Γεωλογική αποθήκευση διοξειδίου του άνθρακα

Η γεωλογική αποθήκευση του διοξειδίου του άνθρακα είναι ένα βασικό τμήμα της τεχνολογίας της δέσμευσης και αποθήκευσης του άνθρακα (Carbon Capture and Storage, CCS).

Οι δύο κύριες επιλογές που θεωρούνται πιο κατάλληλες για μεγάλης κλίμακας αποθήκευση του διοξειδίου του άνθρακα είναι:
 τα εξαντλημένα πεδία φυσικού αερίου και πετρελαίου για τα οποία υπάρχει πλήθος πληροφοριών και μεγάλος όγκος γνώσης εξαιτίας της εκμετάλλευσής τους για την εξόρυξη υδρογονανθράκων.
 οι μεγάλου βάθους αλμυροί υδροφορείς, που περιέχουν νερό, το οποίο είναι ακατάλληλο για πόση και μάλιστα είναι ακόμη αλμυρότερο και από το θαλασσινό νερό.

Άλλες επιλογές, όπως τα στρώματα γαιάνθρακα και τα βασαλτικά πετρώματα, που ακόμη υπόκεινται σε έρευνα, μπορούν να παράσχουν  περαιτέρω δυνατότητες αποθήκευσης στο μέλλον.

Το διοξειδίου του άνθρακα εγχύεται μέσω γεωτρήσεων σε υποκείμενα βαθιά φιλοξενούντα πετρώματα, με πόρους μεταξύ των κόκκων ή διαρρήξεις, αντικαθιστώντας και συμπιέζοντας έτσι το ρευστό που ήδη υπάρχει σ’ αυτούς τους πόρους: φυσικό αέριο, νερό ή πετρέλαιο. Φιλοξενούντα πετρώματα που έχουν καλό πορώδες και διαπερατότητα αποτελούν κατάλληλους σχηματισμούς αποθήκευσης. Αυτά συνήθως συναντώνται σε ιζηματογενείς λεκάνες και προέρχονται από την απόθεση ιζημάτων στο γεωλογικό παρελθόν. Τα λεπτόκοκκα αδιαπέρατα ιζήματα μέσα σ΄ αυτές τις ίδιες λεκάνες σχηματίζουν εμπόδια (φράγματα) μεταξύ των περατών σχηματισμών αποθήκευσης. Οι φυσικοί ταμιευτήρες πετρελαίου, φυσικού αερίου ακόμη και καθαρού διοξειδίου του άνθρακα αποδεικνύουν την ικανότητά τους να συγκρατούν ρευστά για εκατομμύρια χρόνια.

Οι υπόγειοι  σχηματισμοί, ταμιευτήρες και πετρώματα - καλύμματα σχηματίζουν σύνθετες δομές, οι οποίες είναι ετερογενείς, ανομοιογενώς κατανεμημένες και ρηγματωμένες. Απαιτούνται, συνεπώς, η σε βάθος γνώση της θέσης και η γεωεπιστημονική εμπειρία για να εκτιμηθεί η καταλληλότητα των προτεινόμενων υπόγειων δομών για μακροχρόνια αποθήκευση του διοξειδίου του άνθρακα. Οι δυνητικοί ταμιευτήρες αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα πρέπει να εκπληρώνουν πολλά κριτήρια, εκ των οποίων τα ουσιώδη είναι:
 επαρκές πορώδες, επαρκής διαπερατότητα και επαρκής αποθηκευτική ικανότητα 
 παρουσία υπερκείμενου αδιαπέρατου πετρώματος καλύμματος - π.χ. μη συμπαγής άργιλος, αργιλόλιθος, μάργα ή άλας - το οποίο αποτρέπει τη μετανάστευση του διοξειδίου προς τα πάνω 
 παρουσία «δομών παγίδευσης» - όπως θολωτά πετρώματα καλύμματα - για να ελέγχεται η έκταση και το μέγεθος της μετανάστευσης του διοξειδίου μέσα στο σχηματισμό αποθήκευσης 
 βάθος μεγαλύτερο των 800 μέτρων, όπου η πίεση και η θερμοκρασία είναι αρκετά υψηλές ώστε να επιτρέπεται η αποθήκευση του πυκνού συμπιεσμένου διοξειδίου μεγιστοποιώντας έτσι την ποσότητα που αποθηκεύεται 
 απουσία πόσιμου νερού στον ταμιευτήρα αποθήκευσης.

