrielle epoken på 1750-tallet. Det er derfor ikke overraskende at det vil trenges både tid og penger for å omdanne vårt samfunn til å baseres på fornybar energi. Det vi behøver er en kortsiktig løsning som vil hjelpe oss til å redusere avhengigheten av fossilt drivstoff ved først å bruke det på en måte som ikke forurenser. Dermed vil vi skaffe oss den tiden vi trenger til å utvikle teknologi og infrastruktur for en framtid basert på fornybar energi. En slik mulighet er å skape et lukket kretsløp i systemet for energiproduksjon, slik at karbon som først hentes ut fra bakken som gass, olje eller kull kan returneres til bakken som CO 2. Det er interessant å merke seg at underjordisk lagring av CO 2 ikke er en menneskelig oppfinnelse. Det er et naturlig og utbredt fenomen som vises i alle CO 2 -reservoarer som har eksistert i tusenvis eller millioner av år. Et slikt eksempel er rekken med åtte naturlige CO 2 -reservoarer i det sørøstlige Frankrike. Disse ble oppdaget under oljeleting på1960-tallet (Fig. 2). Disse og mange andre naturlige forekomster beviser at geologiske formasjoner er i stand til å lagre CO 2 sikkert og effektivt over svært lang tid. BRGM im@gé Fangst og lagring av CO 2 en lindring som gir håp Blant de mange tiltak som må iverksettes for å bremse klimaendringen og forsurningen av våre havområder, kan fangst og lagring av CO 2 (kalt CCS* etter engelsk CO 2 Capture and Storage ) spille en viktig rolle. Dette tiltaket kan bidra med 33 % av reduksjonen vi behøver innen 2050. CCS omfatter å fange opp CO 2 fra kull- og 4 * Se ordlisten side 18
gasskraftverk og industrianlegg (stålverk, sementfabrikker, raffinerier osv.), transportere den i rørledninger eller på skip til et lagringssted og injisere den inn i en brønn* i en passende geologisk formasjon for langsiktig lagring (Fig. 3). På grunn av den stadig økende verdensbefolkningen og det stigende behovet for energi i utviklingslandene, og på grunn av dagens mangel på alternative og rene energikilder i stor skala, er det ikke mulig å unngå forbrenning av fossilt drivstoff på kort sikt. Med CCS kan verden utvikle seg på en miljøvennlig måte mens vi samtidig skaper en bro til en verdensøkonomi basert på produksjon av fornybar energi. Utvikling av CSS pågår i hele verden Det har blitt gjennomført større forskningsprogrammer for CCS i Europa, USA, Canada, Australia og Japan siden 1990-tallet. Man har skaffet seg mye kunnskap gjennom verdens første prøveprosjekter i stor skala, der CO 2 har blitt injisert dypt ned i jorden i flere år: Sleipner i Norge (ca. 1 MT/år siden 1996) (Fig. 4), Weyburn i Canada (ca. 1,8 MT/år siden 2000) og In Salah i Algerie (ca. 1 MT/år siden 2004). Internasjonalt forskningssamarbeid om lagring av CO 2, fremmet av IEA-GHG* og CSLF*, på disse og andre steder har vært spesielt viktig for å utvide vår kunnskap og utvikle et verdensomspennende forskningsmiljø for dette feltet. Spesialrapporten fra IPCC* om CSS (2005) er et godt eksempel på dette. Rapporten beskriver det nåværende kunnskapsnivået og hindringene som må overkommes for at denne teknologien skal kunne implementeres over alt. Det finnes allerede solid teknisk ekspertise, og verden beveger seg nå inn i en prøvefase. I tillegg til teknisk utvikling, skapes det nå også et lovmessig, forskriftsmessig, økonomisk og politisk grunnlag. Man analyserer også den sosiale oppfatningen og støttetiltak. I Europa er målet å sette i gang hele 12 prøveprosjekter i stor skala innen 2020. På grunnlag av den målsettingen utga EU-kommisjonen i januar 2008 Klimatiltak og fornybar energi, en pakke som foreslår et direktiv om geologisk lagring av CO 2 og andre tiltak for å utvikle sikker bruk av CCS. Viktige spørsmål om geologisk lagring av CO 2 CO 2 GeoNet Kompetansenettverk ble opprettet under beskyttelse av EU-kommisjonen som en gruppe av forskningsinstitusjoner med kompetanse og kapasitet til å sørge for at Europa står i spissen for internasjonal forskning i stor skala. Et av målene til CO 2 GeoNet er å spre klar og objektiv vitenskapelig informasjon om de tekniske aspektene av geologisk lagring av CO 2. For å fremme dialog om de viktigste sidene ved denne viktige teknologien har forskerne i CO 2 GeoNet forberedt grunnleggende svar på flere vanlige spørsmål. På de neste sidene vil du finne forklaringer på hvordan geologisk lagring av CO 2 kan gjennomføres, i hvilke tilfeller det er mulig, og hva som er kriteriene for sikker og effektiv implementering. StatoilHydro BRGM im@gé Figur 3 På kraftverk blir CO 2 fanget opp ved å skille den ut fra de andre gassene. Den blir deretter komprimert og transportert via rørledninger eller skip til sitt geologiske lagringssted: dype saltvannsholdige lag, uttømte olje- og gassfelter og ikke utvinnbare kullforekomster. Figur 4 Et vertikalt tverrsnitt av Sleipner-feltet i Norge. Naturgassen som finnes på en dybde av 2 500 m, inneholder flere prosent av CO 2 som må fjernes for at naturgassen skal oppfylle kravene til kommersielle standarder. I stedet for å slippe CO 2 -gassen ut i atmosfæren, blir den fanget opp og injisert ned på ca. 1000 m dyp og inn i det sandholdige og vannførende Utsira-laget*. 5 Hva betyr egentlig geologisk lagring av CO 2?
