ΓΕΩΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΤΟΥ CO2: ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΙ ΕΝΝΟΙΕΣ

Γεωλογική αποθήκευση του CO2:
Γενικές αρχές και έννοιες
Knowledge-Sharing Workshop
Athens, 26 June 2013
“CO2 Geological Storage: Scientific knowledge -
Present situation - Perspectives”
∆ρ Απόστολος Αρβανίτης
Τμήμα Γεωθερμίας
∆ιεύθυνση Υδατικών Πόρων και Γεωθερμίας (∆ΥΠΟΓΕ)
Ινστιτούτο Γεωλογικών και Μεταλλευτικών Ερευνών και Μελετών (Ι.Γ.Μ.Ε.Μ.)
Εθνικό Κέντρο Βιώσιμης και Αειφόρου Ανάπτυξης (Ε.Κ.Β.Α.Α.)
Σπ. Λούη 1, Γ΄ Είσοδος, Ολυμπιακό Χωριό, 13677 Αχαρναί, Αττική
e-mail: arvanitis@igme.gr
© BRGM

H γεωλογική αποθήκευση του CO2 αποτελεί ένα βασικό τμήμα της
τεχνολογίας της ∆έσμευσης και Αποθήκευσης του CO2 (CO2
Capture and Storage, CCS)
© BRGM

Χρειάζεται η δέσμευση και αποθήκευση του CO2;
Η τεχνική της δέσμευσης και
γεωλογικής αποθήκευσης του CO2
αποτελεί μια εναλλακτική λύση στην
εκπομπή αερίων θερμοκηπίου στην
ατμόσφαιρα, με κύριο το CO2, και
συνεπώς στην αντιμετώπιση του
φαινομένου του θερμοκηπίου.
Συνεπώς, μπορεί να συμβάλλει στην
αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής

Αύξηση των εκπομπών CΟ2 στην ατμόσφαιρα
Ραγδαία αύξηση των εκπομπών CO2 στην ατμόσφαιρα από τον 18ο αιώνα από
τις ανθρωπογενείς δραστηριότητες.
Πηγές: Carbon Dioxide Information
Analysis Center, Oak Ridge National
Laboratory (2012), International Energy
Agency, World Energy Outlook (2012)
Πηγή: Inventory of U.S. Greenhouse
Gas Emissions and Sinks (2008), EPA
Πηγή: ΙΕΑ (2012)
Τα στατιστικά στοιχεία
αφορούν το έτος 2010
Καύση ορυκτών
καυσίμων
Άλλες πηγές

Επιβεβαίωση μοντέλων για την κλιματική αλλαγή - Ανησυχία
Τα σχήματα των
κλιματικών
αλλαγών που
σήμερα
παρατηρούνται
αντιστοιχούν στις
αλλαγές που
προβλέφθηκαν από
μοντέλα πριν από
τρεις δεκαετίες
(Hervé Le Treut,
μέλος της Ομάδας
IPCC, Open Forum,
Βενετία 2013).
Αυτό καθιστά
ακόμη πιο
σημαντική τη
δραστηριοποίηση
για τη μείωση των
εκπομπών του CO2.
Οι παρατηρούμενες εκπομπές CO2 από την καύση ορυκτών καυσίμων
συγκριτικά με 5 διαφορετικά SRES (Special Report on Emissions
Scenarios) σενάρια που εκπονήθηκαν από το IPCC (Intergovernmental
Panel on Climate Change) βάσει παρατηρήσεων μέχρι το 2000.

Επίπεδα CO2 στην ατμόσφαιρα - Κρίσιμο όριο
ΟΙ ΕΙΔΙΚΟΙ ΘΕΩΡΟΥΝ ΟΤΙ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΤΟ ΑΝΩΤΑΤΟ ΟΡΙΟ ΤΩΝ 450 ppm
ΔΕΝ ΘΑ ΕΙΝΑΙ ΔΥΝΑΤΟΝ ΝΑ ΑΠΟΤΡΑΠΟΥΝ ΠΟΛΥ ΣΟΒΑΡΕΣ ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ
Πηγή:http://www.ico2n.com

