Geologisk CO₂-lagring

Skematisk mulighed for ændring af kulstofkredsløbet ved CCS

Geologisk CO₂-lagring (også kaldet CCS efter engelsk: Carbon Capture and Storage, carbon capture and sequestration eller carbon control and sequestration) betegner processer, hvorved CO₂ lagres fysisk i underjordiske hulrum eller lagres som kemiske forbindelser, hvor molekylært CO₂ indlejres i et mineral, og på denne måde ophører med at være rent CO₂. Begge de to nævnte metoder er almindeligt anerkendt som mulige partielle løsninger på klimaproblematikken, hvorved det globale kulstofkredsløb kan ændres med nye flux'er og reservoirer.

Lagring af CO₂ i undergrunden

Kuldioxidkoncentrationen i atmosfæren øges med menneskets teknologiske udvikling. Ganske vist bliver moderne teknologi både renere og mere effektiv end gammel, men der er mere af den og den gamle bliver for sjældent kasseret. Samtidig er gamle U-lande på vej til at blive I-lande med tilhørende forbrug og CO₂-udledning. Det kan derfor blive nødvendigt at reducere kuldioxidkoncentrationen i atmosfæren direkte "før det går galt".

Lagring af CO₂ kan enten ske i kemisk ren form i dybe underjordiske kamre, eller bundet i uorganiske mineraler som fx FeCO₃. Fordelen ved det førstnævnte er at det er simplere. Fordelen ved det sidstnævnte er, at risikoen for utilsigtede udslip med katastrofale konsekvenser begrænses markant.

Fysisk lagring af CO₂

Fysisk lagring af CO₂ som gas, flydende eller fast stof kan forekomme i flere forskellige typer af geologiske lag i undergrunden. Disse lag kendes fra olie- og gasefterforskning, søgen efter geotermiske reservoirer og fra regionale geologiske kortlægninger. Lageret kan bestå af geologiske enheder med stor porøsitet og permeabilitet så som sand- eller kalklag. For at sikre, at kuldioxiden ikke bevæger sig opad og slipper ud til atmosfæren, skal dækbjergarten over lageret være gastæt og plastisk.

Tryk og temperatur stiger med dybden når man borer ned i jorden. Ved 800 meter er trykket omtrent fem gange det ved jordoverfladen. Ved dette tryk går CO₂ fra gasfase til flydende form. Hvis man komprimerer kuldioxid og lagrer det i underjordiske kamre mere end 800 meter nede, kan man således forholdsvis let opbevare store mængder. GEUS vurderer at Danmark kan lagre 500 års udslip i sin undergrund.

Før et lager kan etableres, skal der udføres nøje geologiske forundersøgelser, som skal sikre, at lagrene er egnede og at kapaciteten er så stor, at det kan fungere i mindst 30 år – det er tidshorisonten for et almindeligt kraft/varmeværk. Der må desuden lægges planer for en overvågning af lageret i en længere årrække. Rent teknisk minder lagring af CO₂ i reservoirer med salt porevand (kaldet saline akviferer) meget om lagring af naturgas, som det fx sker i Energinets gaslager i Stenlille på Sjælland og omtrent 100 andre steder i Europa. Der er dog væsentlige forskelle:

• CO₂ opløst i vand danner den svage syre kulsyre: CO₂ + H₂O → H₂CO₃, som kan påvirke bjergarten i reservoiret og dæklagene.

• CO₂ skal helst blive i reservoiret i tusinder af år eller mere.

Kulsyre, ligesom alle andre syrer, kan opløse kalk. Dette kender vi fra vores hverdag når, elkedlen afkalkes med eddikesyre. Det skyldes, at kalk er basisk og at syrer og baser altid reagerer med hinanden. Hvis nogle af dæklagene i et udvalgt reservoir viser sig at være kalkholdig, kan det opløste kulsyre derfor med tiden nedbryde kammerets gastætte integritet. Dette kan føre til store mængder udslip af CO₂ tilbage til atmosfæren. Hvis dette skulle ske meget pludseligt, vil det få ganske katastrofale konsekvenser for jordens klima. Men selv hvis det ikke sker pludselig, kan det stadig være et problem med udslip og det debatteres derfor fortsat, hvor lang tid et sådan tænkt lager skal kunne holde tæt.