Hvor og hvor mye CO 2 kan vi lagre under jorden? CO 2 kan ikke injiseres hvor som helst under bakken. Man må først finne egnede bergartsformasjoner. Potensielle reservoarer for geologisk lagring av CO 2 finnes rundt om i verden, og de har nok kapasitet til å kunne bidra vesentlig til å bremse menneskeskapt klimaendringer. BRGM im@gé Figur 1 CO 2 injiseres i dype geologiske lag av porøse og permeable bergarter fylt med saltvann (se sandstein på innlagt bilde nederst), med en tett bergart over (se leirstein øverst) som hindrer CO 2 fra å stige til overflaten. Det finnes tre hovedalternativer for lagring av CO 2 : 1. Uttømte olje- og gassfelter med økt utvinning der dette er mulig. 2. Vannholdige lag med saltvann som ikke egner seg til menneskelig forbruk. 3. Dype ikke-utvinnbare kullforekomster lokalt forbundet med økt utvinning av metan. Det finnes tre hovedalternativer for lagring av CO 2 (Fig. 1): 1. Uttømte olje- og gassfelter velkjente på grunn av leting etter og utvinning av hydrokarboner, med umiddelbare muligheter for lagring av CO 2. 2. Saltholdige, vannførende lag har større lagringskapasitet, men er mer ukjente. 3. Ikke utvinnbare kullforekomster et fremtidig alternativ som kan brukes når man har funnet en løsning på injisering av CO 2 i kull med dårlig permeabilitet*. Reservoarene Etter injisering i en passende reservoarbergart, akkumuleres CO 2 i porene mellom kornene og i sprekker. Gass, vann eller olje i laget blir på denne måten drevet ut og erstattet av CO 2. Passende reservoarer for geologisk lagring av CO 2 bør derfor ha høy porøsitet* og permeabilitet. Slike bergartsformasjoner, et resultat av sedimentering i den geologiske fortiden, finnes vanligvis i såkalte sedimentære bassenger. Enkelte steder forekommer disse permeable formasjonene vekselvis sammen med tette bergarter som fungerer som en forsegling. Sedimentære bassenger inneholder ofte forekomster av hydrokarboner og naturlige CO 2 -felter, noe som beviser deres evne til å holde på væske over lengre tid. De har allerede holdt på olje, gass eller ren CO 2 i millioner av år. Geologien under jorden beskrives ofte som en overforenklet, ensartet lagkakestruktur i illustrasjoner som viser mulige lagringsalternativer for CO 2. I virkeligheten består den av ujevnt fordelte og lokalt forkastete bergartsformasjoner, reservoarer og takbergarter som danner komplekse heterogene strukturer. Det kreves inngående kunnskap om feltet og geovitenskaplig erfaring for å vurdere om underjordiske strukturer egner seg til geologisk lagring av CO 2. Potensielle lagringsreservoarer for CO 2 må oppfylle mange kriterier. Her er de viktigste: Tilstrekkelig porøsitet, permeabilitet og lagringskapasitet. Tilstedeværelse av en overliggende, tett bergart den såkalte takbergarten (f.eks. ukonsolidert leire, leirstein, mergel, saltstein), som hindrer CO 2 fra å bevege seg oppover. Tilstedeværelse av en felle, f.eks. en kuppelformet takbergart, som kan kontrollere graden av CO 2 - migrasjon innenfor lagringsformasjonen. Plassering dypere enn 800 m, der trykk og temperatur 6
er høye nok til å lagre CO 2 i komprimert, flytende form slik at man maksimerer den lagrede mengden. Fravær av drikkevann: CO 2 vil ikke bli injisert inn i vann som egner seg til drikkevann eller annet bruk for mennesker. Hvor finner man lagringssteder i Europa Sedimentære bassenger finnes i stor utstrekning i Europa, f.eks. til havs i Nordsjøen eller på land rundt Alpene (Fig. 2). Mange formasjoner i de europeiske bassengene oppfyller kriteriene for geologisk lagring, og de blir nå kartlagt og analysert av forskere. Andre europeiske områder består av gamle konsoliderte skorpebergarter, som f.eks. i store deler av Skandinavia. Disse områdene egner seg ikke til lagring av CO 2. Et eksempel på et område som oppfyller alle disse kravene er det Sørlige Permiske Bassenget, som strekker seg fra England til Polen (se den største ellipsen i figur 2). Sedimentene har blitt påvirket av den geologiske prosessen som etterlot noe av rommet i porene fylt med saltvann og naturgass. Leirlagene som finnes mellom de porøse sandsteinslagene har blitt presset sammen til strata med lav permeabilitet, og disse lagene hindrer at væsken stiger. Mange av sandsteinsformasjonene finnes på dyp mellom 1 og 4 km, der det er nok trykk og temperatur til å lagre CO 2 i komprimert form. Saltinnholdet i vannet i formasjonene øker på dette dybdeintervallet fra 100 g/l til 400 g/l, altså mye saltere enn sjøvann (35 g/l). Bevegelser i bassenget har forårsaket plastisk deformasjon av bergsalt og har skapt hundrevis av kuppelformede strukturer som fanger naturgassen. Det er disse fellene som nå studeres med tanke på lagring av CO 2 og pilotprosjekter. Lagringskapasitet BGR London Paris Brussel Stuttgart Milano København Berlin Praha Realistisk kapasitet: Det kan gjøres mer realistiske beregninger av de enkelte lagringsstedene med detaljerte undersøkelser. Formasjonens tykkelse er ikke konstant, og reservoarets egenskaper kan variere over korte avstander. Kunnskap om strukturenes størrelse, form og geologiske egenskaper gjør oss i stand til å redusere usikkerheten rundt beregning av volum. Basert på denne informasjonen kan vi benytte datasimuleringer til å forutsi injisering av CO 2 og bevegelse innenfor reservoaret for å gi en realistisk vurdering av lagringskapasiteten. Praktisk kapasitet: Kapasitet er ikke bare et spørsmål om bergfysikk. Sosioøkonomiske faktorer innvirker også på om et egnet sted vil bli benyttet eller ikke. For eksempel spiller kostnaden ved transport av CO 2 til lagringsstedet en viktig rolle. Kapasiteten vil også avhenge av renhetsgraden til CO 2, da andre gasser i blandingen vil redusere tilgjengelig reservoarvolum for CO 2. Til slutt vil politiske valg og offentlig aksept avgjøre om en tilgjengelig lagringskapasitet vil bli benyttet. Wien Warszawa Figur 2 Geologisk kart over Europa som viser plassering av sedimentære bassengene (røde ellipser) der man finner egnede reservoarer for CO 2 (modifisert fra geologisk kart over Europa med skala 1:5 000 000). Politikere, myndigheter og lagringsoperatører har behov for kunnskap om lagringskapasitet for CO 2. Estimerte lagringskapasiteter er som regel svært omtrentlige og basert på utstrekningen av potensielt egnede formasjoner. Kapasiteten kan vurderes på flere nivåer, fra nasjonalt nivå for grove estimater, via basseng- og reservoarnivå for mer nøyaktige beregninger som tar hensyn til uensartethet og kompleksitet i den virkelige geologiske strukturen. Volumetrisk kapasitet: Publiserte nasjonale lagringskapasiteter er vanligvis basert på beregninger av formasjonenes porevolum. I teorien kan lagringskapasiteten til en gitt formasjon beregnes ved å multiplisere arealet med tykkelsen, dens generelle porøsitet og den gjennomsnittlige CO 2 -tettheten på reservoarets dyp. Imidlertid finnes det allerede noe vann i porene, og bare en liten del kan brukes til lagring av CO 2, generelt kun 1-3 %. Denne lagringsfaktoren brukes deretter når man vurderer volumetrisk kapasitet. Vi kan dermed oppsummere at vi vet at lagringskapasiteten for CO 2 i Europa er høy, selv om det er usikkerhet om reservoarenes kompleksitet, uensartethet og de sosioøkonomiske faktorene. EUprosjektet GESTCO* anslo lagringskapasiteten for CO 2 i hydrokarbonfelter i og rundt Nordsjøen til 37 GT, som gjør at store installasjoner i denne regionen kan injisere CO 2 i flere tiår. Oppdatering og videre kartlegging av lagringskapasiteten i Europa pågår, både i individuelle medlemsland og gjennom EU-prosjektet for geokapasitet* for hele Europa. 7 Hva betyr egentlig geologisk lagring av CO 2?