Συμβολή της CCS στη μείωση των εκπομπών
CΟ2 στην ατμόσφαιρα
Η τεχνολογία CCS μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στο μετριασμό των
εκπομπών των αερίων θερμοκηπίων, και άρα και CO2, στην ατμόσφαιρα
(Ενεργειακή απόδοση)
(Ανανεώσιμες Πηγές
Ενέργειας)
(∆έσμευση και Αποθήκευση
CO2)
Στα πλαίσια του
μακρο‐
πρόθεσμου
στόχου για
μείωση των
εκπομπών CO2
μέχρι το 2050,
η τεχνολογία CCS
συνιστά έναν
μεσοπρόθεσμο
στόχο
(Ορυκτά καύσιμα)

Στάδια της αλυσίδας ∆έσμευσης & Αποθήκευσης CO2
(CO2 Capture & Storage, CCS)
H αλυσίδα της τεχνολογίας CCS περιλαμβάνει:
Πηγή CO2
∆έσμευση &
διαχωρισμός
Συμπίεση
Μεταφορά
Αποθήκευση
Έγχυση
Source:
http://www.abc.net.au

∆ιαχωρισμός - ∆έσμευση CO2
Μετά την παραγωγή του, το CO2 δεσμεύεται με διάφορες τεχνικές
και μεθόδους, που διακρίνονται σε:
(α) Τεχνικές μετά από την καύση (post-combustion)
(β) Τεχνικές πριν από την καύση (pre-combustion)
(γ) Καύση με υψηλή συγκέντρωση O2/CO2 (oxyfuel)
Πηγή: http://ge.geglobalresearch.com/blog/the-co2-challenge/
Μονάδα δέσμευσης CO2 από
καυσαέρια (ABB LUMUS CREST)
© CO2NET, 2005

Συμπίεση CO2
Το CO2, μετά τη δέσμευσή του, συμπιέζεται και αφυδατώνεται και με
τη μορφή ενός πυκνού ρευστού καταλαμβάνει μικρότερο χώρο από ένα
αέριο. Συμπίεση στα 150 bar περίπου.
Η συμπίεση γίνεται μαζί με την αφυδάτωση σε μια διαδικασία
πολλαπλών σταδίων (επαναλαμβανόμενοι κύκλοι).
Τυπική σχηματική διάταξη
της διαδικασίας συμπίεσης
του CO2
Πηγή:
http://www.kbr.com/Technologies/Process‐Technologies/CO2‐Compression‐and‐Sequestration/
Η αφυδάτωση είναι απαραίτητη για αποφυγή (i) διάβρωσης εξοπλισμού
και υποδομών και (ii) σχηματισμού ένυδρων αλάτων

Μεταφορά CO2
Το CO2, μετά τη συμπίεσή του, μεταφέρεται στη θέση αποθήκευσης με:
• Αγωγούς
• Πλοία (βυτιοφόρα πλοία μεγάλης χωρητικότητας)
• Τρένα (ειδικά βαγόνια) & φορτηγά μεγάλης χωρητικότητας.
Πηγή:
http://www.eoearth.org/
Πηγή: http://www.maersk.com
Τοποθέτηση αγωγού
μεταφοράς CO2 από
τερματικό σταθμό στη
Β. Νορβηγία στο πεδίο
Snøvhit
© STATOIL
Η μεταφορά με κατάλληλο αγωγό είναι ο οικονομικότερος τρόπος και
αυτός που εξασφαλίζει συνεχή ροή μεγάλων ποσοτήτων CO2 προς τη
θέση αποθήκευσης σε υγρή (P>518 kPa, Τ>-56,6οC) ή υπερκρίσιμη
κατάσταση (P>7,38 MPa, Τ>31,1οC)

Έγχυση CO2
Το CO2, όταν φτάσει στη θέση αποθήκευσης, εγχέεται με μεγάλη πίεση
στον ταμιευτήρα με γεώτρηση ή γεωτρήσεις έγχυσης.
Πηγές:
(1) http://subsurface.princeton.edu
(2) http://urbantimes.co/magazine/
2011/06/capturing‐time‐bp‐and‐
the‐future/
(1)
(2)
Η πίεση έγχυσης θα πρέπει να
είναι μεγαλύτερη από την πίεση
στον ταμιευτήρα ώστε να
μετακινηθεί το ρευστό του
ταμιευτήρα μακρυά από το
σημείο έγχυσης.
Η πίεση έγχυσης δεν θα πρέπει
να υπερβαίνει την τάση
διάρρηξης του πετρώματος
(ταμιευτήρα, υπερκείμενος
σχηματισμός) για αποφυγή
διάρρηξης.
Γεωμηχανική ανάλυση και
χρήση μοντέλων για
προσδιορισμό μέγιστης πίεσης
έγχυσης.

