"Comprendere la fisica sottostante è un prerequisito per lo stoccaggio sicuro di CO2 su larga scala", dice Mohammad Nooraiepour. Sta mostrando il sistema microfluidico ad alta pressione e alta temperatura di nuova concezione. Credito:Dag Inge Danielsen/UiO
Stoccaggio sotterraneo di anidride carbonica (CO 2 ) è una delle tecnologie più promettenti per la rimozione di grandi quantità di CO 2 dall'atmosfera. Il metodo, denominato CCS (cattura e stoccaggio del carbonio), è considerata una misura efficace contro il riscaldamento globale e il cambiamento climatico.
Una parte cruciale del processo è l'iniezione di CO 2 in rocce porose. In tale operazione, possono verificarsi complicazioni quando i pori si ostruiscono in modo che il flusso del fluido diminuisca o si interrompa.
Il successo del CCS dipende da tre fattori:
La precipitazione del sale è una delle ragioni principali alla base dei cambiamenti nella struttura dei pori durante la CO 2 iniezione e stoccaggio.
Mohammad Nooraiepour, che è assegnista di ricerca presso il Dipartimento di Geoscienze, ha difeso la sua tesi di dottorato su questo argomento nel dicembre 2018. Ha studiato il potenziale per uno stoccaggio efficiente e sicuro della CO 2 nel Mare del Nord e nel Mare di Barents.
ha esaminato, tra l'altro, cosa succede esattamente quando il sale precipita. Dove si formano i cristalli nei pori? E come vengono influenzate le proprietà di conservazione della roccia?
Il lavoro di Nooraiepour fa parte di un progetto più ampio che esamina le reazioni tra minerali, acqua salata, e CO 2 , guidato da Helge Hellevang presso l'Istituto di geoscienze dell'UIO. Uno degli articoli della sua tesi di dottorato è stato pubblicato su Scienze e tecnologie ambientali . È scritto in collaborazione con Hossein Fazeli, Rohaldin Miri e Helge Hellevang.
Equinor ha sperimentato che la permeabilità alla roccia si riduce nel tempo quando si inietta CO 2 . Il fenomeno è stato studiato da diversi studenti UiO da quando Helge Hellevang e Rohaldin Miri hanno avviato il progetto alcuni anni fa.
Molta acqua nelle rocce
Le rocce porose possono contenere grandi quantità di acqua salina. Nelle rocce molto porose, più del 30 percento del volume può essere acqua. Per dirla semplicemente, quando si inietta CO 2 , a un certo punto di saturazione iniziano a formarsi i cristalli di sale, un processo noto come precipitazione del sale.
"Abbiamo scoperto che i cristalli di sale si formano nell'interfaccia tra la roccia e la CO 2 e che crescono rapidamente mentre si connettono tra loro. In realtà, ci sono diverse forme di cristalli di sale. Il più piccolo si misura in micrometri. Nei nostri esperimenti abbiamo visto che si sono evoluti così rapidamente da poter bloccare il flusso", spiega Nooraiepour.
Ha fatto una scoperta sorprendente in questi esperimenti:
"I cristalli di sale sono idrofili, il che significa che amano l'acqua, e tirano l'acqua per lunghe distanze. Quando l'acqua viene tirata contro il fronte di precipitazione, il contenuto di sale aiuta i cristalli di sale a crescere ancora più grandi. Perciò, quando CO 2 viene iniettato, la permeabilità della roccia sarà ridotta o addirittura bloccata."
Cosa significa questo per lo stoccaggio su vasta scala di CO 2 ?
"Significa cose diverse se sei vicino all'iniezione o lontano da essa. Per la CO . a grandezza naturale 2 stoccaggio nel Mare del Nord, la precipitazione salina in prossimità del pozzo potrebbe rendere più difficile l'iniezione di CO 2 . Questo fatto era già noto attraverso esperimenti ed esperienze sul campo. Quello che non si sapeva, erano i meccanismi alla base. I miei colleghi ed io abbiamo contribuito con più conoscenza, e abbiamo dimostrato che i cristalli di sale trascinano l'acqua su lunghe distanze."