Hvordan kan vi transportere og injisere store mengder CO 2? Etter at CO 2 er fanget opp ved de industrielle anleggene, blir gassen komprimert, transportert og injisert i reservoarformasjonen gjennom en eller flere brønner. Hele denne kjeden må optimaliseres slik at man kan lagre flere millioner tonn CO 2 hvert år. Figur 1 Trinn i geologisk lagring av CO 2. For å kunne bringe CO2 fra der den produseres til trygg og varig lagring, går CO 2 gjennom en rekke trinn: oppfanging, komprimering, transport og injisering. Komprimering CO 2 komprimeres til tyktflytende form som tar mye mindre plass enn gass. Når CO 2 er separert fra avgassen i kraftverket, blir strømmen av konsentrert CO 2 dehydrert og komprimert for å gjøre den mer egnet til transport og lagring (Fig. 1). Dehydrering er nødvendig for å unngå korrosjon på utstyr og infrastruktur, samt for å unngå dannelse av hydrater (islignende krystaller som kan blokkere utstyr og rør) under høyt trykk. Komprimering utføres sammen med dehydrering i en prosess med flere trinn i gjentatte sykluser med komprimering, kjøling og vannutskilling. Trykk, temperatur og vanninnhold må tilpasses transporten og kravene til trykk på lagringsstedet. Hovedfaktorer for design av kompressoranlegget er gjennomstrømningen av gass, inntaks- og utløpstrykk, gassens varmekapasitet og kompressorens effektivitet. Teknologi for komprimering finnes og benyttes allerede i industrien. Transport CO 2 kan transporteres enten med skip eller i rørledning. Skiping av CO 2 skjer i dag i liten skala (10 000 til 15 000 m 3 ) til industrielt bruk, men dette kan bli et attraktivt alternativ i fremtiden for CCS-prosjekter der en kilde nær kysten ligger langt fra et passende reservoar. Fartøyene som benyttes til transport av flytende petroleumsgass (LPG) egner seg også til transport av CO 2. De semi-avkjølte systemene er både under trykk BRGM im@gé 8 og nedkjølt, og dermed kan CO 2 transporteres i flytende form. De nyeste LPG-tankskipene har kapasitet på opptil 200 000 m 3, og de kan transportere 230 000 tonn med CO 2. Imidlertid gir ikke transport med skip en kontinuerlig strøm, og det kreves mellomlageranlegg i havnene for å håndtere omlasting av CO 2. Transport i rørledninger benyttes for tiden for store mengder CO 2 som oljeselskapene bruker til forbedret oljeutvinning* (ca. 3 000 km med rørledninger for CO 2 i verden, de fleste i USA). Dette er mer kostnadseffektivt enn transport med skip. I tillegg gir det fordelen av en kontinuerlig strøm fra oppfangingsanlegget til lagringsplassen. Eksisterende CO 2 -rørledninger opererer alle med høyt trykk under overkritiske forhold for CO 2, der den oppfører seg som gass, men har tetthet som en væske. Tre viktige faktorer bestemmer mengden en rørledning kan håndtere: diameteren, trykket langs lengden og dermed også veggtykkelsen. Injisering Når CO 2 ankommer lagringsstedet, injiseres den inn i reservoaret under trykk (Fig. 2). Injiseringstrykket må være tilstrekkelig høyere enn trykket i reservoaret for å presse væsken i reservoaret vekk fra injiseringspunktet. Antall injiseringsbrønner avhenger av mengden av CO 2 som skal lagres, injiseringshastigheten (mengde CO 2 per time), permeabilitet og tykkelsen av reservoaret, maksimalt tillatt injiseringstrykk og type brønn. Ettersom hovedmålet er langsiktig lagring av CO 2, må vi være sikre på formasjonens hydrauliske integritet. Høye injiseringshastigheter kan forårsake trykkøking ved injiseringspunktet, særskilt i formasjoner med lav permeabilitet. Injiseringstrykket bør ikke overskride bruddtrykket til bergarten, da dette kan skade reservoaret eller den overliggende forseglingsbergarten. Geomekaniske analyser og modeller brukes til å identifisere maksimalt injiseringstrykk for å unngå brudd i formasjonen. Kjemiske prosesser kan påvirke hvor hurtig CO 2 kan injiseres i formasjonen. Avhengig av reservoarets bergart, sammensetningen av væsker og de termodynamiske forholdene (som temperatur, trykk, volum, konsentrasjon osv.), kan det forekomme mineraloppløsning og bunnfelling i nærheten av brønnen. Dette kan føre til høyere eller lavere injiseringshastighet. Når CO 2 injiseres vil en del
Sammensetning av CO 2 -strømmen D après GIEC Dybde (km) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Ca. 1000 m 3 CO 2 ved jordoverflaten 20 m 3 11 m 3 3,8 m 3 3,2 m 3 2,8 m 3 2,7 m 3 2,7 m 3 Jordoverflate CO 2 går fra å være en gass til en superkritisk væske Kritisk dybde Begrenset komprimering under denne dybde CO 2 som superkritisk væske CO 2 som gass Sammensetningen og renheten av CO 2 -strømmen, som er et resultat av oppfangingsprosessen, har stor innflytelse på alle påfølgende aspekter av et lagringsprosjekt for CO 2. Nærvær av noen få prosent med andre stoffer, som hydrogensulfid (H 2 S), svovelog nitrogenoksider (SO x, NO x ), nitrogen (N 2 ) og oksygen (O 2 ), vil ha innvirkning på de fysiske og kjemiske egenskapene til CO 2 og dermed på oppførsel og effekt. Tilstedeværelse av slike stoffer må derfor nøye vurderes når man designer komprimerings-, transport- og injiseringsfasene, og også når man justerer driftsforholdene og utstyret. Vi oppsummerer at transport og injisering av store mengder CO 2 allerede er mulig. Hvis geologisk lagring av CO 2 skal benyttes i stor skala, må imidlertid alle fasene tilpasses hvert enkelt prosjekt. De viktigste parametrene er CO 2 -strømmens termodynamiske egenskaper (Fig. 3), gjennomstrømning og forholdene i reservoaret og oppstrøms. Figur 2 Når CO 2 gass injiseres ned under jorden, omdannes den til en tyktflytende overkritisk* væske ved ca. 800 m dybde. Gassens opprinnelige volum blir drastisk redusert fra eksempelvis 1000 m 3 på overflaten til 2,7 m 3 på 2000 meters dyp. Dette er en av faktorene som gjør geologisk lagring av store mengder CO 2 så attraktiv. Trykk [Mpa] 50 40 oppløses i det salte vannet i reservoaret og ph-verdien* øker noe, dempet av oppløsning av karbonatmineraler som finnes i reservoaret. Karbonater er de første mineralene som løses opp fordi deres reaksjonshastighet er svært høy og oppløsningen starter med en gang man starter injiseringen. Denne oppløsningen kan øke bergartens porøsitet og gjøre det lettere å injisere CO 2. Etter oppløsningen kan imidlertid karbonmineralene bunnfelles igjen og sementere området rundt brønnen. Høye strømningshastigheter kan brukes for å begrense reduksjon av permeabilitet i nærheten av brønnen, for å flytte det geokjemiske likevektsområdet for bunnfelling lenger unna. Tørking er et annet fenomen som injiseringen kan forårsake. Etter forsurningsfasen oppløses restvannet rundt injiseringsbrønnen i den injiserte tørrgassen, som dermed konsentrerer kjemiske stoffer i saltløsningen*. Mineraler (som salter) kan deretter bunnfelles når saltløsningen blir tilstrekkelig konsentrert, og dette reduserer permeabiliteten rundt brønnen. Disse injiseringsforholdene avhenger av komplekse, sammenkoblede prosesser som oppstår lokalt rundt brønnen, men avhenger også i stor grad av tiden og avstanden til injiseringsbrønnen. Man bruker numeriske simuleringer til å vurdere slike effekter. Injiseringshastigheter må vurderes med omhu for å unngå prosesser som kan begrense injisering av ønskede mengder CO 2. 30 20 10 0 0 50 100 150 200 Temperatur [º C] Figur 3 Densiteten til rein CO 2 (i kg/m 3 ) som en funksjon av temperatur og trykk. Den gule linjen representerer en typisk trykk/temperatur-gradient i et sedimentært basseng. På dybder over 800 m (~8 MPa) medfører reservoarforholdene høy densitet (blå farge). Den grønne kurven er fasegrensen mellom CO 2 i gassform og væskeform. Typiske trykk- og temperaturforhold for komprimering, transport og lagring er indikert med hhv A, B og C. BGR 9 Hva betyr egentlig geologisk lagring av CO 2?
