Experimental and numerical modelling of CO2 behaviour in the soil-atmosphere interface : implications far risk assessment of carbon capture storage projects
Authors:   , Gasparini Andrea 
Published: July 2023

CO2 geological storage is considered one of the options technologically viable in order to decrease the industrial emissions of this gas species that strongly contribute to the greenhouse effect in the atmosphere (IPCC, 2005). As naturally, oil and gas are stored in porous rocks that have the same key geological features required for CO2 storage, so CCS aim to recreate a natural process to trap carbon dioxide for millions of years into deep saline aquifer or depleted oil and gas fields. Episodic release of CO2 from underground can occur from either natural processes (i.e., mantle degassing, thermal decarbonation, volcanic areas) or industrial (geological storage of CO2, CCS). Because of leakage can occur at every step of a CCS project, monitoring assumes an important role not only during and after injection but also before in order to know the state of the entire site from deep underground (reservoir level) to surface. In this respect, the use of atmospheric dispersion numerical models helps predicting the dispersion of the CO2-enriched gas plume once emitted from underground and allows an accurate map of risk level through time under particular meteorological conditions. The aim of this PhD. project is to give a better understanding of CO2 behaviour in the unsaturated zone and its atmospheric dispersion. The results are obtained from experimental and numerical modelling of CO2 leakage from an artificial leakage site and from natural analogues applied to risk assessment for CCS sites. To reach the above-mentioned targets and to prove results, this research plan combines experimental activity on site and numerical modelling. The first part of the research plan consisted of a contribution in the PISCO2 project at the ES.CO2 facilities placed in Ponferrada (Spain). The objective of this project was to predict how the injected CO2 will move laterally and vertically in the unsaturated zone and to determine the critical parameters that will affect the ecosystems. This part has been published in a peer review journal and presented in an international congress.
The second part of the PhD. project has focused on the study of two natural analogues in volcanic areas. Natural analogues provide evidences of the impact of CO2 leakage, for both sites two approaches have been followed: a) direct measurement of air concentration and b) numerical atmospheric modelling with the TWODEE2 code. The study of CO2 emissions in natural systems provides a valuable information on the assessment and quantification of potential risks related to underground carbon storage leakage. Emissions of CO2 are studied in a large variety of geological environments, i.e., sedimentary basins, active and non-active volcanic areas, seismically-active regions, and geothermal fields. Because of the physics of carbon dioxide gas, e.g., colourless, odourless, higher density compared to air, its accumulation may result hazardous and even lethal for life. The objective of atmospheric dispersion modelling is to predict how will move the plume, generated by a leakage in natural degassing systems and CCS sites.
Results obtained from this doctorate provide:
•Coupling experimental and numerical data in order to test new methods and/or numerical codes;
•New elements to the knowledge of CO2 behaviours in the unsaturated zone as seen at PISCO2;
•New clues on non-invasive monitoring techniques for CCS sites and natural analogues;
•The usefulness of studying natural analogues;
•The usefulness of the SAP system, as a good method to evaluate high gas emissions from underground;
•The efficiency of atmospheric modelling as a valuable methodology in the risk assessment;
•The importance of risk assessment maps in active degassing areas;
•The need of production of forecasting maps to evaluate dangerous scenarios.
•Numerical models (multiphase transport and atmospheric gas dispersion) are proved to be useful tools to predict gas behaviour inthe vadose zone and in the near-ground atmosphere.

El almacenamiento geológico de CO2 se considera una de las opciones tecnológicamente viables para disminuir las emisiones industriales de esta especie de gas que contribuye fuertemente al efecto invernadero en la atmósfera (IPCC. 2005). Como es natural, el petróleo y el gas se almacenan en rocas porosas que tienen las mismas características geológicas clave requeridas para el almacenamiento de CO2. por lo que CCS tiene como objetivo recrear un proceso natural para atrapar dióxido de carbono durante millones de años en un acuífero salino profundo o en campos de petróleo y gas agotados. La liberación episódica de CO2 del subsuelo puede ocurrir por procesos naturales (es decir. desgasificación del manto, descarbonatación térmica. áreas volcánicas) o industriales (almacenamiento geológico de CO2. CCS). Debido a que las fugas pueden ocurrir en cada paso de un proyecto de CCS. el monitoreo asume un papel importante no solo durante y después de la inyección. sino también antes para conocer el estado de todo el sitio desde las profundidades del subsuelo (nivel del yacimiento) hasta la superficie. En este sentido. el uso de modelos numéricos de dispersión atmosférica ayuda a predecir la dispersión de la columna de gas enriquecido con CO2 una vez emitida desde el subsuelo y permite un mapa preciso del nivel de riesgo a lo largo del tiempo bajo condiciones meteorológicas particulares. El objetivo de este proyecto de doctorado consiste en dar una mejor comprensión del comportamiento del CO2 en la zona insaturada y su dispersión atmosférica. Los resultados se obtienen a partir de modelos experimentales y numéricos de fugas de CO2 de un sitio de fugas artificiales y de análogos naturales aplicados a la evaluación de riesgos para sitios de CCS. Para alcanzar los objetivos antes mencionados y probar los resultados. este plan de investigación combina la actividad experimental en el sitio y la modelización numérica. La primera parte del plan de investigación consistió en una aportación al proyecto PISCO2 en las instalaciones de ES.CO2 situadas en Ponferrada (España). El objetivo de este proyecto fue predecir cómo el CO2 inyectado se moverá lateralmente y verticalmente en la zona insaturada y determinar los parámetros críticos que afectarán los ecosistemas. Esta parte ha sido publicada en una revista de revisión por pares y presentada en un congreso internacional. La segunda parte del proyecto de doctorado se ha centrado en el estudio de dos análogos naturales en áreas volcánicas. Los análogos naturales proporcionan evidencias del impacto de la fuga de CO2. para ambos sitios se han seguido dos enfoques: a) medición directa de la concentración de aire y b) modelado atmosférico numérico con el código TW ODEE2. El estudio de las emisiones de CO2 en los sistemas naturales proporciona una valiosa información sobre la evaluación y cuantificación de los riesgos potenciales relacionados con las fugas de almacenamiento subterráneo de carbono. Las emisiones de CO2 se estudian en una gran variedad de entornos geológicos, es decir, cuencas sedimentarias, áreas volcánicas activas y no activas, regiones sísmicas y campos geotérmicos. Los resultados obtenidos de este doctorado aportan:
• Acoplamiento de datos experimentales y numéricos para probar nuevos métodos y/o códigos numéricos;
• Nuevos elementos para el conocimiento de los comportamientos del CO2 en la zona insaturada como se ve en PISCO2;
• Nuevas pistas sobre técnicas de monitoreo no invasivas para sitios CCS y análogos naturales;
• La utilidad de estudiar análogos naturales;
• La utilidad del sistema SAP, como buen método para evaluar altas emisiones de gases subterráneos;
• La eficiencia de la modelización atmosférica como metodología valiosa en la evaluación de riesgos ;
• La importancia de los mapas de evaluación de riesgos en áreas de desgasificación activa;
• La necesidad de producir mapas de predicción para evaluar escenarios peligrosos.
• Se ha demostrado que los modelos numéricos (transporte multifásico y dispersión de gas atmosférico) son herramientas útiles para predecir el comportamiento de los gases en la zona vadosa y en la atmósfera cercana al suelo.