I undergrunden venter der CO₂ fire forskellige skæbner

Lagring kræver lagerplads, og det er der helt enormt meget af i undergrunden. Hulrummene er bittesmå, men til gengæld er der fantastisk mange af dem mellem mineralkornene i de forskellige bjergarter. CO₂-lagring udnytter, at CO₂ fastholdes i de hulrum på flere forskellige måder.

Under grundvandsspejlet er stort set alle hulrum fyldt med vand. Lidt som hvis man forestiller sig en forstenet bade­svamp under vand. Ligesom i en bade­svamp er alle disse bittesmå vandfyldte hulrum, kaldet porerum, forbundet med hinanden på kryds og tværs. Derfor kan vand strømme igennem de underjordiske bjergarter fra porerum til porerum.

Det samme gælder for gasser, for eksempel CO₂. De underjordiske formationer, der typisk vil kunne bruges til CO₂-lager, udgør til tider tykke lag og kan dække flere hundrede kvadratkilometer. Det giver en meget stor samlet lagringskapacitet for CO₂.

Se video: Lagring af CO2 i undergrunden

Porøse bjergarter

Der er stor forskel på porerummene i de forskellige bjergarter, man finder i undergrunden, herunder hvor mange og hvor store de er. Altså hvor stor en andel af bjergartens samlede volumen de udgør (porøsitet). Derudover kan det også variere, hvor godt forbundne de er med hinanden (permeabilitet).

Sandsten er en af de bjergarter, der ofte både er porøse og permeable i en sådan grad, at væsker og gasser har let ved at strømme igennem dem. Det gør sandsten til en god såkaldt reservoirbjergart, altså en type sten, der kan indeholde for eksempel CO₂.

De gode lagringsegenskaber har deres udspring i den måde, sandstenen er dannet på. Sandsten er, som navnet antyder, lavet af sand. De individuelle sandkorn består ofte af mineralet kvarts og har i sin tid været en del af et bjerg eller klippe et sted. Vind og vejr slider hele tiden små stykker af, som siden føres med floder, gletsjere eller med vinden. Der hvor floden løber, vil noget af sandet synke ned til bunden og med tiden blive begravet under nye lag af sand. Det samme sker i fjordene og langs kysterne – sandet ophobes lige så stille. Over mange tusinde år bliver det til mange meter sand.

Når havniveauet har ændret sig gennem tiderne, er kystlinjerne samtidig rykket frem eller tilbage, og så er der blevet aflejret sand et nyt sted. Der, hvor der før var kyst og blev aflejret sand, er der måske i stedet blevet dybere vand, hvor der er mindre strøm og mindre bølgepåvirkning. Her vil der så typisk aflejres langt flere finkornede partikler, for eksempel ler, som også efterhånden danner et tykkere og tykkere lag.

Efter lang tid er det gamle sandlag blevet dækket af et overliggende lag af ler, og begge dele er begravet så dybt af nytilkomne aflejringer, at det er blevet mast sammen til fast sten. Henholdsvis sandsten og lersten. Både sandstenen og lerstenen har porerum, men i lerstenen er de så små, at det næsten er umuligt for noget at trænge igennem. Da sandkorn er meget større end lerpartikler, vil porerummene i sandstenen være tilsvarende større, og det gør sandstenen lettere for væsker og gasser at strømme igennem.

Til CO₂-lagring leder man efter netop kombinationen af et porøst og permeabelt sandstenslag med et eller flere isolerende lerstenslag ovenpå. Den porøse og permeable sandsten er ideel til lagring af gas som CO₂, og modsat sikrer lerstenens lave porøsitet og permeabilitet, at CO₂’en ikke stiger op.

Olie og gas i undergrunden

I nogle områder af undergrunden er der ikke vand i porerummene, men fossile brændstoffer. Det er områder, hvor der for millioner af år siden er tilført mere dødt organisk materiale, end bakterier og svampe har kunnet nå at nedbryde. Det materiale, der ikke er blevet nedbrudt, er med tiden blevet begravet dybere og dybere og er undervejs blevet omdannet til olie, gas eller kul.