Hva skjer med CO 2 i reservoaret der den lagres? Når CO 2 er injisert inn i reservoaret, vil den stige langsomt oppover og fylle porene under takbergarten. Over tid vil deler av CO 2 oppløses og til slutt omdannes til mineraler. Disse prosessene finner sted på ulike tidsskalaer og bidrar til permanent fanging. Fangmekanismer Når CO 2 injiseres inn i reservoaret, fylles bergartens porer. Disse er i de fleste tilfeller allerede fylt med vann eller saltløsning (dvs. saltvann). Når CO 2 injiseres, starter følgende mekanismer. Den første anses som den viktigste og hindrer at CO 2 stiger til overflaten. De andre tre øker lagringens effektivitet og sikkerhet over tid. 1 Akkumulering under takbergarten (strukturell fanging) Ettersom tyktflytende CO 2 er lettere enn vann, begynner den å stige. Bevegelsen stoppes når CO 2 møter et tett berglag, den såkalte takbergarten. Dette laget, som vanligvis består av leire eller salt, fungerer som en sperre og hindrer CO 2 i å stige videre og gjør at den akkumuleres på undersida. Figur 1 illustrerer hvordan CO 2 beveger seg oppover gjennom porene (i blått) til den når takbergarten. 2. Samling i små porer (restfelle) En restfelle oppstår når porene i reservoarbergarten er så trange at CO 2 ikke lenger kan bevege seg oppover uansett densitet. Denne prosessen finner i hovedsak sted under migrasjon av CO 2 og kan vanligvis samle noen få prosent av injisert CO 2, avhengig av egenskapene til reservoarbergarten. Mikroskopisk skala Figur 1 Flytende CO 2, som er lettere enn vann, har en tendens til å stige og stoppes av overliggende, tette bergarter. 3. Oppløsning (oppløsningsfanging) En liten del av injisert CO 2 løses opp av vann/saltløsning som allerede finnes i porene i reservoaret. En følge av dette er at vannet med oppløst CO 2 blir tyngre enn vann uten, og får en tendens til å bevege seg ned mot bunnen av reservoaret. Oppløsningsfarten avhenger av kontakten mellom CO 2 og vann/saltløsning. Mengden av CO 2 som kan oppløses begrenses av maksimal oppnåelig konsentrasjon. På grunn av at injisert CO 2 beveger seg oppover, mens vann med oppløst CO 2 beveger seg nedover, er det stadig fornyelse i kontakten mellom vann/saltløsning og CO 2. Dermed øker mengden som kan løses opp. Disse prosessene er relativt langsomme fordi de foregår i trange porer. Grove estimater for det nåværende prøveprosjektet på Sleipnerfeltet i Nordsjøen indikerer at ca. 15 % av injisert CO 2 oppløses etter 10 års injisering. BRGM im@gé 4. Mineralisering (mineralfanging) CO2, spesielt i kombinasjon med vann/saltløsning i reservoaret, kan reagere med mineralene som bergarten består av. Visse mineraler kan løses opp, mens andre kan felle ut, avhengig av ph og mineralene som finnes i bergarten (Fig. 2). Estimater for Sleipner indikerer at kun en liten del av CO 2 blir fanget ved mineralisering selv etter lang tid. Etter 10 000 år vil kun 5 % av injisert CO 2 være 10
Fanget CO 2 i millioner tonn 25 Mineral 20 Superkritisk Oppløst 15 10 Injeksjonsperiode Figur 2 Tyktflytende CO 2 migrerer oppover (lyseblå bobler), oppløses og reagerer med kornene i bergarten, noe som fører til bunnfelling av karbonatmineraler på kornflatene (hvitt). 5 0 1 10 100 1000 10000 Figur 3 Tid (år) Utvikling av CO 2 i forskjellige former i Sleipner-reservoaret, iflg. strømningssimulering. CO 2 fanges i overkritisk form av mekanismene 1 og 2, i oppløst form av mekanisme 3, og i mineralform av mekanisme 4. BRGM mineralisert, mens 95 % vil være oppløst og ingen CO 2 vil være igjen i flytende form. Den relative viktigheten av disse fangemekanismene avhenger av de individuelle egenskapene på hvert sted. I kuppelformede reservoarer vil f.eks. CO 2 i stor grad bevares i tyktflytende form selv over lang tid, mens injisert CO 2 i flate reservoarer, som på Sleipner, vil bli oppløst og mineralisert. Proporsjonell utvikling av CO 2 i de forskjellige fangemekanismene på Sleipner illustreres i Fig. 3. Hvordan vet vi alt dette? Det er bare med konstant kryssreferanse og kryssjekk av disse fire informasjonskildene at vi kan skaffe oss pålitelig kunnskap om alle prosessene som finner sted 1000 m under jorda. Vi oppsummerer med at vi vet at sikkerheten i et CO 2 - lager vil ha en tendens til å øke over tid. Det mest kritiske er å finne et reservoar med en passende takbergart over som kan motstå CO 2 (strukturell fanging). Prosessene forbundet med oppløsning, mineralisering og restmetning arbeider alle til fordel for å hindre at CO 2 kommer til overflaten. Figur 4 3D-modellering av CO 2 - migrasjon i et vannholdig lag etter injisering av 150 000 tonn over fire år i det vannholdige Dogger-feltet i Frankrike. Her vises overkritisk CO 2 (venstre) og oppløst CO 2 i saltløsning (høyre) hhv. 4, 100 og 2000 år etter at injisering startet. Simuleringen er basert på data fra feltet og fra forsøk. Kunnskapen om disse prosessene kommer fra fire hovedkilder: Laboratoriemålinger: man kan gjennomføre eksperimenter i liten skala på steinprøver for å analysere mineralisering, strømning og oppløsning, for å skaffe innsikt i kortvarige prosesser i liten skala. Numeriske simuleringer: man har utviklet dataprogrammer som kan brukes til å forutsi hvordan CO 2 vil opptre over mye lengre tidsskalaer (Fig. 4). Man bruker laboratorieforsøk til å kalibrere numeriske simuleringer. Studiet av naturlige CO 2 -reservoarer, der CO 2 (vanligvis av vulkansk opprinnelse) har vært fanget under jorden i svært lang tid, ofte millioner av år. En slik forekomst kalles en naturlig analog *. Forekomstene gir oss informasjon om hvordan gassen opptrer, og om de svært langsiktige konsekvensene av CO 2 under jordoverflaten. Overvåking av eksisterende prøveprosjekter med geologisk lagring av CO 2, som Sleipner (til havs, Norge), Weyburn (Canada), Insalah (Algeria) og K12- B (til havs, Nederland). Resultatene fra simulering av kortsiktige data kan sammenlignes med reelle feltdata slik at modellene kan forbedres. 11 Hva betyr egentlig geologisk lagring av CO 2? BRGM im@gé