Kemisk lagring af CO₂ i form af mineraler

Langt størstedelen af den CO₂, vi har på jorden, findes allerede bundet i karbonatmineraler. Kulstofbinding – fx ved at reagere naturligt forekommende Mg- og Ca-indeholdende mineraler med CO₂ og derved danne karbonater – har mange unikke fordele. Mest bemærkelsesværdigt er det faktum, at karbonater har en lavere energitilstand end CO₂, hvilket er grunden til, at karbonater er termodynamisk mere favorable og forekommer naturligt. Eksempelvis som forvitring af bjergarter over geologiske tidsperioder. Yderligere er råmaterialerne, så som magnesiumbaserede mineraler i stort omfang tilgængelige naturligt. Endelig er de naturligt producerede karbonater meget stabile, og derfor er genudslip af CO₂ til atmosfæren slet ikke et problem.

Dog er almindelige karbonat dannelse langsomme under almindelige temperatur- og trykforhold. Forskergruppen Goldberg, Chen, O’Connor, Walters og Ziock (1998) forsøger i den refererede artikel at identificere en industriel anvendelig og samtidig miljømæssig forsvarlig rute til implementering af CO₂, under hensyntagen til økonomiske hensyn.

I CO₂-bindingsprocessen reagerer CO₂ med metal-oxygenforbindelser (metaloxider), som producerer stabile karbonater. Denne proces foregår naturligt over mange år og er ansvarlig for meget af den kalksten, som forekommer på jordens overflade. Reaktionshastigheden kan gøres hurtigere, fx ved at reagere ved højere temperaturer og/eller tryk, eller ved at forbehandle mineralerne. Dog kræver alle disse tiltag naturligvis mere energi. IPCC estimerer, at et kraftværk udstyret med denne teknologi har brug for 60-180% mere energi end et traditionelt kraftværk uden (kapitel 7, side 321 og 330).

Den følgende tabel viser forskellige siliciumholdige mineraler, som forekommer naturligt i jordskorpen, deres reaktion med CO₂, samt Gibbs fri energi for reaktionen. Gibbs fri energi er et udtryk for, om en reaktion er tilbøjeligt til at foregå den ene eller anden vej (mod produkt eller reaktant). Negative værdier betyder, at produktet favoriseres.

Mineraltype	Mineral	Reaktion: Silicat(mineral) + CO2(drivhusgas)	Produkt: Karbonat(mineral) + Kvarts (bjergart; sand, glas)	Gibbs fri energi (kJ/mol)
Oliviner	Fayalit	Fe2SiO4 + 2 CO2	2 FeCO3 + SiO2	-47
	Forsterit	Mg2SiO4 + 2 CO2	2 MgCO3 + SiO2	-66,5
Pyroxener	Ferrosilit	FeSiO3 + CO2	FeCO3 + SiO2	-19,7
	Wollastonit	CaSiO3 + CO2	CaCO3 + SiO2	-34,4
	Enstatit	MgSiO3 + CO2	MgCO3 + SiO2	-26,1

Det ses af reaktionerne i tabellen at CO₂ går fra at være en fri gasart til at være bundet i forskellige karbonatmineraler, afhængig af hvilken silicat det har reageret med.

Succesfuld langtidslagring af CO₂ i basalt

"Nydannet" vulkansk basalt reagerer med kuldioxyd opløst i vand under dannelse af kalksten og kan dermed anvendes til langtidssikker geologisk CO2-lagring.

Fordele og ulemper ved Fysisk / Kemisk lagring

Fordelene ved fysisk lagring ligger lige for; den nødvendige viden og teknologi eksisterer allerede i dag. Ulemperne lige så; faren for udslip eksisterer – med garanterede katastrofale følger. De meget store mængder nødvendig lagerplads gør også ideen svært spiselig for mange eksperter. Eksempelvis vil et stort kulfyret kraftværk med et årligt CO₂ udslip på 8 millioner ton kræve 10 millioner kubikmeter underjordisk plads om året. Hvis kraftværket har en levetid på 30 år bliver det til 300 millioner kubikmeter udledt CO₂. Så store underjordiske kamre, er der endnu ikke fundet mange af. Alternativt kan man selvfølgelig flytte rundt på CO₂'en med rør eller lastbiler, men det koster naturligvis også penge og energi.

Kemisk lagring af CO₂ i form af mineraler har mange fordele i forhold til fysisk lagring. Når CO₂'en er bundet slipper den ikke fri igen, må siges at være den vigtigste. Mængden af CO₂ bundet i karbonater er 40.000 gange større end mængden i atmosfæren. Selv hvis man forestiller sig en total lagring af CO₂ i karbonat vil der derfor ikke komme relativt meget mere til. I modsætning hertil står opbevaring i oceanerne, som kun indeholder 52 gange mere CO₂ end atmosfæren. Karbonatlagring er klart at foretrække frem for fysisk og/eller maritim lagring, omend der stadig er et stykke vej før metoden kan implementeres industrielt.

Selvom CO₂ lagring ser lovende ud, er de fleste forskere enige om at det ikke er en permanent løsning, men blot et mellemstadie på vej mod en mere bæredygtig fremtid. Den nye løsning på klimaproblematikken må indeholde energiproduktion uden eller kun med minimalt udslip af drivhusgasser. Nutidige eksempler herpå er de vedvarende energiformer vindenergi, vandkraft og solenergi samt atomenergi. Om hvorvidt det er nødvendigt og anbefalelsesværdigt at forske og investere i en midlertidig løsning er til stor debat. Modstandere mener ikke det er uoverkommeligt at springe mellemløsningen over og alene satse på vedvarende energi eller atomkraft.

Hvorfor overhovedet oplagre CO₂?

De sidste 150 år er koncentrationen af CO₂ i atmosfæren vokset markant. Mange forskere mener, at dette skyldes menneskers udledning i forbindelse med produktion og udvikling. Hvis der udvikles bæredygtige eller ligefrem CO₂-neutrale produktionsmetoder, kan den menneskelige udledning mindskes. Et eksempel på en metode til CO₂-neutralisering, som ikke kræver total omlægning af de nuværende produktionsmetoder, er lagring af CO₂ i undergrunden eller i mineralske bjergarter. Dette forekommer lettere end mange alternativer – hvis CO₂'en kan hentes ud af fabrikkens røgafgasning, fordi man så ikke behøver ændre på den almindelige produktionsprocedure.

CO₂

Uddybende artikel: CO2

Gasarten CO₂ er en uundgåelig del af vores hverdag. Den findes naturligt i vore omgivelser og er også kendt som kultveilte (gammelt navn), kuldioxid eller tøris. Gassen anvendes til mange formål, blandt andet som tilsætningsstoffer i øl, sodavand og is og i brandslukkere til elektronik (også kaldet CO₂-slukkere). CO₂ produceres i en hvilken som helst forbrænding af organisk stof, fx glukose i kroppens fordøjelsessystem:

C₆H₁₂O₆ + 6•O₂ → 6•CO₂ + 6•H₂O + ”kemisk energi”

og naturgas i et komfur:

CH₄ + 2•O₂ → CO₂ + 2•H₂O + ”kemisk energi”

Drivhuseffekt

Uddybende artikel: Drivhuseffekt

Ideen om drivhuseffekten handler om jordens energiregnskab. Jorden modtager den største del af sin energi fra solen. Solens energi i form af lys trænger let gennem jordens atmosfære som kortbølget stråling og omdannes i de øverste dele af jordoverfladen, havet, planter og bygninger til varme. Udstråling fra de opvarmede overflader sker som langbølget varmestråling. Denne type energibølger kan fanges og tilbageholdes af drivhusgasser og vanddamp i atmosfæren.

