Nuova ricerca sullo stoccaggio del biossido di carbonio nelle rocce porose
Le tecniche di stoccaggio geologico del carbonio possono svolgere un ruolo importante nei nostri sforzi per limitare la minaccia del riscaldamento globale. L’idea alla base di questa tecnologia è quella di catturare il CO2 emesso prima che entri nell’atmosfera e immagazzinarlo poi sotto terra in profondità ad alta pressione, all’interno di rocce porose. «Sapere come la struttura porosa si evolve nel tempo è fondamentale per immagazzinare il carbonio in modo sicuro ed efficace perché ciò influisce sull’integrità della sigillatura, sull’iniezione di CO2 e sulla capacità di stoccaggio di un sito geologico», sottolinea il dott. Yi Yang, borsista di OMNICS (Observing, Modelling and Predicting in situ Petrophysical Parameter Evolution in a Geologic Carbon Storage System), un progetto nell’ambito delle azioni Marie Skłodowska-Curie. I progressi nel campo si basano sul superamento delle sfide tecnologiche di caratterizzazione e sulla riduzione degli alti costi computazionali degli attuali approcci di modellizzazione. I ricchi diventano più ricchi OMNICS si è concentrata sullo studio delle reazioni che avvengono tra CO2, fluidi di giacimento e minerali nei serbatoi geologici sotterranei. «In poche parole, quanto velocemente una roccia porosa si dissolve in un fluido dipende da quanto tempo è stata in contatto con quest’ultimo: più lunga è l’interazione tra i componenti solido e fluido, più il fluido si avvicina alla saturazione», spiega il dott. Yang. In questo caso, la saturazione si riferisce alla quantità di solido disciolto presente nel fluido che scorre e ciò influenza la capacità del fluido di trasportare le rocce come soluti; se il valore è alto, rallenta il tasso di dissoluzione. «L’acqua nei corsi in rapido movimento è meno satura e crea un circuito di retroazione positivo che porta a dissolvere i minerali più velocemente», osserva il dott. Yang, il quale spiega inoltre che, dopo che il CO2 viene pompato nel sottosuolo, il gas acidifica l’acqua e scioglie i minerali. Il fluido reattivo scorre verso la regione più permeabile e ne scioglie i minerali, rendendolo ancora più permeabile. Questo auto-miglioramento dello scarico del flusso porta alla canalizzazione spontanea del fluido. Il fenomeno è simile all’effetto San Matteo in sociologia, in cui una disuguaglianza economica porta al meccanismo «il ricco diventa sempre più ricco e il povero sempre più povero». Seguendo quest’analogia, il CO2 acquoso è il «patrimonio» e le eterogeneità petrolfisiche e chimiche intrinseche dei materiali porosi naturali sono le disuguaglianze. Durante questo processo dinamico, determinate caratteristiche microstrutturali potrebbero in definitiva determinare l’intero campo di moto del fluido. Vedere attraverso occhi a raggi X Il meccanismo grazie al quale questa miscela di gas acido e acqua erode le formazioni rocciose genera un nuovo scenario di auto-organizzazione in natura e pone le basi per OMNICS. «L’idea centrale è di generare un’immagine dettagliata e realistica della roccia serbatoio per determinare in che modo il CO2 aiuta a formare nuovi canali di flusso», osserva il dott. Yang. Nella prima fase, i ricercatori hanno costruito un ambiente campione che prevedeva, tra l’altro, la progettazione di una nave in grado di simulare le condizioni tipiche del giacimento. L’uso della tomografia computerizzata a raggi X con luce di sincrotrone ha consentito ai ricercatori di osservare l’evoluzione della microstruttura dei mezzi porosi naturali su dimensioni molto piccole. Con l’aiuto della fluidodinamica computazionale, il gruppo di ricerca è inoltre riuscito a tracciare la migrazione di CO2 e sperimentare ciò che esso «vede» mentre viaggia attraverso l’architettura porosa. L’uso di un nuovo modello di rete del reattore ha consentito ai ricercatori di studiare lo sviluppo delle reti di flusso nello stoccaggio geologico del carbonio e li ha aiutati a mettere in relazione le caratteristiche topologiche e statistiche della rete con la capacità di dissipare il CO2 antropogenico. Tuttavia, combinare le equazioni matematiche con la struttura tomografica non è stato privo di difficoltà, la maggiore delle quali è stata compensare la grande quantità di informazioni perse al momento di segmentare i dati in scala di grigi. «Nel nostro modello, le intensità di scala di grigi sono usate per parametrizzare ciascun voxel come un singolo reattore, pertanto il modello conserva le informazioni geometriche recuperate dalla tomografia e modifica le equazioni governanti per ottimizzare le simulazioni numeriche», spiega il dott. Yang. Il modello di rete del reattore può ridurre significativamente i costi computazionali per prevedere l’evoluzione delle strutture porose nel tempo. Al momento, la ricerca di OMNICS ha portato alla pubblicazione di quattro articoli sottoposti a revisione paritaria.
Parole chiave
OMNICS, poroso, CO2, roccia, modello di rete del reattore, stoccaggio del carbonio, nanotomografia computerizzata a raggi X