Kan CO 2 lekke fra reservoaret, og hva vil i så fall konsekvensene være? Ut fra studier av naturlige systemer forventes ikke nøye utvalgte lagringssteder å ha noen vesentlig lekkasje. Naturlige reservoarer som inneholder gass, hjelper oss å forstå forholdene der gass fanges eller unslipper. I tillegg hjelper reservoarer med lekkasje oss til å forstå de mulige effektene av en eventuell CO 2 -lekkasje. Figur 1 Mulige migrasjonsveier for CO 2 i en brønn. Utslipp via endret materiale (c, d, e) eller langs grenseflater (a, b, f). Lekkasjeveier Generelt er mulige lekkasjeveier enten produsert av oss mennesker (som dype brønner) eller er naturlige (som sprekkdannelser og forkastninger). Både aktive og forlatte brønner kan være migrasjonsveier fordi de a) danner en direkte forbindelse mellom overflaten og reservoaret, og b) består av fabrikerte materialer som kan korrodere over lengre tid (Fig. 1). En ytterligere komplikasjon er at ikke alle brønner lages med samme teknikk, og at gamle brønner er mindre sikre enn nye. Uansett forventer man at risikoen for lekkasje gjennom brønner vill være liten, fordi både gamle og nye brønner kan overvåkes effektivt med følsomme geomekaniske og geofysiske metoder, og også fordi oljeindustrien allerede har teknologi for å løse ethvert problem som måtte oppstå. Strømning langs naturlige forkastninger og sprekker som kan finnes i takbergarten eller overdekningen* er mer komplisert, fordi disse er irregulære strukturerr med variabel permeabilitet. En god vitenskapelig og teknisk forståelse av naturlige systemer både med og uten lekkasjer vil gjøre oss i stand til å planlegge lagringsprosjekter for CO 2 i formasjoner med samme egenskaper som de naturlige reservoarene som har fanget CO 2 og metan i tusener eller millioner av år. Naturlige analoger: hva vi har lært Naturlige systemer (såkalte «analoger») er uvurderlig informasjonskilder som bedrer vår forståelse av gassmigrasjon og den naturlige utvekslingen av gasser mellom jord og atmosfære. De viktigste funnene som har blitt utledet fra studier av uttallige naturlige gassreservoarer med eller uten lekkasjer er: Under godegeologiske forhold kan naturgass holdes fanget i hundretusener til millioner av år. Isolerte gassreservoarer og lommer finnes til og med i de mest uegnede geologiske områdene (vulkanområder). Migrasjon av en vesentlig mengde gass krever adveksjon (dvs. horisontal trykkraft), fordi vanlig spredning er en meget langsom prosess. For at det skal forekomme adveksjon, må væskeforholdene i reservoaret ligge nært opptil litostatisk trykk* for å holde forkastninger og sprekker åpne, eller for på mekanisk vis å skape nye veier. Områder der naturgass lekker til overflaten befinner seg nesten utelukkende i vulkan- og jordskjelvsområder med stor sprekkdannelse, med gasslommer som ligger langs aktive eller nylig aktiverte forkastninger. Vesentlige gasslekkasjer finnes svært sjelden, og de har en tendens til å være begrenset til vulkanske og geotermiske områder der CO 2 produseres kontinuerlig i naturlige prosesser. after Nordbotten et al. 2005 Unormale gassforekomster på overflaten finner man vanligvis i lokale punkter som har begrenset romlig innvirkning på miljøet påoverflaten. Det behøves en kombinasjon av spesifikke forhold før det oppstår en lekkasje. Følgelig er det svært lite sannsynlig at et velvalgt og nøye forberedt geologisk lagringssted for CO 2 vil lekke. Selv om muligheten for lekkasje er liten, må man forstå tilhørende prosesser og 12
Sapienza URS mulige virkninger for å kunne velge, designe og drive sikrest mulig geologiske lagringssteder for CO 2. Innvirkning på mennesker Vi puster CO 2 hele tiden. CO 2 er kun farlig for helsen vår i svært høye konsentrasjoner. Med verdier opptil 50 000 deler/million (5 %) kan gassen forårsake hodepine, svimmelhet og kvalme. Verdier over dette nivået kan føre til dødsfall ved langvarig eksponering, spesielt fra kvelning når oksygenkonsentrasjonen faller under 16 %, som er minimumsverdien vi behøver for å leve. Hvis CO 2 lekker opp til et åpent eller flatt område, vil gassen raskt spres i luften, selv med meget svak vind. Den mulige risikoen for befolkningen er dermed begrenset til lekkasjer i lukkede miljøer eller topografiske forsenkninger, der konsentrasjonen kan øke fordi CO 2 er tyngre enn luft og har en tendens til å samle seg nær bakken. Det er nyttig å ha kunnskap om områder med utgassing for å hindre ulykker og håndtere risiko. I virkeligheten bor mange mennesker i områder med daglig utslipp av naturgass. I Italia, i Ciampino i nærheten av Roma, finnes det hus som ligger 30 meter fra gasskanaler. Her er CO 2 - konsentrasjonen i jordsmonnet 90 % og det slippes daglig ut ca. 7 tonn med CO 2. De lokale innbyggerne unngår farer ved å følge enkle forholdsregler, som å unngå å sove i kjelleren og å sørge for god ventilasjon i husene. Innvirkning på miljøet Mulige innvirkninger på økosystemer vil avhenge av om lagringsstedet er til havs eller på land. I marine økosystemer er den viktigste effekten av en CO 2 -lekkasje en reduksjon av ph-verdien i sjøvannet. Dette vil medføre negative følger, spesielt for dyr på havbunnen som ikke kan komme seg unna. Imidlertid vil konsekvensene ramme et begrenset område, og økosystemet vil snart vise tegn på at det kommer seg igjen etter at lekkasjen har stansa. I økosystemer på land kan vi oppsummere innvirkningene som følger: Vegetasjon Selv om konsentrasjoner av CO 2 -gass i jordsmonnet på opptil rundt 20-30 % faktisk kan være nyttig gjødsling for planter og kan gi økt vekst hos visse arter, kan verdier over denne terskelen være meget skadelige for enkelte planter. Denne effekten vil være begrenset til området rundt selve gasslekkasjen, mens planter noen meter unna vil fortsatt være friske (Fig. 2). Grunnvannets kvalitet Den kjemiske sammensetningen av grunnvannet kan bli endret med tilsetting av CO 2, i det vannet blir surere og elementer fra det vannførende lagets bergarter og mineraler kan slippes ut. Selv om CO 2 skulle lekke inn i et drikkevannsreservoar, vil effekten være lokal. Graden av effekt blir for tiden studert av forskere. Det er interessant å merke seg at mange vannholdige lag i Europa er rike på naturlig CO 2. Dette vannet tappes på flasker og selges som mineralvann. Bergintegritet Forsuringen av grunnvannet kan føre til oppløsning av bergarter, redusert strukturell integritet og dannelse av jordfallshull. Denne typen virkning opptrer imidlertid kun under meget spesielle geologiske og hydrogeologiske forhold (tektonisk aktive, vannførende lag med stor gjennomstrømning, karbonatrik mineralogi), noe som sannsynligvis ikke vil forekomme over et lagringssted for CO 2. Vi kan oppsummere at virkningen av en eventuell CO 2 - lekkasje vil avhenge av den aktuelle lokaliteten. Grundig kunnskap om underliggende geologiske og strukturelle egenskaper vil gjøre oss i stand til å identifisere mulige veier for migrasjon av gass, velge steder med den minste muligheten for CO 2 -lekkasje og å forutsi gassens opptreden. Dermed kan vi vurdere og hindre alle vesentlige virkninger på mennesker og økosystemene. 13 Hva betyr egentlig geologisk lagring av CO 2? Figur 2 Innvirking av CO 2 -lekkasje på vegetasjonen ved høy (venstre) og redusert (høyre) fluks. Innvirkingen er begrenset til området der CO 2 lekker.