Fire forskellige lagringsmåder

Når et passende reservoir er udvalgt, undersøgt og testet, kan CO₂’en pumpes derned. Det er ren, komprimeret CO_2, der pumpes ned, men nede i reservoirets porerum vil den indgå i flere forskellige processer (se illustrationer herunder). Meget af den vil relativt hurtigt blive opløst i porevandet, på samme måde som CO₂ findes i en uåbnet cola. Noget CO₂ kan over meget lang tid reagere med ustabile mineraler i sandstenen eller lerstenen og indgå i nye mineraler, der afsættes i porerummene.

Afhængigt af reservoirbjergartens sammensætning af mineraler og reservoirets øvrige egenskaber vil det være forskelligt, hvor meget af CO₂’en der bliver lagret på de forskellige former, og hvor hurtigt. Det er kun ved akkumulering (1. proces herunder), at CO₂’en er mobil og kan bevæge sig opad mod overfladen, og den skal derfor holdes tilbage af et overliggende lag af tæt lersten. De øvrige tre processer fastholder selv CO₂’en i reservoiret.

Over tid vil mere og mere CO₂ undergå de tre stabiliserende processer, og derfor bliver lagringen endnu mere fast med tiden.

Sådan fordeles CO₂ i et underjordisk reservoir

1. Mobil Form

Når CO₂ pumpes ned i et underjordisk sandstenslag, vil den begynde at stig­e opad, fordi den er lettere end det saltvand, der ligger mellem sandkornene. CO₂’en stiger opad gennem porerummene, indtil den når det forseglende lag af f.eks. lersten, hvor den begynder at samle sig og fortrænge vandet oppefra og ned, indtil nedpumpningen stoppes (se konceptuel tegning herover samt figur herunder). Reservoiret kan altså ses som en omvendt skål, der fyldes til kanten med CO₂.

2. Fanget i små porer

Nogle porerum er så små og snævre, at CO₂-boblerne ikke kan komme igennem og ender i en blindgyde. På vej mod reservoirets top bliver en del af CO₂’en fanget på den måde. Når der ikke længere pumpes ny CO₂ ned, vil der i området omkring røret med tiden kun være den CO₂ tilbage, som sidder fanget (se gult område herunder). Resten har samlet sig i toppen (lysegråt område). Hvor meget CO₂ der demobiliseres i små porerum afhæng­er af reservoirbjergartens egenskaber. Nogle områder i reservoiret har måske mindre porerum end andre, så her vil mere CO₂ blive hængende tilbage.

3. Opløst

Nede i reservoiret møder CO₂’en med det samme vand­et i porerummene, og en del CO₂ vil blive opløst i vandet. Vand har dog en begrænset kapacitet til opløsning af CO₂, men fordi det opløste CO₂ gør vandet en  smule tungere, synker det langsomt mod bunden af reservoiret (se gult område herunder). Det giver hele tiden plads til lidt nyt saltvand i toppen, som kan komme i kontakt med den ophobede CO₂, som også opløses og synker mod bunden og så fremdeles. Processen tager dog meget lang tid, da det CO₂-holdige, tungere vand bevæger sig meget langsomt nedad gennem de små, snævre porerum.

4. Mineraliseret

Den opløste CO₂ kan reagere med visse mineraler i reservoirbjergarten, så der dannes nye mineraler. På den måde bliver en del af CO₂’en med tiden til en fast del af reservoiret. Processen kan foregå i alle de områder af reservoiret, hvor CO₂’en findes i opløst form (se gult område herunder). Hvor hurtigt det går, og præcis hvilke mineral­er der dannes, er afhængigt af bjergartens mineralske sammensætning, vandets saltindhold og pH. I sandsten er mineralisering den absolut langsomste af de fire processer og foregår hundreder eller tusinder af år.

Læs meget mere om sandsten, porøsitet og permeabilitet i Geoviden 1, 2019 om geotermi, som også foregår mellem sandkornene i den dybe undergrund.

Læs magasinet her (pdf)