hrvatski

Geološki procesi i mehanizmi uskladištenja ugljičnog dioksida u dubokim slanim vodonosnicima

U sklopu borbe za ublažavanje klimatskih promjena su i planovi ulaganja u novi način korištenja fosilnih goriva na ekološki prihvatljiviji način. U perspektivi je nadogradnja postojećih energetskih sustava na globalnoj razini čime bi se u potpunosti mogao eliminirati porast emisija CO2 do 2050. godine. Potencijalno najveći učinak postigao bi se izgradnjom sustava za kaptiranje i geološko uskladištenje ugljičnog dioksida. On uključuje postrojenja za pročišćavanje dimnih plinova na stacionarnim industrijskim izvorima, transport cjevovodima ili brodovima i zatim utiskivanje u podzemlje na dubine od 1000 do 2500 m, u propusne stijene na lokacijama gdje će ostati trajno zarobljen u podzemlju najmanje 1000 do 10000 godina, odnosno nakupit će se u zamkama slično kao nafta i prirodni plin. U podzemlju su već otkrivena brojna prirodna ležišta ugljičnog dioksida i poznato je da se uzamčivanje odvija kroz niz fizičkih i kemijskih mehanizama. Oni djeluju u različitim vremenskim rasponima, jedni odmah a drugi tek tisućama godina nakon utiskivanja (IPCC, 2005). Tijekom utiskivanja, put kretanja CO2 kroz vodonosnik u najvećoj je mjeri uvjetovan uzgonom koji uzrokuje kretanje vertikalno prema gore, a manje je izražena lateralna komponenta toka (kao posljedica gradijenta tlaka nastalog utiskivanjem i prirodnog hidrauličkog gradijenta). Po prestanku utiskivanja, “oblak” CO2 nastavlja migrirati u smjeru uzgona istiskujući vodu iz pora. Kako fronta slobodnog CO2 napreduje, na donjem kraju “oblaka” voda se vraća u zonu zasićenu ugljičnim dioksidom. Budući da kao izdvojena faza predstavlja nemočivi fluid, CO2 je kontinuiran u porama pri većim zasićenjima, a sa smanjenjem zasićenja ta kontinuiranost biva prekinuta u suženjima pora. Jednom kada dio CO2 bude odvojen od ostatka CO2, dolazi do njegovog uzamčivanja uslijed kapilarnog tlaka. Mjehurić CO2 zaostaje u pori jer ne može proći kroz suženje zbog međupovršinske napetosti (SUEKANE et al., 2008). Ovaj mehanizam fizičkog uzamčivanja naziva se uzamčivanje rezidualnim zasićenjem. Slobodni CO2 koji nije uzamčen djelovanjem kapilarnog tlaka nastavlja se vertikalno kretati kroz vodonosnik sve dok ne naiđe na slabopropusne naslage u krovini, a zatim se, i dalje pod djelovanjem uzgona, nastavlja lateralna migracija prema strukturno višim dijelovima vodonosnika. Pri tome slobodni CO2 ispunjava manje izbočine uz krovinsku plohu propusnih stijena, te strukturne i stratigrafske zamke, ukoliko su prisutne. Na taj način nastaju umjetna ležišta ugljičnog dioksida, slična ležištima ugljikovodika i ona tvore podzemna skladišta ugljika. Ovaj mehanizam statičkog uzamčivanja smatra se najvažnijim za uskladištenje ugljičnog dioksida u dobrim dijelom iscrpljenim naftnim i plinskim ležištima, ali i u vodonosnicima (IPCC, 2005). Prema CSLF (2007) hidrodinamičko uzamčivanje odnosi se na “oblak” slobodnog CO2 koji se giba kroz vodonosnik pokretan uzgonom i hidrodinamičkim uvjetima vodonosnika. Ukoliko je tok podzemne vode vrlo spor, 10–3 do 10–2 m/god. (što je slučaj u mnogim sedimentnim bazenima) vrijeme zadržavanja CO2 u vodonosniku bit će dovoljno da je time učinkovito uzamčen u sustavu. Uzamčivanje otapanjem je kontinuirani proces za koji se procjenjuje da je najučinkovitiji tijekom dužeg vremenskog perioda. Ugljični dioksid može se miješati sa slojnom vodom i otapati djelovanjem procesa difuzije, disperzije i konvekcije (BACHU et al., 2007). Po utiskivanju u vodonosnik prvo dolazi do disperzije, a kada slojna voda u kontaktu s CO2 postane zasićena s CO2, dolazi do miješanja difuzijom. Proces miješanja može ubrzati postojanje toka slojne vode kroz vodonosnik ili djelovanje konvekcije. Voda zasićena s CO2 je za oko 1% gušća od slojne vode, pa u slučaju dovoljno velike vertikalne propusnosti i debljine vodonosnika, postupno dolazi do konvekcijskog strujanja i kontinuirane zamijene sloja vode zasićene s CO2 iz područja kontakta sa slobodnim CO2 s vodom nezasićenom s CO2 (ENNISKING & PATERSON, 2002). Voda u kojoj je otopljen ugljični dioksid može otapati silikatne minerale u stijenama kroz koje migrira pri čemu joj se mijenja kemijski sastav, a pri promjeni uvjeta može doći i do precipitacije karbonatnih minerala iz slojne vode koja sadrži otopljeni CO2.Na taj način ugljik bi ostao trajno vezan u stijenama u podzemlju. No, iako mineralno uzamčivanje predstavlja siguran način za dugotrajno zadržavanje ugljika u podzemlju (BENSON & COLE, 2008), to je spor i dugotrajan mehanizam, jer su za geokemijske reakcije potrebne tisuće godina (XU et al., 2003). Za učinkovitost uskladištenja ugljika u određenom podzemnom skladištu bitni su svi mehanizmi uzamčivanja, jer njihovo djelovanje ne utječe samo na kapacitet određenog podzemnog skladišta već i na sigurnost trajnog uskladištenja. Razlike u geološkoj građi podzemlja presudno utječu na brzinu fizičkih i kemijskih promjena a time i na djelovanje pojedinih mehanizama uzamčivanja. Zbog same svrhe izgradnje sustava za geološko skladištenje ugljičnog dioksida, a to je ublažavanje antropogenih utjecaja na klimatske promjene, cijeli sustav kaptiranja i geološkog skladištenja ugljičnog dioksida treba dostići puni učinak u predstojećih četrdeset godina pa stoga procjene kapaciteta imaju i praktičnu vremensku dimenziju. Brojni autori zato pri tom daju prednost mehanizmima čija je učinkovitost kritična u periodu samog utiskivanja ugljičnog dioksida u podzemno skladište, te neposredno po utiskivanju (BACHU et al., 2007). U periodu utiskivanja najveću važnost ima uzamčivanje u strukturnim i stratigrafskim zamkama, a po utiskivanju raste značaj uzamčivanja rezidualnim zasićenjem CO2, dok su mehanizmi uzamčivanja otapanjem i precipitacijom karbonatnih minerala toliko spori procesi da mogu imati značajan utjecaj na učinkovitost uskladištenja tek stotinama, pa i tisućama godina nakon utiskivanja.

mehanizmi uzamčivanja; geološko skladištenje ugljičnog dioksida; duboki slani vodonosnici

nije evidentirano