Hvordan kan vi overvåke lagringsstedet i dybden og på overflaten? Alle lagringssteder for CO 2 må overvåkes av driftsmessige, sikkerhetsmessige, miljømessige, samfunnsmessige og økonomiske årsaker. Det må lages en plan for å kunne definere nøyaktig hva som skal overvåkes og hvordan. Figur 1 Seismisk avbildning for overvåking av CO 2 -skyen* på Sleipner før injisering (som startet i 1996) og etter injisering (hhv. 3 og 5 år seinere). Hvorfor behøver vi overvåking? Overvåking av lageret utvikling vil være nødvendig for å sikre at hovedmålet med geologisk lagring av CO 2 oppnås, nemlig å isolere menneskeskapt CO 2 fra atmosfæren over lang tid. Begrunnelsene for å overvåke CO 2 lager er mange, og inkluderer: Driftsmessig: for å kontrollere og optimalisere injiseringsprosessen. Sikkerhets- og miljømessig: for å minimere eller hindre enhver innvirkning på mennesker, dyreliv og økosystemer i nærheten av lagringsstedet, og for å sikre reduksjon av globale klimaendring. Samfunnsmessig: å gi offentligheten den informasjonen de trenger for å forstå at lagringsstedet er sikkert, og for å skape forståelse blant folk flest. Økonomisk: for å skape tillit i markedet til CCSteknologi, og for å kontrollere lagrede mengder slik at de godskrives som unngåtte utslipp i framtidige faser av EUs kvotesystem (ETS). Overvåking både av den opprinnelige miljøtilstanden ( baseline ) og påfølgende utvikling på lagringsstedet er et viktig forskriftsmessig krav i EU-direktivet om CCS som blei utgitt i som utkast i januar 2008. Operatørene må kunne vise at lagringen oppfyller styresmaktene sine krav, og at disse vil bli oppfylt på lang sikt. Overvåking er en viktig aktivitet som vil redusere eventuell usikkerhet omkring stedets utvikling, og bør derfor kobles sammen med sikkerhetsberedskapen. Hva er målene med overvåking? Overvåking vil fokusere på ulike mål og prosesser i ulike deler av lagringsstedet, som f.eks.: Avbilding av gassen i reservoaret med sporing av CO 2 etter hvert som den sprer seg ut fra injiseringspunktet. Dette gir nøkkeldata for kalibreringsmodeller som forutsier den framtidige spredningen av CO2. Før injeksjon (1994) 2,35 Mt CO 2 (1999) 4,36 Mt CO 2 (2001) StatoilHydro Det finnes mange modne teknikker, spesielt gjentatte seismiske undersøkelser, som har blitt benyttet med hell på flere av prøveprosjektene (Fig. 1). Takbergartens integritet nødvendig for å vurdere om CO 2 er isolert i reservoaret, og for å gi tidlig varsling om en uventet oppadrettet migrasjon av CO 2. Dette kan være spesielt viktig under prosjektets injiseringsfase, da trykket i reservoaret øker kraftig for en kort tid. Brønnens sikkerhet. Dette er et viktig tema idet dype brønner kan representere en direkte vei som CO 2 kan benytte for å stige til overflaten. Injeksjonsbrønner for CO 2 samt alle observasjonsbrønner eller forlatte brønner fra tidligere må overvåkes nøye under injiseringsfasen og etterpå for å hindre et brått utslipp av CO 2. Overvåking brukes også til å kontrollere at alle brønner er godt forseglet når de ikke lenger skal brukes. Eksisterende geofysiske og geokjemiske overvåkingssystemer som er standard i olje- og gassindustrien, kan installeres i eller over brønnen for å gi tidlig varsel og sikkerhet. Migrasjon i overdekningen. Ved lagringssteder der andre, grunnere bergarter har egenskaper som ligner på takbergarten, kan overdekningen være viktig for å redusere risiko for at CO 2 skal strømme ut i havet eller i atmosfæren. Hvis overvåking i reservoaret eller rundt takbergarten indikerer en uventet migrasjon gjennom takbergarten, er det behov for også å overvåke overdekningen. Mange av teknikkene som benyttes ved avbildning av gass-skyen eller overvåking av takbergartens integritet, kan benyttes for overdekningen. Lekkasje på jordoverflaten og atmosfærisk deteksjon og måling. For å sikre at injisert CO 2 ikke har migrert til overflaten, finnes det en rekke geokjemiske, biokjemiske og fjernmålingsteknikker for å påvise lekkasjer, evaluere og overvåke fordelingen av CO 2 i jordsmonn eller sedimenter og spredningen i atmosfæren eller i havmiljøet (Fig. 2). Mengde av lagret CO 2 for myndighetenes kontroll og avgiftsberegning. Selv om mengden av injisert CO 2 lett kan måles på brønnhodet, er det en stor teknisk utfordring å påvise gassmengde i reservoaret. Hvis det forekommer en lekkasje nær overflaten, må mengden som slippes ut måles for å kunne inkluderes i nasjonale statistikker for drivhusgass og i fremtidige ETS-ordninger. Grunnbevegelser og mikroseismisitet*. Det økte 14
trykket i reservoaret som skyldes injisert CO 2, kan i enkelte tilfeller øke muligheten for mikroseismisitet og grunnbevegelser i liten skala. Det finnes mikroseismiske overvåkingsteknikker og metoder for fjernmåling (undersøkelser fra fly eller satellitter) som kan måle selv minimale grunnforskyvninger. Hvordan utføres overvåking? En lang rekke overvåkingsteknikker har allerede blitt tatt i bruk i eksisterende demonstrasjons- og forskningsprosjekter. Disse inkluderer metoder som direkte overvåker CO 2 og andre som indirekte måler virkninger av CO 2 på bergarter, væsker og miljøet. Direkte målingene inkluderer analyse av væsker fra dype brønner, eller måling av gasskonsentrasjonen i jordsmonnet eller atmosfæren. Indirekte metoder inkluderer geofysiske undersøkelser og overvåking av trykkendringer i brønner og ph-endringer i grunnvannet. Lagringsstedene vil kreve overvåking, uansett om beliggenheten skulle være på land eller til havs. Valget av passende overvåkingsteknikker vil avhenge av stedets tekniske og geologiske egenskaper, og også av målet med overvåkingen. Det finnes allerede en rekke overvåkingsteknikker tilgjengelig (Fig. 3), og mange av disse er veletablerte i olje- og gassindustrien. Disse teknikkene blir nå tilpasset for bruk i forbindelse med CO 2. Det pågår forskning på optimalisering av eksisterende metoder eller utvikling av nye teknikker hvor målsetningen er å forbedre datakvalitet og pålitelighet, redusere kostnader, automatisere driften og skape effektivitet. Overvåkingsstrategi Når man utvikler en strategi for overvåking, må det fattes mange beslutninger på grunnlag av de spesifikke geologiske og tekniske forholdene på hvert enkelt lagringssted. Dette omfatter reservoarets geometri og dybde, forventet spredning av CO 2, mulige lekkasjeveier, geologien i overdekningen, injiseringstid og gjennomstrømningsrate, samt overflatekarakteristika som topografi, befolkningstetthet, infrastruktur og økosystemer. Når det er tatt beslutninger om de mest anvendelige måleteknikkene og målerplasseringer, gjennomføres referanseundersøkelser før injisering starter for å få et sammenligningsgrunnlag for framtidige målinger. I tillegg må hvert overvåkingsprogram være fleksibelt slik at det kan utvikles i takt med utviklingen til lagringsprosjektet. En overvåkingsstrategi som er i stand til å integrere alle disse aspektene, og som samtidig er kostnadseffektiv, vil være en kritisk komponent i risikoanalyse og verifiseringen av lagringsstedets sikkerhet og effektivitet. Vi konkluderer med at det allerede er mulig å overvåke et CO 2 -lager med de mange teknikker som finnes på markedet eller som er under utvikling. Det pågår forskning, ikke bare for å utvikle verktøy (spesielt til bruk på havbunnen), men også for å optimalisere overvåkingen og redusere kostnadene. Figur 2 Overvåkingsbøye med solpaneler for energitilførsel, flottører og anordning for å ta gassprøver på havbunnen. Figur 3 Et lite utvalg av tilgjengelige metoder som kan benyttes til overvåking av ulike komponenter i et lagringssystem for CO 2. CO 2 GeoNet CO 2 GeoNet 15 Hva betyr egentlig geologisk lagring av CO 2?
Hvilke sikkerhetskriterier må innføres og oppfylles? For å sørge for lagrenes sikkerhet og effektivitet, må myndighetene innføre regler for prosjektdesign og drift som operatørene må følge. Figur 1 De ulike trinnene i et lagringsprosjekt. t 0 Tid Hovedstadier i et lagringsforløp Utvelgelse av beliggenhet Beskrivelse av område Planlegging og konstruksjon Injeksjon Lukking Etter lukking Kunnskap om stedet Tillitt til langtidsutviklingen Selv om geologisk lagring av CO 2 nå er generelt akseptert som et pålitelig tiltak for å bremse klimaendringen, må man etablere sikkerhetskriterier for å beskytte menneskers helse og det lokale miljøet før man kan igangsette industrielle operasjoner i stor skala. Slike kriterier kan defineres som de krav lovgivende myndigheter pålegger operatørene for å sikre at den negative innvirkningen på lokal helse, sikkerhet og miljø (inkludert grunnvannsressurser) er minimal på kort, middels og lang sikt. Et avgjørende aspekt ved geologisk lagring av CO 2 er at det skal være en permanent løsning, og dermed forventes det ikke at lagrene skal lekke. Allikevel finnes et hva om? scenario som betyr at man må vurdere risiko, og operatøren må respektere tiltak for å hindre lekkasje eller unormale hendelser på lagringsstedene. I henhold til IPCC må injisert CO 2 forbli under jorden i minst 1000 år, noe som tillater at atmosfæriske konsentrasjoner av CO 2 stabiliseres eller reduseres ved naturlig utveksling med havene. Dermed minimeres stigningen i overflatetemperaturen som følge av global oppvarming. Imidlertid må man analysere lokale virkninger på en tidsskala fra dager til mange tusen år. Man kan identifisere flere hovedtrinn gjennom levetiden til et lagringsprosjekt for CO 2 (Fig. 1). Sikkerheten i prosjektet ivaretas ved: omhyggelig valg og beskrivelse av lagringssted, sikkerhetsvurdering, korrekt drift, en egnet overvåkingsplan, en adekvat utbedringsplan ~ t 0 + 1 år ~ t 0 + 3 år ~ t 0 + 5 år ~ t 0 + 40 år ~ t 0 + 45 år De viktigste målene forbundet med disse trinnene er å: sørge for at lagret CO 2 forblir i reservoaret, opprettholde brønnintegritet, bevare reservoarets fysiske egenskaper (inkludert porøsitet, permeabilitet, injiseringsevne), og takbergartens ugjennomtrengelighet, ta hensyn til sammensetningen av CO 2 -strømmen, med spesiell vekt på eventuelle urenheter som ikke er fjernet under oppfangingsprosessen. Dette er viktig for å unngå skadelig vekselvirkning med brønn, reservoar, takbergart og i tilfelle lekkasje med overliggende grunnvann. Sikkerhetskriterier for prosjektdesign Sikkerheten må synliggjøres før driften starter. Når det gjelder valg av sted, må følgende komponenter vurderes: lreservoaret og takbergarten, overdekningen og spesielt de tette lagene som kan virke som sekundære forseglinger, forekomst av gjennomtrengelige forkastninger eller brønner som kan virke som lekkasjeveier til overflaten, drikkevannsreservoarer, befolkningen og miljømessige forhold på overflaten. Letemetoder for olje og gass brukes til å vurdere lagringsstedets geologi og geometri. Modellering av væskestrøm, kjemi og geomekanikk for lagret CO 2 i reservoaret gjør det mulig å forutsi oppførselen til CO 2 og langsiktige resultater, samt å definere parametere for effektiv injisering. Som et resultat av dette bør nøyaktig beskrivelse av stedets egenskaper gjøre det mulig å definere et normalt scenario for hvordan et lager vil oppføre seg, på et sted som egner seg for lagring og der vi stoler på at CO 2 vil forbli i reservoaret. Risikoanalysen må deretter vurdere mindre sannsynlige scenarier for fremtidige tilstander i lageret, inkludert uventede hendelser. Det er spesielt viktig å kartlegge alle mulige lekkasjeveier, og vurdere alle former for eksponering og konsekvenser (Fig. 2). Hvert lekkasjescenario bør analyseres av eksperter, og numerisk modellering bør benyttes hvor det er mulig for å vurdere sannsynligheten for at hendelsen inntreffer og i hvilken grad. Som et eksempel bør utviklingen av CO 2 -skyens omfang kartlegges nøye for å oppdage enhver kontakt med en bruddsone. Følsomhet overfor variasjoner i inndata og usikkerheter må vurderes nøye i risikoanalysen. Estimering av mulige virkninger av CO 2 på mennesker og miljøet må ivaretas under konsekvensanalysene, en vanlig praksis i alle godkjenningsprosesser for industrianlegg. I denne prosessen vil både normale scenarier og lekkasjescenarier bli undersøkt for å vurdere enhver mulig risiko forbundet med lagringen. Overvåkingsprogrammet, både på kort og lang sikt, må etableres i samsvar med resultatene av risikoanalysen, 16
Ordliste Brønn (eller borehull): et sirkulært hull laget ved boring, spesielt et dypt hull med en liten diameter, som f.eks. en oljebrønn. CO 2 -sky: Romlig fordeling av overkritisk CO 2 i bergartsenhetene. CSC: CO 2 Capture and Storage. Oppfanging og lagring av CO 2. CSLF: Carbon Sequestration Leadership Forum. Et internasjonalt initiativ for bekjempelse av klimaendringer som fokuserer på utvikling av forbedret, kostnadseffektiv teknologi for utskilling, oppfanging, transport og langsiktig sikker lagring av karbondioksid. EU Geokapasitet: et pågående europeisk forskningsprosjekt som analyserer den totale geologiske lagringskapasiteten i Europa for antropiske CO 2 -utslipp. Forbedret oljeutvinning (Enhanced Oil Recovery (EOR)): en teknikk som øker utvinningsgraden av olje ved å injisere væske (som damp eller CO 2 ) som hjelper oljen til å bli fortrengt ut av reservoaret. GESTCO: et avsluttet europeisk forskningsprosjekt som analyserte geologiske lagringsmuligheter for CO 2 i 8 land (Norge, Danmark, Storbritannia, Belgia, Nederland, Tyskland, Frankrike og Hellas). IEA-GHG: International Energy Agency Greenhouse Gas R&D. Det internasjonale energibyrået forsknings & utviklingsprogram for drivhusgass. Et internasjonalt samarbeid som tar sikte på å: evaluere teknologi for reduksjon av utslippet av drivhusgasser, spre resultatene av disse studiene, identifisere mål for forskning, utvikling og demonstrasjon og fremme hensiktsmessig arbeid. Injiseringsevne: beskriver i hvilken grad en væske (som CO 2 ) kan injiseres inn i en geologisk formasjon. Den defineres som injiseringshastighet delt på trykkforskjellen mellom injiseringspunktet på innsiden av brønnbunnen og selve formasjonen. IPCC: International Panel on Climate Change (Internasjonalt råd for klimaforandring). Denne organisasjonen ble etablert i 1988 av WMO (World Meteorological Organization - Verdensorganisasjonen for meteorologi) og UNEP (United Nations Environment Programme - FNs miljøprogram) for å analysere vitenskapelig, teknisk og sosioøkonomisk informasjon relevant for forståelse av klimaendringer, mulige virkninger og muligheter for tilpasning og reduksjon. IPCC og Al Gore ble tildelt