Έγχυση CO2 ως υπερκρίσιμο ρευστό
Το CO2 εγχύεται σε βάθη μεγαλύτερα
από 800 m ως υπερκρίσιμο ρευστό.
Ως πυκνό υπερκρίσιμο ρευστό ο
όγκος του είναι σημαντικά
μικρότερος από αυτόν στην
επιφάνεια ως αέριο (από 1.000 m3
στα 2,7 m3 σε βάθος 2 km)
Αυτή η δραματική μείωση του όγκου
κάνει ελκυστική τη γεωλογική
αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων
CO2
© IPCC
ΚΡΙΣΙΜΟ ΣΗΜΕΙΟ
(CRITICAL POINT)
Τ=31,1oC, P=73,8 bar
ή 7,38 ΜPa
ΤΡΙΠΛΟ ΣΗΜΕΙΟ
(TRIPLE POINT)

Χώροι αποθήκευσης CO2 - Είδη ταμιευτήρων

Αποθήκευση CO2 ταμιευτήρα πετρελαίου
για βελτιωμένη ανάκτηση πετρελαίου
Πηγή:http://www.ico2n.com
Ζώνη ανάμιξης Oil bank:
To τμήμα του ταμιευτήρα, που είναι πιο κορεσμένο σε πετρέλαιο
λόγω εφαρμογής μεθόδους βελτιωμένης ανάκτησης πετρελαίου
Ανάκτηση πετρελαίου
Ελάττωση του ιξώδους του πετρελαίου

Αποθήκευση CO2 σε βαθύ αλμυρό υδροφορέα

Βασικά κριτήρια για την επιλογή ταμιευτήρων
αποθήκευσης CO2
Επαρκές πορώδες, επαρκής
περατότητα και επαρκής
αποθηκευτική ικανότητα
Παρουσία υπερκείμενου αδιαπέρατου
πετρώματος («πέτρωμα – κάλυμμα»,
πχ άργιλος, αργιλικός σχηματισμός,
μάργα, ορυκτό αλάτι κλπ) που να
εμποδίζει τη μετανάστευση προς τα
πάνω του CO2
Παρουσία δομών παγίδευσης,
θολωτό πέτρωμα - για να ελέγχεται η
έκταση και το μέγεθος της
μετανάστευσης μέσα στο σχηματισμό
αποθήκευσης
Βάθος μεγαλύτερο από 800 m, όπου
οι πιέσεις και οι θερμοκρασίες είναι
υψηλές για αποθήκευση CO2 ως
υπερκρίσιμο ρευστό
Πηγή:
http://www.bellona.org/
Απουσία πόσιμου νερού

Παγίδευση του CO2 σε ταμιευτήρα αποθήκευσης
αλμυρού νερού
Μόλις το CO2 εγχυθεί στον ταμιευτήρα, θα ανέβει
προς τα πάνω σχηματίζοντας θύσανο και
γεμίζοντας τα κενά των πόρων κάτω από το
πέτρωμα - κάλυμμα. (π.χ. dυπερκρCO2= 374 kg/m3
για P= 73,8 bar, T=31,1oC και dsalt water= 1020-
1030 kg/m3 ανάλογα με P και Τ)
Το CO2 παγιδεύεται στον ταμιευτήρα με τους εξής
μηχανισμούς:
- δομική παγίδευση, κάτω από το πέτρωμα-
κάλυμμα»,
- υπολειμματική παγίδευση: ακινητοποίηση σε
πολύ μικρούς πόρους
- παγίδευση διάλυσης: διάλυση στο νερό
- ορυκτολογική παγίδευση: μέσω του σχηματισμού
ορυκτών (ορυκτοποίηση)
© BRGM

Εκτίμηση αποθηκευτικής ικανότητας ταμιευτήρα
Στα πλαίσια EU Projects έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι και τύποι εκτίμησης
της αποθηκευτικής ικανότητας του ταμιευτήρα.
Αποθηκευτική ικανότητα αλμυρών υδροφορέων μεγάλου βάθους:
Αποθηκευτική ικανότητα
ταμιευτήρων υδρογονανθράκων:
(EU GeoCapacity, 2009)
(EU GeoCapacity, 2009)
gas
oil