Εθνικά παραδείγματα δυνατότητας αποθήκευσης 

Ένα παράδειγμα περιοχής που εκπληρώνει τα παραπάνω κριτήρια είναι η Νότια Πέρμια Λεκάνη, που εκτείνεται από την Αγγλία έως την Πολωνία. Άμμοι έχουν αποτεθεί σε διάφορες χρονικές περιόδους κατά το γεωλογικό παρελθόν. Τα ιζήματα έχουν επηρεαστεί από τις διαδικασίες σχηματισμού των πετρωμάτων με αποτέλεσμα κάποια από τα κενά των πόρων να παραμένουν γεμάτα με αλμυρό νερό ή φυσικό αέριο. Οι άργιλοι που παρεμβάλλονται έχουν συμπαγοποιηθεί σε αδιαπέρατα στρώματα εμποδίζοντας την άνοδο του ρευστού. Μεγάλο μέρος των ψαμμιτικών σχηματισμών βρίσκεται σε βάθη μεταξύ 1 και 4 km, όπου η πίεση είναι αρκετά υψηλή ώστε να αποθηκευτεί το διοξείδιο του άνθρακα σαν μια πυκνή φάση. Η περιεκτικότητα των νερών των σχηματισμών σε άλατα αυξάνει σ’ αυτό το διάστημα βάθους από 100 g/l μέχρι 400 g/l, δηλ. πρόκειται για νερά κορεσμένο σε άλατα, πολύ πιο αλμυρά από το θαλασσινό νερό. Εκατοντάδες δομές έχουν σχηματισθεί σ’ αυτή τη λεκάνη από τις μετακινήσεις άλατος προς τα πάνω, που προκάλεσαν αναθόλωση των σχηματισμών και δημιούργησαν παγίδες για φυσικό αέριο. Αυτές οι παγίδες αποτελούν το στόχο για την έρευνα των θέσεων αποθήκευσης διοξειδίου και των πιλοτικών έργων.

Αποθηκευτική ικανότητα 

Οι εκτιμήσεις της αποθηκευτικής ικανότητας είναι συνήθως πολύ προσεγγιστικές και βασίζονται στην χωρική έκταση των δυνητικά κατάλληλων σχηματισμών. Η αποθηκευτική ικανότητα μπορεί να εκτιμηθεί σε διάφορες κλίμακες, πηγαίνοντας από την εθνική κλίμακα για γενικές εκτιμήσεις σε κλίμακες ταμιευτήρα και λεκάνης για όλο και πιο ακριβείς υπολογισμούς, λαμβάνοντας υπόψη την ετερογένεια της συγκεκριμένης θέσης και την πολυπλοκότητα των πραγματικών γεωλογικών δομών.

Συνήθως διακρίνονται διάφορα επίπεδα αποθηκευτικής ικανότητας, όπως: 
 Ογκομετρική Ικανότητα: Εκτίμηση του διαθέσιμου όγκου των πόρων στα πετρώματα αποθήκευσης, η οποία βασίζεται στην κατανομή, το πάχος και τις ιδιότητες των δυνητικά κατάλληλων σχηματισμών αποθήκευσης.
 Γεωτεχνική Ικανότητα: Συνήθως εκτιμήσεις συγκεκριμένης θέσης, λαμβάνοντας υπόψη περαιτέρω πληροφορίες για τις ιδιότητες του ταμιευτήρα και του πετρώματος καλύμματος, όπως εγχυτότητα, ρευστά του σχηματισμού και πιθανές στρατηγικές έγχυσης. Αυτές οι εκτιμήσεις απαιτούν λεπτομερείς πληροφορίες από τη συγκεκριμένη θέση για αριθμητικές προσομοιώσεις της έγχυσης διοξειδίου του άνθρακα και μετανάστευσης μέσα σε δεδομένες υπόγειες δομές. 
 Βιώσιμη Ικανότητα: Τελικά, κοινωνικο-οικονομικοί παράγοντες αποφασίζουν εάν μια θέση που είναι κατάλληλη θα χρησιμοποιηθεί στην πραγματικότητα για αποθήκευση διοξειδίου του άνθρακα. Αυτοί οι παράγοντες περιλαμβάνουν τη διαθεσιμότητα κατάλληλων πηγών διοξειδίου, το κόστος αποθήκευσης, την ευθύνη, τα νομικά πλαίσια και τη δημόσια αποδοχή. Αυτές οι μη γεωτεχνικές επιδράσεις στην αποθηκευτική ικανότητα είναι δύσκολο να προβλεφθούν και να αντιμετωπισθούν.
Συμπερασματικά, μπορούμε να πούμε ότι η ογκομετρική ικανότητα για την αποθήκευση του διοξειδίου του άνθρακα στην Ευρώπη είναι υψηλή, αλλά το ίδιο υψηλές είναι και οι αβεβαιότητες, ειδικά για βαθιούς αλμυρούς υδροφορείς. Οι υδροφορείς θα μπορούσαν να προσφέρουν αποθηκευτική ικανότητα για μεγάλες εγκαταστάσεις επί αρκετές δεκαετίες. Η επικαιροποίηση και η περαιτέρω χαρτογράφηση των αποθηκευτικών ικανοτήτων στην Ευρώπη είναι ένα θέμα συνεχιζόμενης έρευνας, σε μεμονωμένα κράτη - μέλη, και μέσω του Έργου  EU CO2STOP για την Ευρώπη γενικότερα.
Στην Ελλάδα, το  Ε.Κ.Β.Α.Α.-Ι.Γ.Μ.Ε.Μ. (πρ. Ι.Γ.Μ.Ε.) έχει συμμετάσχει σε πολλά Ευρωπαϊκά Έργα γεωλογικής αποθήκευσης διοξειδίου, μεταξύ των οποίων και το Έργο CGS Europe.

