קיבוע פחמן
תהליכים פיזיים > קיבוע גאולוגי

קיבוע גאולוגי מתייחס לאגירת פחמן דו-חמצני בבטן האדמה, במאגרי נפט וגז מדוללים, בתצורות מלח או במשקעי פחם עמוקים שאינם ניתנים לכרייה.
לאחר לכידת פחמן דו-חמצני ממקור נקודתי, כגון מפעל מלט, הוא יידחס ל-≈100 בר כך שיהיה נוזל סופר קריטי (מעבר לנקודה הקריטית). בצורה זו קל יותר להעביר את הפחמן הדו-חמצני למקום האחסון דרך צינור. לאחר מכן הפחמן הדו-חמצני יוזרק עמוק מתחת לאדמה, בדרך כלל לעומק של כקילומטר, שם יהיה יציב במשך מאות עד מיליוני שנים. בתנאי אחסון אלו, הצפיפות של פחמן דו-חמצני בתצורת נוזל סופר קריטי היא 600 עד 800 ק"ג / מ"ק.
הפרמטרים החשובים בקביעת אתר לאחסון פחמן הם נקבוביות הסלע, חדירות הסלע, היעדר שברים גאולוגיים וגאומטריה של שכבות הסלע. המדיום שבו יש לאחסן את הפחמן הדו-חמצני באופן אידיאלי הוא בעל נקבוביות ובעל חדירה גבוהה, כגון אבן חול או אבן גיר. אבן חול יכולה להיות בעלת חדירות הנעה בין 1 ל-10−5 דארסי (Darcy) (אנ'), ויכולה להיות בעלת נקבוביות עד ≈30%. הסלע הנקבובי חייב להיות מכוסה בשכבה בעלת חדירות נמוכה הפועלת כאטם עבור פחמן דו-חמצני. פצל הוא דוגמה לאטם טוב, עם חדירות של 10-5 עד 10-9 דארסי. לאחר ההזרקה, מסת הפחמן הדו-חמצני תעלה באמצעות כוחות ציפה, מכיוון שהיא פחות צפופה מסביבתה. ברגע שהמסה תיתקל בשכבת סלע, היא תתפשט לרוחב עד שתיתקל בפער בלוח או בין לוחות. אם יש לוחות שבר ליד אזור ההזרקה, הפחמן הדו-חמצני יכול לנדוד לאורך השבר אל פני השטח ולדלוף לאטמוספירה, דבר שעלול להיות מסוכן לחיים מסביב. סכנה נוספת הקשורה לקיבוע פחמן היא סיסמיות מושרה. אם הזרקת פחמן דו-חמצני יוצרת לחצים גבוהים מדי מתחת לאדמה, התצורה הגאולוגית תישבר, ועלולה לגרום לרעידת אדמה.
כשפחמן דו-חמצני לכוד בתצורת סלע, הוא יכול להיות בשלב הנוזל העל-קריטי או להתמוסס במי תהום או מי מלח. הוא יכול גם להגיב עם מינרלים בתצורה הגאולוגית כדי לזרז יצירת קרבונטים. חברת Carbfix (אנ') פועלת לניצול הפוטנציאל שבכך.
קיבולת האגירה העולמית במאגרי נפט וגז מוערכת ב-675–900 ג'יגה-טון פחמן דו-חמצני. כמות הפחמן הדו-חמצני בתפרי פחם בלתי ניתנים לכרייה מוערכת ב-15–200 ג'יגה-טון. לתצורות מלוחות עמוקות יש הקיבולת הגדולה ביותר, המוערכת ב-1,000–10,000 ג'יגה-טון פחמן דו-חמצני. בארצות הברית, ההערכה היא שיש לפחות 2,600 ג'יגה-טון ולכל היותר קיבולת אכסון של 22,000 ג'יגה-טון פחמן דו-חמצני.
ישנם מספר פרויקטים של לכידת וסגירת פחמן בקנה מידה גדול שהוכיחו את הכדאיות והבטיחות של שיטת אחסון פחמן זו, ומפורטים באתר מכון CCS העולמי. טכניקת הניטור השלטת היא הדמיה סיסמית, שבה נוצרות רעידות שמתפשטות מתחת לקרקע. אפשר לעשות הדמיה של המבנה הגאולוגי על ידי הגלים השבורים או המשתקפים.
הפרויקט הגדול הראשון של קיבוע פחמן דו-חמצני, "סלייפנר" (Sleipner), החל בשנת 1996, והוא ממוקם בים הצפוני, שם מפרידה חברת StatoilHydro הנורווגית פחמן דו-חמצני מגז טבעי עם ממסים מקבוצת התרכובות האורגניות אמינים וטומנת את הפחמן הדו-חמצני באקוויפר מלוח עמוק. בשנת 2000, מפעל גז טבעי סינתטי מתודלק בפחם בבעולה (Beulah) שבצפון דקוטה הפך למפעל הראשון בעולם המשתמש בפחם שבו נעשית לכידה ואחסנה של פחמן דו-חמצני, בפרויקט הפחמן הדו-חמצני של חברת Weyburn-Midale. בעקבותיו הגיעו פרויקטים אחרים של קיבוע פחמן. מרכז מדידת השפעת האנרגיה (Energy Impact Center) (אנ') השיק את פרויקט OPEN100 בפברואר 2020, מתווה הקוד הפתוח הראשון בעולם לתכנון, בנייה ומימון של כור קטן וסטנדרטי למים בלחץ. בספטמבר 2020, מחלקת האנרגיה של ארצות הברית העניקה מימון פדרלי בסך 72 מיליון דולר כדי לתמוך בפיתוח וקידום טכנולוגיות לכידת פחמן.
בפחמן דו-חמצני נעשה שימוש נרחב לשם שחזור נפט גולמי בארצות הברית החל משנת 1972. בטקסס לבדה יש יותר מ-10,000 בארות שמזריקים פחמן דו-חמצני. הגז מגיע בחלקו ממקורות אנתרופוגניים (שימוש אנושי במקורות מחיה, מקורות שניצולם פולט פחמן דו-חמצני), אך הוא מגיע בעיקר מתצורות גאולוגיות גדולות טבעיות של פחמן דו-חמצני. הגז מועבר לשדות המייצרים נפט דרך רשת של למעלה מ-5,000 קילומטרים של צינורות פחמן דו-חמצני. הוצע שימוש בפחמן דו-חמצני לשיטות שחזור נפט משופרות (enhanced oil recovery, ובקיצור EOR) במאגרי נפט כבד באגן סלעי המשקע המערביים של קנדה (WCSB). עלות ההובלה נותרה מכשול חשוב. מערכת צינורות פחמן דו-חמצני עדיין לא קיימת ב-WCSB. כרייה בחולות הזפת של אלברטה, המייצרת פחמן דו-חמצני, נמצאת מאות קילומטרים צפונית למאגרי נפט גולמי תת-קרקעיים שיכולים להפיק תועלת רבה מהזרקות פחמן דו-חמצני.