Πιθανές δίοδοι διαρροής του CO2 από τον ταμιευτήρα (i)
Πιθανή διαρροή μέσω ενεργών ή
εγκατελελειμμένων γεωτρήσεων λόγω
εξαλλοίωσης του υλικού ή κατά μήκος
διεπαφών.
Πιθανή διαρροή μέσω ρηγμάτων που τέμνουν
τον ταμιευτήρα αποθήκευσης στην περιοχή
εξάπλωσης του θύσανου του CO2.
Το CO2 μεταναστεύει κατά μήκος του ρήγματος,
ενώ η πίεση του CO2 μπορεί να αυξήσει την
περατότητα του ρήγματος.
©CΟ2CRC
©CΟ2CRC

Πιθανές δίοδοι διαρροής του CO2 από τον ταμιευτήρα (ii)
Πιθανή διαρροή μέσω διάρρηξης
του πετρώματος - καλύμματος
και διαφυγής του προς ρηχότερο
σχηματισμό μέσω της διάρρηξης
ή
η πίεση του CO2 υπερβαίνει την
τριχοειδή πίεση (capillary
pressure) και περνά μέσα στον
υπερκείμενο σχηματισμό
©CΟ2CRC
©CΟ2CRC
Λόγω ροής του CO2 μέσα στο
σχηματισμό του ταμιευτήρα, αυτό
μπορεί να διαλυθεί σε μια
διεπιφάνεια CO2/H2O ή να
περάσει από ένα spill-point και
ακολουθώντας τη ροή να
μεταναστεύσει προς μικρότερα
βάθη.
Σε όλες τις περιπτώσεις υπάρχουν διορθωτικά μέτρα

Επιπτώσεις από πιθανή διαρροή
Πιθανές επιπτώσεις CO2 εξετάζονται με τη
βοήθεια «φυσικών αναλόγων» (natural
analogues), δηλ. φυσικών διαρρoών στην
επιφάνεια, νερών πλούσιων σε CO2 κλπ.
Επιπτώσεις στον άνθρωπο: μόνο σε πολύ
μεγάλες συγκεντρώσεις (5%) σε κλειστά
(μη αεριζόμενα) ή τοπογραφικά χαμηλά
περιβάλλοντα.
Επιπτώσεις στο περιβάλλον:
Θάλασσα: μείωση του pH τοπικά και για
περιορισμένο χρονικό διάστημα
Ξηρά:
Βλάστηση → περιορισμένη επίδραση
τοπικά
Ποιότητα υπόγεια νερά → πιο όξινα νερά
Ακεραιότητα πετρώματος → πιθανή
διαλυτοποίηση και μειωμένη δομική
ακεραιότητα υπό συγκεκριμένες συνθήκες
και προϋποθέσεις

Κριτήρια ασφάλειας της αποθήκευσης CO2
Για την ασφαλή αποθήκευση CO2:
- προσεκτική επιλογή της θέσης
αποθήκευσης (γεωλογία, τεκτονική)
- μοντελοποίηση & προσομοίωση ροής CO2
- εκτίμηση, ανάλυση και διαχείριση
πιθανού κινδύνου (πιθανά σενάρια)
- σωστή εκτέλεση της έγχυσης και της
όλης λειτουργίας
- κατάλληλο σχέδιο παρακολούθησης
- αποτελεσματικό σχέδιο αποκατάστασης
Κριτήρια ασφάλειας για το σχεδιασμό του
έργου και κριτήρια ασφάλειας κατά τη
διάρκεια της έγχυσης και μετά την
έγχυση
Κατά την έγχυση ελέγχονται: πίεση
έγχυσης, εγχυόμενος όγκος, σύσταση
εγχυόμενου CO2, γεώτρηση(-σεις),
θύσανος CO2. Συνεχής σύγκριση με
μοντέλα πρόβλεψης