Νομικό πλαίσιο 

Με την υπ. αριθ. 48416/2037/2011 Κοινή Υπουργική Απόφαση  με την οποία ενσωματώθηκε στο εθνικό δίκαιο η ευρωπαϊκή οδηγία 2009/31/ΕΚ, καθορίζονται για πρώτη φορά στο ελληνικό θεσμικό πλαίσιο οι προϋποθέσεις τόσο ως προς τις α) άδειες εξερεύνησης με σκοπό την επιλογή τόπων αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα όσο και ως προς τις β) άδειες αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα.

Εφαρμογές 

Ο πρώτος στον κόσμο πιλοτικός σταθμός ηλεκτρικής ενέργειας που καίει ορυκτά καύσιμα (λιγνίτη) χωρίς να εκπέμπει διοξείδιο του άνθρακα (CO2) στην ατμόσφαιρα εγκαταστάσηκε στην Γερμανία το 2009, με την ελπίδα ότι η τεχνολογία θα βοηθήσει στο θέμα του φαινόμενου του θερμοκηπίου. Η τεράστια εγκατάσταση (100 φορές μεγαλύτερη από τη συμβατική) έξω από την κωμόπολη Spremberg (Σπρέμπεργκ) της πρώην Ανατολικής Γερμανίας είναι ο πρώτος θερμοηλεκτρικός σταθμός με δυνατότητα Δέσμευσης και Αποθήκευσης άνθρακα (τεχνολογία CCS, Carbon Capture and Storage), αποτελώντας μέρος ενός  μεγαλύτερου προγράμματος πιλοτικών σταθμών από την ΕΕ. Το σύστημα δεσμεύει το διοξείδιο (περίπου 10t CO2/h κάθε ώρα) καθώς και τα λοιπά αέρια, τα οποία παράγονται από την καύση του λιγνίτη και τα συμπιέζει μέχρι να υγροποιηθούν. Το συμπιεσμένο αέριο, μεταφέρεται με βυτιοφόρα στη βόρεια Γερμανία, όπου διοχετεύεται με εισπίεση μέσα σε μια εξαντλημένη πηγή φυσικού αερίου (υπεδαφικός ταμιευτήρας) για μόνιμη αποθήκευση. Ακολουθεί συνεχής παρακολούθηση (monitoring) του αποθηκευμένου υλικού.

To πρώτο βιομηχανικής κλίμακας εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής με χρήση της τεχνολογίας CCS εγκαταστάθηκε το 2014 στο Estevan της πολιτείας Saskatchewan του Καναδά, περίπου 16χλμ απ' τα σύνορα Καναδά/ΗΠΑ (Βόρεια Ντακότα), Πρόκειται για ανακατασκευή ήδη υφιστάμενης μονάδας ηλεκτροπαραγωγής, ηλικίας 46 ετών, κι όχι για εξαρχής κατασκευή νέου εργοστασίου.Το κατακρατούμενο διοξείδιο  διατίθεται στην εταιρεία Cenovus Energy, που διαχειρίζεται κοιτάσματα πετρελαίου σε απόσταση 50-60χλμ, για διοχέτευση στο υπέδαφος προς αύξηση της ανάκτησης πετρελαίου. Μέρος του διοξειδίου αποθηκεύεται σε ένα κοντινό αλατούχο ψαμμιτικό ταμιευτήρα, σε βάθος 3,4χλμ.

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι 
http://www.co2geonet.com – Ευρωπαϊκό Δίκτυο Αριστείας στη Γεωλογική Αποθήκευση του CO2 (European Network of Excellence on the Geological Storage of CO2)
http://www.cgseurope.net – Πανευρωπαϊκή δράση συντονισμού για τη γεωλογική αποθήκευση του CO2 (Pan European coordination action on CO2 geological storage)

Τεχνολογίες αντιρρύπανσης
Τεχνολογίες αερίων