Die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) wird immer häufiger als Hilfsmittel zur Bewältigung der globalen Erwärmungskrise angeführt, indem die Treibhausgasemissionen durch die Abscheidung von Kohlendioxid und die Speicherung tief unter der Erde reduziert werden. In der dänischen Nordsee lagern Kreidefelsen unter dem Meeresboden erschöpfte Öl- und Gasreserven und werden nun für die Speicherung von Kohlendioxid in Betracht gezogen, um von der bereits geschaffenen Infrastruktur der fossilen Brennstoffindustrie zu profitieren.
Allerdings wurden neue Forschungsergebnisse veröffentlicht in Meeres- und Erdölgeologie hat die potenziellen Probleme berücksichtigt, die sich aus der Wechselwirkung des gespeicherten Kohlendioxids mit im Gestein verbliebenen Öl- und Gasrückständen (Kohlenwasserstoffen) ergeben, die bei Kreide bis zu 30 % und bei Sandsteinen bis zu 60 % ausmachen können.
Rasmus Stenshøj von der Universität Aarhus, Dänemark, und Kollegen vom Energy & Environmental Research Center, USA, führten ein Experiment mit einer Kreideprobe von wenigen Zentimetern aus der Oberkreide (vor 66 bis etwa 100 Millionen Jahren) aus dem Halfdan-Feld durch die Nordsee.
Die Forscher stellten die Umweltbedingungen des Gesteins vom Meeresboden nach, bevor sie über einen Zeitraum von neun Tagen überkritisches Kohlendioxid (wenn es ab einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck sowohl die Eigenschaften eines Gases als auch einer Flüssigkeit aufweist) in das Gestein injizierten. Anschließend verwendeten sie eine Reihe chemischer und physikalischer Techniken, um die in Gesteinsproben vorhandenen Kohlenwasserstoffe zu analysieren, die vor und nach der Injektion von überkritischem Kohlendioxid entnommen wurden.
Abhängig von der Temperatur liegen verschiedene Formen von Kohlenwasserstoffen vor: Leichtöl bei 0–100 °C, bewegliches Öl bei 100–200 °C, halbbewegliches Öl bei 200–300 °C, unbewegliches Öl bei 300–375 °C und Bitumen bei 375–650°C.
Erste Ergebnisse zeigten, dass das überkritische Kohlendioxid dazu führte, dass sich leichtere Kohlenwasserstoffe durch das Gestein bewegten, während schwerere Formen wie Bitumen und asphaltenreiches unbewegliches Öl zurückblieben. Dies kann zu Blockaden bei der Mobilisierung des Kohlendioxids durch das Gestein führen und die Effizienz des Systems zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung beeinträchtigen.
Wichtig ist, dass die Forscher herausfanden, dass die Druckänderung am Austrittspunkt des Systems zu mehr Bitumen und anderen schweren Kohlenwasserstoffablagerungen führte, die hier bis zu 10,5 % des gesamten Gesteinsvolumens ausmachten, während dies vor dem Experiment nur 4,17 % waren. . Insgesamt besteht ein deutlicher Trend zur zunehmenden Ablagerung schwerer Kohlenwasserstoffe im System bis zum Austrittspunkt, was vermutlich auf die Absorption von Kohlenwasserstoffen durch das überkritische Kohlendioxid zurückzuführen ist, das seine Löslichkeit verändert. Stenshøj und seine Mitarbeiter bezeichnen diese zunehmende Bitumenmenge vom Einlass bis zum Auslass als Lawineneffekt.
Die Prozentsätze immobiler Kohlenwasserstoffe und Bitumen rund um den Einlass vor und nach der Injektion sind einigermaßen ähnlich, was die Forscher als Beweis dafür anführen, dass das überkritische Kohlendioxid durch die Rohölphase mobilisiert wird, um leichtere Kohlenwasserstoffe zur Entfernung durch das System zu extrahieren und das schwerere Bitumen zurückzulassen. Es wird vermutet, dass dies auf eine direkte Druckkraft des Öls durch das Kohlendioxid und nicht auf eine Spaltungskraft zurückzuführen ist.
Die Analyse der Proben unter einem Mikroskop vor der Injektion ergab, dass die Poren im Gestein eine Mischung aus Wasser und Öl enthielten. Nach der Mobilisierung des Öls durch überkritisches Kohlendioxid verteilte sich letzteres jedoch in den Gesteinsporen und ersetzte das Wasser und sammelte sich sogar in den mikroskopisch kleinen Schalen an der alten Fossilien von Organismen, die als Foraminiferen bekannt sind. Dies geschieht, wenn das Öl durch Kapillarkräfte in die wasserdominierten Poren gezogen wird, wodurch die Probe stärker mit Öl gesättigt wird, was zu einer Farbveränderung in dunkleres Braun führt.
Die Löslichkeit von Kohlenwasserstoffen als Reaktion auf überkritisches Kohlendioxid ist ein komplexer Prozess, der durch Änderungen der Temperatur, des Drucks, des Kohlenwasserstoffgehalts und der Tone beeinflusst werden kann. Offensichtlich kann die Ansammlung schwererer Kohlenwasserstoffe an den Austrittspunkten zu einer Verstopfung des Kohlenstoffabscheidungs- und -speichersystems führen und dessen Effizienz beeinträchtigen. Angesichts der verstärkten Forschung zur Standortwahl dieser Speichersysteme auf der Grundlage des Kohlenwasserstoffgehalts bleibt die Möglichkeit, einen echten Unterschied zur globalen Erwärmung zu bewirken, verlockend.
Mehr Informationen:
Rasmus Stenshøj et al, Kohlenwasserstoffrückstände in einem dänischen Kreidereservoir und seine Auswirkungen auf die CO2-Injektivität, Meeres- und Erdölgeologie (2023). DOI: 10.1016/j.marpetgeo.2023.106424
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