Nobels Fredspris 2007. Veien videre: IPCCs spesialrapport om CCS: http://www.ipcc.ch/pdf/special-reports/srccs/srccs_wholereport.pdf EU-kommisjonens nettside om CCS: http://ec.europa.eu/environment/climat/ccs/ EU-direktivet: http://ec.europa.eu/environment/climat/ccs/eccp1_en.htm ETS-systemet: http://ec.europa.eu/environment/climat/emission.htm IEA GHG nettside for overvåkingsverktøy: http://www.co2captureandstorage.info/co2tool_v2.1beta/introduction.html 18 Litostatisk trykk: kraften som virker på et bergartslag under jordoverflaten, forårsaket av overliggende bergarter. Litostatisk trykk øker med dybden. Mikroseismisk aktivitet: lette skjelvinger og vibrasjoner i jordskorpen, som ikke er relatert til jordskjelv, men som kan forårsakes av en rekke naturlige eller kunstige faktorer. Naturlig analogi: et naturlig forekommende CO 2 - reservoar. Det finnes reservoar med og uten lekkasje, og ved å studere disse får vi en bedre forståelse av hva som skjer med CO 2 over lang tid i dype geologiske systemer. Overdekning: de geologiske lagene som ligger mellom reservoarets takbergart og landoverflaten (eller havbunnen). Overkritisk: en væskes tilstand ved trykk og temperaturer over kritiske verdier (31,03 C og 7,38 MPa for CO 2 ). Egenskapene til slike væsker varierer kontinuerlig, fra mer gasslignende ved lavt trykk til mer væskelignende ved høyt trykk. Permeabilitet: egenskapen eller evnen som en porøs bergart har til å overføre en væske, et relativt mål på hvor enkelt væsken flyter under virkningen av en trykkgradient. ph: mål på en løsnings surhetsgrad, hvor verdien ph 7 tilsvarer nøytral (verken sur eller basisk). Porøsitet: prosentdelen av det samlede volumet i et bergartslag som ikke er opptatt av mineraler. Disse rommene kalles porer og de kan fylles med ulike væsker. I dype bergartslag er dette vanligvis saltvann, men det kan også være olje eller gass, som metan, eller naturlig dannet CO 2. Reservoar: et bergarts- eller sedimentlag som er tilstrekkelig porøst og permeabelt til å kunne lagre CO 2. Sandstein og kalkstein er de vanligste reservoarbergartene. Saltløsning: meget saltholdig vann, dvs. med en høy konsentrasjon av oppløste salter. Takbergart: tett bergartslag som fungerer som en barriere for væske og gass og som danner en felle når laget ligger over reservoaret. Vannførende lag: permeabel bergartsformasjon som inneholder vann. De grunneste vannholdige lagene inneholder ferskvann som brukes av menneskene. Lagene på større dyp er fulle av saltvann som ikke kan brukes av mennesker. Disse kalles saltvannsholdige lag.
Hva CO 2 GeoNet kan gjøre for deg CO 2 GeoNet er et europeisk kompetansenettverk ( network of excellence ) som er engasjert for å gi objektiv og vitenskapelig korrekt informasjon om sikkerheten og effektiviteten ved geologisk lagring av CO 2. Partnerskapet består av over 150 forskere ved 13 offentlige forskningsinstitutter, hvor hver partner har høy internasjonal profil innen alle aspekter av forskning på geologisk lagring av CO 2. Nettverket er finansiert av EU-kommisjonen under EU s 6. rammeverksprogram. Instituttene i nettverket er: BGR, BGS, BRGM, GEUS, Heriot Watt University, IFP, Imperial College, NIVA, OGS, IRIS, SINTEF, TNO, Sapienza University of Rome. Aktiviteter i nettverket Nettverkets forskere arbeider sammen for hele tiden å forbedre vår kunnskap om geologisk lagring av CO 2 og verktøyene som behøves for sikker anvendelse. De er involvert i flere forskningsprosjekter med høy prioritet, som tar for seg alle aspekter ved geologisk lagring: reservoaret, takbergarten, mulige lekkasjeveier for CO 2 til overflaten, mulige innvirkninger på mennesker og lokale økosystemer i tilfelle lekkasje, samt offentlig kommunikasjon. CO 2 GeoNets styrke ligger i nettverkets evne til å opprette flerfaglige grupper med svært erfarne spesialister. Dermed oppnår de en bedre forståelse av de individuelle sidene ved geologisk lagring og hvordan de henger sammen innenfor større og mer komplekse systemer. I tillegg til forskningsaktivitetene kan CO 2 GeoNet også: tilby opplæring og kompetansebygging for vitenskapsmenn og ingeniører som skal arbeide med lagring av CO 2, gi vitenskapelig råd og revidere prosjektforslag (geoteknisk kvalitet, miljøvern, risikostyring, planlegging og forskiftsmessige hensyn osv.), spre uavhengig, objektiv informasjon basert på sine forskningsresultater, kommunisere med interessegrupper og hjelpe med å sette fokus på deres spørsmål og behov. For å skape offentlig bevissthet om geologisk lagring av CO 2 som et levedyktig redskap for å dempe klimaendringen, har CO 2 GeoNet tatt for seg det grunnleggende spørsmålet Hva betyr egentlig geologisk lagring av CO 2? Et panel av fremstående vitenskapsmenn fra CO 2 GeoNet har utarbeidet nye svar på seks relevante spørsmål, basert på over ti års forskning i Europa og erfaringene fra prøveprosjektene i hele verden. Målet med dette initiativet er å gi klar og objektiv vitenskapelig informasjon til et bredt publikum, og å oppmuntre til dialog om vesentlige spørsmål vedrørende de tekniske aspektene som er forbundet med geologisk lagring av CO 2. Dette arbeidet, som er oppsummert i denne brosjyren, ble presentert i nettverkets første arbeidsgruppe for opplæring og dialog i Paris den 3. oktober 2007. Det brede publikummet bestod av interessegrupper, industriledere, ingeniører og forskere, beslutningstakere, journalister, NGO-er, sosiologer, lærere og studenter. Totalt deltok 170 personer fra 21 forskjellige land. I arbeidsgruppen fikk de muligheten til å utveksle synspunkter og skaffe seg en mer fullstendig forståelse for geologisk lagring av CO 2. For ytterligere informasjon eller for spørsmål om muligheten for et lignende, skreddersydd kurs om geologisk lagring, ber vi deg kontakte sekretariatet til CO 2 GeoNet på info@co2geonet.com eller besøke vår nettside på www.co2geonet.eu. 19 Hva betyr egentlig geologisk lagring av CO 2?
CO 2 GeoNet Det europeiske kompetansenettverket for geologisk lagring av CO 2 www.co2geonet.eu Sekretariat: info@co2geonet.com BGS Natural Environment Research Council-British Geological Survey, BGR Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, BRGM Bureau de Recherches Géologiques et Minières, GEUS Geological Survey of Denmark and Greenland, HWU Heriot-Watt University, IFP, IMPERIAL Imperial College of Science, Technology and Medicine, NIVA Norwegian Institute for Water Research, OGS Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale, IRIS International Research Institute of Stavanger, SPR SIN- TEF Petroleumsforskning AS, TNO Netherlands Organisation for Applied Scientific Research, URS Sapienza University of Rome Dip. Scienze della Terra. ISBN: 978-2 -7159-2456-7 Trykt i November 2009 - grafisk design: BL Communication