Παρακολούθηση των θέσεων αποθήκευσης
Οι θέσεις αποθήκευσης CO2 παρακολουθούνται
για λόγους λειτουργικούς (βελτιστοποίηση
έγχυσης), ασφάλειας και περιβαλλοντικούς,
κοινωνικούς (για εμπιστοσύνη πληθυσμού) και
οικονομικούς.
Τι παρακολουθούνται:
- Ο θύσανος CO2 κατά τη μετανάστευσή του
από το σημείο έγχυσης
- Η ακεραιότητα πετρώματος – καλύμματος
- Η ακεραιότητα της γεώτρησης
- Η μετανάστευση στα υπερκείμενα
- ∆ιαρροή στην επιφάνεια και την ατμόσφαιρα
- Ποσότητα αποθηκευμένου CO2.
- Μετακινήσεις εδαφών & μικροσεισμικότητα
Παρακολούθηση πριν την έγχυση,
κατά την έγχυση και
μετά την έγχυση.
Πηγή: http://www.bgs.ac.uk
Πηγή: http://www.ogs.trieste.it

Μέθοδοι παρακολούθησης (monitoring)
Πηγή: http://www.co2captureproject.org/

Μέθοδοι παρακολούθησης (monitoring)
Πηγή: Finley,2013 (Venice‐Open Forum)

Εφαρμογή CGS μέσω πιλοτικών (pilot) και
επιδεικτικών (demo) projects σε διάφορες περιοχές
OTWAY Pilot Project (Αυστραλία),
Πηγή: Jenkins,2013 (Venice‐Open Forum)
Πιλοτικό έργο (pilot project): Είναι
η έγχυση CO2 σε έναν γεωλογικό
σχηματισμό σε ποσότητα συνήθως
μικρότερη του 0,1 Mt, με σκοπό να
πραγματοποιηθούν ερευνητικά
πειράματα για τη γεωλογική
αποθήκευση CO2.
Έργο επίδειξης (demo project)
δέσμευσης και αποθήκευσης του
CO2: Εφαρμόζει την πλήρη αλυσίδα
των τεχνολογιών για τη δέσμευση,
μεταφορά και αποθήκευση του CO2
σε βιομηχανική κλίμακα αρκετών
Mt CO2, σαν ένα «σκαλοπάτι» στην
εμπορική ανάπτυξη (π.χ. μονάδα
ηλεκτροπαραγωγής, χαλυβουργία).
Πηγή: Finley,2013 (Venice‐Open Forum)

Εκτίμηση κόστους CCS από ZEP (2011)
Η Zero Emissions Platform (ZEP) της EU εκπόνησε το 2011 μια
σημαντική μελέτη σχετικά με το κόστος τεχνολογίας CCS με βάση νέα
δεδομένα από pilot και demo projects.
Τα κύρια συμπεράσματα αυτής της οικονομικής μελέτης ήταν:
(α) Μετά το 2020 η τεχνολογία CCS θα είναι οικονομικά ανταγωνιστική
με άλλες τεχνολογίες χαμηλής κατανάλωσης άνθρακα (αιολικά,
φωτοβολταϊκά)
(β) Η τεχνολογία CCS μπορεί να εφαρμοστεί σε μονάδες
ηλεκτροπαραγωγής τόσο με άνθρακα όσο και με φυσικό αέριο.
(γ) Και οι 3 τεχνικές δέσμευσης θα μπορούσαν να είναι ανταγωνιστικές
αφού δοκιμαστούν επιδεικτικά με επιτυχία.
(δ) Ένας αρχικός σχεδιασμός μεγάλης κλίμακας υποδομών μεταφοράς
CO2 είναι ζωτικής σημασίας για τη μείωση του κόστους.
(ε) H τεχνολογία CCS απαιτεί ένα ασφαλές περιβάλλον για
μακροπρόθεσμη επένδυση.
(στ) Ένας μηχανισμός ανταμοιβής ρίσκου είναι απαραίτητος για να
αξιοποιηθεί το τεράστιο δυναμικό υδροφορέων για αποθήκευση.
http://www.zeroemissionsplatform.eu/library

Ευχαριστώ πολύ για
την προσοχή σας!

ΓΕΩΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΤΟΥ CO2: ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΙ ΕΝΝΟΙΕΣ

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Destacado

Destacado (9)

Más de Apostolos Arvanitis

Más de Apostolos Arvanitis (9)

ΓΕΩΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΤΟΥ CO2: ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΙ ΕΝΝΟΙΕΣ