De vigtigste af drivhusgasserne listes herunder i rækkefølge efter volumen-koncentrationen i atmosfæren. Enheden ppm står for parts per million (1/1.000.000) og ppb står for parts per billion(1/1.000.000.000). Enhederne ppm og ppb er altså relative angivelser, præcis som % og ‰.

• Vanddamp (H₂O) 0-5%
• Kuldioxid (CO₂) 360 ppm (= 0,036%)
• Metan (CH₄) 1,7 ppm
• Lattergas (N₂O) 0,3 ppm
• Hydrofluorkarboner (HFC'er) 0,4 ppb
• Perfluorkarboner (PFC'er) 0,1 ppb
• Svovlhexafluorid (SF₆) 0,004 ppb

CO₂ som drivhusgas

Af de nævnte gasarter er kuldioxid den mindst effektive drivhusgas. De andre gasarter kan absorbere mere energi i form af lys i det energirige infarøde spektrum og/eller har en længere levetid i atmosfæren end CO₂. Kuldioxid som drivhusgas kommer kun til udtryk i forhold til de andre nævnte i kraft af dens voldsomt højere koncentration i atmosfæren. Samt at koncentrationen har været støt stigende de sidste 100 år.

Vanddampkoncentrationen er meget varierende og stammer næsten udelukkende fra fordampning fra have og søer. Da fordampningen øges med temperaturen dannes en positiv feedback.

For at få et let overblik over udviklingen i drivhuseffekten omregnes alle drivhusgasser til CO₂-ækvivalenter.

Olieproduktion

Ved olieproduktion frigøres diverse gasser, hovedsageligt metan fra råolien ved udgasning. Kondensatet er flydende i dybden, men gasserne frigøres ved det lave tryk på jordoverfladen. Mange steder afbrændes naturgassen i pyrolysetårne af sikkerhedshensyn, mens det i Nordsøen indsamles til forbrug. CO₂ fra råolien udledes, med yderst få undtagelser, direkte til atmosfæren. CO₂ i råolien kommer fra bakteriers metabolisme, før aflejringen dræbte disse.

Merudvinding

Da oliefelterne er gastætte, kan CO₂ pumpes ned og øge trykket som i en spraydåse. Dette kan øge de dybere boringers indvindingsgrad, efterhånden som olien fjernes. Omtrent 30 til 50 millioner tons CO₂ pumpes årligt ned i amerikansk kontrollerede oliefelter. Dette kan forekomme attraktivt, da man allerede har stor viden om kuls, olies og gas' geologi og indtægterne fra den øgede olieudvinding kan trækkes fra udgifterne til CO₂-nedpumpningen. Ulemper er bl.a., at gamle oliefelter ofte ligger meget spredt og ikke har særlig stor kapacitet hver for sig. Ligesom efterfølgende afbrænding af den ekstra udvundne olie antagelig vil eliminere hele den opnåede reduktion i CO₂-udledning.

Eksterne henvisninger

• Temaside om Geologisk lagring af CO₂ GEUS – De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland Arkiveret 4. december 2008 hos Wayback Machine
• NanoGeoScience centeret Arkiveret 15. september 2009 hos Wayback Machine på Københavns Universitet arbejder bl.a. med mineralisering af CO₂
• Risø - Nationallaboratoriet for Bæredyg Energi har har en masse artikler på dansk. Bl.a er artiklerne om Energiteknologier på vej Arkiveret 5. december 2007 hos Wayback Machine, vindenergi Arkiveret 12. juni 2008 hos Wayback Machine og brint og brændselsceller Arkiveret 14. maj 2008 hos Wayback Machine læseværdige
• CO2-lagring - kan vi begrave problemet? Geoviden temanummer, marts 2020

Se også

• Global opvarmning
• Havenes forsuring
• Kulstoflager
• Menneskeskabt drivhuseffekt
• Vedvarende energi