Meccanismo autoriparante
Questo vale per l'area del pozzo vicino durante la fase di iniezione. Che dire della capacità del caprock di trattenere CO 2 , che è un aspetto altrettanto importante per ottenere un'archiviazione sicura?
"Per la fase di conservazione, i nostri risultati sulle precipitazioni saline sono buone notizie. Quando ti allontani dal pozzo, la precipitazione salina può aiutare a rendere più sicuro lo stoccaggio. La spiegazione sta nel fatto che se c'è una rottura, una crepa, nella roccia, e CO 2 comincia a colare, nelle aperture si formeranno cristalli di sale. Questo ha a che fare con i cambiamenti nelle proprietà termodinamiche quando la pressione e la temperatura diminuiscono, con conseguente riduzione della permeabilità e arresto della perdita nel tempo. La precipitazione del sale agirà quindi come un meccanismo di autoriparazione. Prima non si sapeva".
Utilizzando attrezzature di laboratorio avanzate (vedi fatti), Nooraiepour e colleghi hanno testato e osservato rocce porose sotto diverse pressioni, temperature e con diversa salinità. Su questa base, hanno fatto analisi termodinamiche di quali fattori possono influenzare le condizioni di conservazione.
Qual è il significato dei risultati?
"Quando si parla di come CO 2 viene iniettato, abbiamo acquisito nuove conoscenze che possono aiutare a ridurre le precipitazioni di sale vicino al pozzo. Capiamo di più del processo, conosciamo i fattori termodinamici che influenzano la precipitazione del sale a diverse velocità di iniezione".
Così, i ricercatori sanno quali parametri devono essere regolati per evitare che i pori vengano sigillati durante la fase critica di iniezione.
"Per la fase di conservazione, abbiamo preparato una proposta per un nuovo metodo per valutare l'iniettività e la capacità di stoccaggio del giacimento. Ancora, è essenziale comprendere i meccanismi termodinamici. Ciò ci consente di calcolare quanto sarà sicuro nel tempo il serbatoio di stoccaggio".
Influenza termodinamica
La saggezza popolare ha affermato che le condizioni termodinamiche non hanno influenzato il modo in cui il sale precipita. Nooraiepour ha una visione diversa su questo:dopo aver sperimentato con rocce vere, temperature elevate variabili e pressioni elevate variabili mentre si osserva il processo in tempo reale al microscopio. Ha visto come i cristalli di sale si comportano diversamente a seconda della pressione e della temperatura.
"Essenzialmente, si tratta di fisica di base. È un prerequisito per la CO . sicura 2 stoccaggio su larga scala."
Fino a poco tempo fa, Il gruppo di ricerca di Nooraiepour ha operato su vasta scala, utilizzando misure di micrometri, che è 0,001 millimetri. Per quanto riguarda le applicazioni sul campo, il gruppo ingrandirà gli esperimenti e modellerà i processi per i test di base e la scala sul campo su più grandi, aree interconnesse.
Quanto tempo impiegherà la nuova conoscenza ad acquisire un significato pratico per lo stoccaggio di CO 2 ?
"Alcuni della fisica che stiamo introducendo possono essere applicati ora. Se questo deve essere usato insieme a CCS, ora sappiamo che dobbiamo tener conto degli effetti termodinamici. Abbiamo due nuovi dottorandi che lavorano per modellare questi processi. Allo stesso tempo, abbiamo in programma di effettuare simulazioni su scala di campo. Spero che tra due o tre anni potremo presentare i risultati di questi esperimenti".
La nuova conoscenza della precipitazione del sale è significativa per altre aree?
"Sì, assolutamente – per l'agricoltura e le questioni ambientali. La precipitazione salina nel suolo riduce la fertilità, quindi c'è un grande potenziale".
