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H2020

OMNICS — Ergebnis in Kürze

Project ID: 653241
Gefördert unter: H2020-EU.1.3.2.
Land: Dänemark
Bereich: Grundlagenforschung, Klimawandel und Umwelt

Neue Forschungsarbeiten zur Kohlendioxidspeicherung in porösen Felsen

Forscher der Universität Kopenhagen haben bahnbrechende Forschungsleistungen zur geologischen Speicherung von Kohlenstoff erbracht, mit dem Schwerpunkt darauf, wie die Wechselwirkungen von gasförmigen, festen und flüssigen Bestandteilen die Struktur von porösem Felsgestein beeinflussen.
Neue Forschungsarbeiten zur Kohlendioxidspeicherung in porösen Felsen
Techniken der geologischen Kohlenstoffspeicherung könnten eine wichtige Rollen spielen, wenn es darum geht, die Risiken der Erderwärmung einzudämmen. Hinter der Technologie steht das Konzept, das ausgestoßene CO2 aufzufangen, bevor es in die Atmosphäre eintritt, und es dann tief unter der Erde bei hohem Druck in porösem Felsgestein zu lagern.

„Man muss unbedingt verstehen, wie sich die poröse Struktur über die Jahre entwickelt, um Kohlenstoff sicher und effektiv lagern zu können, weil das die Dichtungsintegrität, die Fähigkeit, CO2 zu injizieren und die Lagerkapazität einer geologischen Stätte beeinflusst“, betont Dr. Yi Yang, ein im Rahmen des Projekts OMNICS der Marie Skłodowska-Curie Maßnahmen geförderter Wissenschaftler. Für Fortschritte in diesem Bereich müssen Probleme der Charakterisierung überwunden und die hohen Rechnerkosten für die derzeit gängigen Modellierungsansätze reduziert werden.

Untersuchung der Sättigungsmechanismen

Zentrales Untersuchungsthema von OMNICS waren die Reaktionen, die sich zwischen dem CO2, den Flüssigkeiten und Mineralien in den unterirdischen geologischen Lagerstätten abspielen. „Vereinfacht gesagt: wie schnell sich ein poröser Fels während der Einwirkung einer Flüssigkeit auflöst, hängt von seiner Löslichkeit und davon, wie lange er ihr ausgesetzt ist. Je länger die Interaktion zwischen den festen und flüssigen Komponenten dauert, desto eher wird die Flüssigkeit gesättigt“, erklärt Dr. Yang. Sättigung bezieht sich hierbei auf die Menge gelöster Feststoffe in strömender Flüssigkeit. Das beeinflusst die Fähigkeit der Flüssigkeit, Feststoffe in gelöster Form zu transportieren; wenn der Wert hoch ist, wird die Lösungsgeschwindigkeit verlangsamt.

Dr. Yang erklärt weiter, dass das CO2-Gas unter die Erde gepumpt wird, wo es das Wasser versauert und Mineralien auflöst. Die reaktive Flüssigkeit fließt in eine durchlässigere Region und löst dort Mineralien auf, wodurch sie noch durchlässiger wird.

Die Reichen werden reicher

Durch diese Selbstverstärkung des Abflusses kommt es zu spontaner Kanalisierung der Flüssigkeit. Das Phänomen lässt sich mit dem Matthäus-Effekt aus der Soziologie vergleichen, bei dem aus ökonomischer Ungleichheit ein Mechanismus entsteht, der die Reichen reicher und die Armen ärmer werden lässt. In dieser Analogie ist das im Wasser gelöste CO2 das „Vermögen“ und die jeweilige besondere petrophysikalische und chemische Heterogenität im natürlichen porösen Material entspricht der Ungleichheit. Bei diesem dynamischen Prozess könnten gewisse mikrostrukturelle Eigenschaften schlussendlich das gesamte Strömungsfeld der Flüssigkeit bestimmen.

Mit Röntgenaugen

Der zugrundeliegende Erosionsmechanismus der Felsformationen durch diese Mischung von saurem Gas und Wasser zeigt ein ganz neues Szenario von Selbstorganisation in der Natur und bietet den Ansatzpunkt für OMNICS. „Im Kern wollen wir ein detailliertes und realistisches Bild der Entwicklung der Mikrostruktur im schaffen, während das mit CO2 angereicherte Wasser neue Strömungskanäle bildet“, so Dr. Yang.

In der ersten Phase haben die Forscher ein Probenvehikel gebaut, das die typischen Bedingungen in der Lagerstätte nachahmen kann. Dank dem Einsatz von Synchrotron-basierter RöntgenComputertomographie konnten die Forscher die mikrostrukturelle Evolution natürlicher poröser Medien in sehr kleinem Maßstab beobachten. Mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik konnte das Team außerdem nachverfolgen, was die poröse Struktur „sieht“, wenn das mit CO2 angereicherte Wasser die poröse Architektur durchquert.

Ein neues Reaktorennetzwerkmodell erlaubte es den Forschern, die Entwicklung von Strömungsnetzen bei der geologischen Speicherung von Kohlenstoff zu untersuchen. So konnten sie die topologischen und statistischen Eigenschaften des Netzwerks mit seiner Fähigkeit in Verbindung setzen, anthropogenes CO2 zu „verdauen“.

Doch mathematische Gleichungen mit der Struktur der Tomographie zu kombinieren, war nicht ohne Schwierigkeiten. Eine lag darin, den großen Informationsverlust auszugleichen, der entsteht wenn die Graustufendaten segmentiert werden. „In unserem Modell werden die Intensitäten der Graustufen genutzt, um jedes Voxel als individuellen Reaktor zu parametrisieren. Darum bleiben in dem Modell geometrische Informationen aus der 3D-Bildgebung erhalten und die zugrundeliegenden Gleichungen werden modifiziert, um die numerischen Simulationen zu optimieren“, erklärt Dr. Yang.

Das Reaktorennetzwerkmodell kann die Rechnerkosten zur Prognose der zeitlichen Evolution poröser Strukturen signifikant senken. Bis heute sind aus der Forschung in OMNICS vier begutachtete Publikationen entstanden.

Schlüsselwörter

OMNICS, porös, CO2, Fels, Reaktorennetzwerkmodell, Kohlenstoffspeicherung, Röntgen-Nanotomographie
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