Neue Forschungsarbeiten zur Kohlendioxidspeicherung in porösen Felsen
Techniken der geologischen Kohlenstoffspeicherung könnten eine wichtige Rollen spielen, wenn es darum geht, die Gefahren der Erderwärmung einzudämmen. Hinter der Technologie steht das Konzept, das ausgestoßene CO2 aufzufangen, bevor es in die Atmosphäre eintritt, und es dann tief unter der Erde bei hohem Druck in porösem Felsgestein zu lagern. „Man muss unbedingt verstehen, wie sich die poröse Struktur über die Jahre entwickelt, um Kohlenstoff sicher und effektiv lagern zu können, weil das die Dichtungsintegrität, CO2-Injektion und Lagerkapazität einer geologischen Stätte beeinflusst“, betont Dr. Yi Yang, ein im Rahmen des Projekts OMNICS (Observing, Modelling and Predicting in situ Petrophysical Parameter Evolution in a Geologic Carbon Storage System) der Marie Skłodowska-Curie-Maßnahmen geförderter Wissenschaftler. Für Fortschritte in diesem Bereich müssen Probleme der Charakterisierungstechnologie überwunden und die hohen Rechnerkosten für die derzeit gängigen Modellierungsansätze reduziert werden. Die Reichen werden noch reicher Zentrales Untersuchungsthema von OMNICS waren die Reaktionen, die sich zwischen dem CO2, den Flüssigkeiten und Mineralien in den unterirdischen geologischen Lagerstätten abspielen. „Vereinfacht gesagt: wie schnell sich ein poröser Fels in einer Flüssigkeit auflöst, hängt davon ab, wie lange er ihr ausgesetzt ist. Je länger die Interaktion zwischen den festen und flüssigen Komponenten dauert, desto eher wird die Flüssigkeit gesättigt“, erklärt Dr. Yang. Sättigung bezieht sich hierbei auf die Menge gelöster Feststoffe in strömender Flüssigkeit. Das beeinflusst die Fähigkeit der Flüssigkeit, Feststoffe in gelöster Form zu transportieren; wenn der Wert hoch ist, wird die Lösungsgeschwindigkeit verlangsamt. „Wasser ist bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten weniger gesättigt und erzeugt so eine positive Rückkopplungsschleife, die dazu führt, dass die Mineralien im Wasser schneller aufgelöst werden“, so Dr. Yang. Er erklärt weiter, dass das CO2-Gas unter die Erde gepumpt wird, wo es das Wasser versauert und Mineralien auflöst. Die reaktive Flüssigkeit fließt in eine durchlässigere Region und löst dort Mineralien auf, wodurch sie noch durchlässiger wird. Durch diese Selbstverstärkung des Abflusses kommt es zu spontaner Kanalisierung der Flüssigkeit. Das Phänomen lässt sich mit dem Matthäus-Effekt aus der Soziologie vergleichen, bei dem aus ökonomischer Ungleichheit ein Mechanismus entsteht, der die Reichen reicher und die Armen ärmer werden lässt. In dieser Analogie ist das im Wasser gelöste CO2 das „Vermögen“ und die jeweilige besondere petrophysikalische und chemische Heterogenität im natürlichen porösen Material entspricht der Ungleichheit. Bei diesem dynamischen Prozess könnten gewisse mikrostrukturelle Eigenschaften schlussendlich das gesamte Strömungsfeld der Flüssigkeit bestimmen. Mit Röntgenaugen Der zugrundeliegende Erosionsmechanismus der Felsformationen durch diese Mischung von saurem Gas und Wasser zeigt ein ganz neues Szenario von Selbstorganisation in der Natur und bietet den Ansatzpunkt für OMNICS. „Im Kern wollen wir ein detailliertes und realistisches Bild der Felsen in der Lagerstätte schaffen, um zu bestimmen inwiefern CO2 bei der Bildung neuer Strömungskanäle beteiligt ist“, so Dr. Yang. In der ersten Phase haben die Forscher eine Probenumgebung gebaut, unter anderem mit einem Gefährt, das so konzipiert ist, dass es die typischen Bedingungen in der Lagerstätte nachahmen kann. Dank dem Einsatz von Synchrotron-basierter RöntgenComputertomographie konnten die Forscher die mikrostrukturelle Evolution natürlicher poröser Medien in sehr kleinem Maßstab beobachten. Mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik konnte das Team außerdem die Migration des CO2 nachverfolgen und erleben, was es „sieht“, wenn es die poröse Struktur durchquert. Ein neues Reaktorennetzwerkmodell erlaubte es den Forschern, die Entwicklung von Strömungsnetzen bei der geologischen Speicherung von Kohlenstoff zu untersuchen. So konnten sie die topologischen und statistischen Eigenschaften des Netzwerks mit seiner Fähigkeit in Verbindung setzen, anthropogenes CO2 zu lösen. Doch mathematische Gleichungen mit der Struktur der Tomographie zu kombinieren, war nicht ohne Schwierigkeiten. Eine lag darin, den großen Informationsverlust auszugleichen, der entsteht wenn die Graustufendaten segmentiert werden. „In unserem Modell werden die Intensitäten der Graustufen genutzt, um jedes Voxel als individuellen Reaktor zu parametrisieren. Darum bleiben in dem Modell geometrische Informationen aus der Tomographie erhalten und die zugrundeliegenden Gleichungen werden modifiziert, um die numerischen Simulationen zu optimieren“, erklärt Dr. Yang. Das Reaktorennetzwerkmodell kann die Rechnerkosten zur Prognose der zeitlichen Evolution poröser Strukturen signifikant senken. Bisher sind aus der Forschung in OMNICS vier begutachtete Publikationen entstanden.
Schlüsselbegriffe
OMNICS, porös, CO2, Fels, Reaktorennetzwerkmodell, Kohlenstoffspeicherung, Röntgen-Nanotomographie
