複雑な玄武岩層における地質炭素隔離の複雑さを捉える

世界の二酸化炭素 (CO₂ ) エネルギー生産からの排出量は 2013 年から 2016 年にかけて毎年減少しましたが、この傾向は 2017 年に CO₂ エネルギーからの排出量は 32.6 ギガトンに達しました (WEO、2019 年)。この 1.6% の増加は、エネルギーベースの CO₂ で過去最高を記録しました 包括的な CO₂ 管理戦略は、世界をリードするエネルギー生産者によって採用されています。さらに、何十年にもわたって人為起源 CO₂ が着実に増加しています。 排出量は、大気中の CO₂ を着実に増加させています 濃度は 2013 年 5 月に 400 ppm に達し、現在はマウナロア天文台で 410 ppm を超えています (SIO, 2019)。

大気中の CO₂ が上昇することは広く受け入れられているため おそらく、現代社会の大きな課題は、人為起源の CO₂ を安定させるための技術的、社会的、政治的枠組みを見つけることです。

CO₂のポートフォリオ内 安定化戦略において有望な技術的解決策の 1 つは、CO₂ を回収するプロセスである炭素回収・隔離 (CCS) です。 点源発電機（すなわち、発電所、工場など）で、深い地層（> 800 m）に廃棄することにより、大気から隔離します。 CCS の有効性は、対象の貯留層に依存します。貯留層は、総貯留容量と、CO₂ を受け入れる能力によって測定されます。 注入し、漏れを防ぎます。

従来、CCS 研究は、枯渇した石油/ガス貯留層、深部の塩分貯留層、採掘不可能な石炭層などの堆積地層に焦点を当ててきました (Benson &Cole, 2008)。これらの堆積システムは一般に、はるかに低い導電率の地層によって覆われた高導電性の貯留岩によって特徴付けられます。後者は CO₂ を効果的にトラップします。 廃棄リザーバーに入れ、それが逃げるのを防ぎます。

堆積岩中の CCS は CO₂ に対して効果的であることが証明されていますが、 ストレージ、そのような形成はどこにも存在しません。その結果、研究者は現在、CCS の非伝統的な地層を調査しています。有望な岩石の種類の 1 つは洪水玄武岩です。これは、溶岩が地表を横切って流れ、冷えて固まるときに形成されます。このプロセスが広い地理的領域で繰り返し発生すると、デカン トラップ (インド)、シベリア トラップ (ロシア)、コロンビア川玄武岩群 (米国).

玄武岩層における CCS の動機は、CO₂ の混合物にさらされたときにカルシウム、マグネシウム、および鉄イオンを放出する鉱物組成にあります。 そして水。これらのイオンが水 - CO₂ に入ると 混合物、重炭酸イオンと反応して、方解石などの炭酸塩鉱物を形成します。このプロセスは、CO₂ に由来する炭素を永久に固定化します .玄武岩層でこの CCS をさらに促進するために、実験室および野外実験では、炭素の鉱化が急速に起こることが示されています。実際、アイスランドでの CarbFix パイロット テストでは、2 年足らずで 95% のミネラル化が実証されました (Matter et al., 2016)。

これらの実験室およびパイロット規模の実験は有望な結果を示していますが、産業規模の実装への移行には課題が伴います。たとえば、洪水玄武岩層は、CO₂ の潜在的な経路である広範な断裂ネットワークによって特徴付けられます。 鉱化する前に貯水池を脱出する。さらに、技術的な制限により、CCS に必要な深さ (>800 m) でこれらの破砕ネットワークを完全にマッピングすることができません。玄武岩の断裂ネットワークの導電率は異常な変動性を示すため、この不確実性はさらに悪化します (Jayne &Pollyea, 2018)。この不確実性の結果として、玄武岩層における CCS のリスク評価モデルは、かなりのエラーを起こしやすいということです。私たちの最新の論文では、洪水玄武岩層が CO₂ を受け入れることができる範囲を学習するために、確率論的 (統計ベースの) シミュレーション手法を実装することで、この不確実性を資産に変えています。 機械的に安定した状態での注射。

この研究は、米国ワシントン州南東部の Wallula Basalt Sequestration Pilot Project に基づいています。このパイロット プロジェクトは、玄武岩隔離技術の可能性を評価するために、米国エネルギー省によって開発されました。 2007 年から 2013 年の間に、ワルラ サイトは広範なサイトの特徴付けの対象となり、注入後のコア サンプルで広範な炭素鉱化作用を示した小規模なテスト注入で最高潮に達しました (McGrail et al., 2017)。洪水玄武岩層で産業規模の CCS 操作をテストするために、ワルラ ボアホールからのサイト特性データをコロンビア川高原の透水性の地球統計学的分析と組み合わせて、50 の同等確率の不均一貯留層を含む数値モデリング実験を開発しました。

それぞれの CO₂ を実行しました 同じ圧入圧力で 20 年間の圧入モデルを調べたところ、1 回の圧入井からの圧入ポテンシャルは 0.1 から 200 万メートル トン (MMT) CO₂ の範囲であることがわかりました。 平均値は年間約 0.8 MMT です。参考までに、1,000 MW のガス火力発電所は、約 1.6 MMT の CO₂ を生成します。 これは、洪水玄武岩層が産業規模の CCS 操作に優れた圧入の可能性を示すことを示唆しています。ただし、これらの結果は、注入井戸のパフォーマンスが低下する可能性があることも示しています。その結果、貯留層の容量は CCS の有効性を検討する際に最も重要な要素の 1 つであるため、モデル研究は詳細な貯留層の特性評価の重要性を示しています。

この研究では、CO の前縁に熱異常があることもわかりました。 温度が 4℃ まで上昇するプルーム (図 2)。この加熱は CO₂ によって引き起こされます 発熱反応（熱を放出）である水に溶解します。 4C は貯留層温度の大幅な上昇であるため、私たちの研究は、温度が CCS 注入作業中の監視ツールとして使用できることを強く示唆しています。

要約すると、Jayne et al。 (2019) は、貯留層の貯留容量と特徴的な流体システムの挙動に関する重要な情報を提供する幅広い定量的データを生成します。次に、この情報を利用して、運用上のリスクを最小限に抑えるための定量的フレームワークを開発し、CO₂ を監視、測定、および検証するためのサイト固有の計画を開発できます。 隔離。この研究はコロンビア川玄武岩グループに固有のものですが、私たちの方法を利用して、他の地層における CCS に関連する不確実性を制限することができます。

参考文献: