به دام‌اندازی ساختاری، پسماندی، انحلالی و معدنی: چهار سازوکار ذخیره‌سازی دائمی دی‌اکسید کربن در زیر زمین

تأسیسات صنعتی و نیروگاه‌ها در حال حاضر سالانه بیش از ۴۰ میلیون تُن متریک دی‌اکسید کربن را به سازندهای زمین‌شناختی عمیق تزریق می‌کنند و برای جداسازی این گاز گلخانه‌ای از جو، به معماری طبیعی زمین متکی هستند. همانطور که ما جذب و ذخیره‌سازی کربن را برای دستیابی به اهداف اقلیمی اواسط قرن گسترش می‌دهیم، امنیت این مخازن زیرزمینی کاملاً به چهار سازوکار متمایز به دام‌اندازی بستگی دارد: به دام‌اندازی ساختاری، پسماندی، انحلالی و معدنی.[1][7]

این فرآیندها در بازه‌های زمانی متفاوتی عمل می‌کنند و در مجموع تضمین می‌کنند که گاز تزریق‌شده هرچه بیشتر در زیر زمین باقی بماند، به طور فزاینده‌ای ایمن‌تر می‌شود. آژانس بین‌المللی انرژی در ارزیابی سال ۲۰۲۱ خود از این فناوری خاطرنشان کرد: «دی‌اکسید کربن را می‌توان در سازندهای زمین‌شناختی عمیق طی فرآیندی ذخیره کرد که تقلیدی از نحوه به دام افتادن نفت و گاز در زیر زمین برای میلیون‌ها سال است.»[1][6][7]

برای درک نحوه عملکرد این جداسازی، ابتدا باید به به دام‌اندازی ساختاری یا چینه‌شناسی نگاه کنیم. اپراتورها گاز را به سازندهای سنگی متخلخل – معمولاً آبخوان‌های شور عمیق یا مخازن نفت و گاز تخلیه‌شده – که حداقل ۸۰۰ متر زیر سطح قرار دارند، پمپاژ می‌کنند.[2][7]

در این عمق، فشار زمین‌شناختی عظیم و دمای بالاتر از ۳۱.۱ درجه سانتیگراد (۸۸ درجه فارنهایت) دی‌اکسید کربن را مجبور می‌کند تا به حالت سیال فوق بحرانی درآید. در این فاز، دی‌اکسید کربن مانند یک مایع متراکم می‌شود اما توانایی جریان یافتن از طریق منافذ میکروسکوپی سنگ را مانند یک گاز حفظ می‌کند.[6]

از آنجایی که این دی‌اکسید کربن فوق بحرانی شناور است و از آب شور سازند اطراف سبک‌تر است، به طور طبیعی از طریق سنگ مخزن نفوذپذیر به سمت بالا حرکت می‌کند. این حرکت تا زمانی ادامه می‌یابد که به یک لایه سنگ پوش نفوذناپذیر، مانند یک سازند ضخیم از شیل یا گِل‌سنگ، برخورد کند که به طور فیزیکی از حرکت عمودی بیشتر جلوگیری کرده و توده گاز را در جای خود نگه می‌دارد.[2][3][5]

همزمان که توده دی‌اکسید کربن به صورت جانبی در زیر سنگ پوش گسترش می‌یابد، یک سازوکار فیزیکی ثانویه به نام به دام‌اندازی پسماندی شروع به اثرگذاری می‌کند. سیال فوق بحرانی از طریق فضاهای متخلخل میکروسکوپی سنگ مخزن ماسه‌سنگ یا کربناته حرکت کرده و آب شور موجود را جابجا می‌کند.[1][3]

با این حال، با توقف تزریق و پیشروی توده، نیروهای مویینگی قطرات دنباله‌دار دی‌اکسید کربن را جدا کرده و آنها را به طور دائمی در باریک‌ترین گلوگاه‌های منافذ به دام می‌اندازند. این فرآیند مانند آبی عمل می‌کند که در یک اسفنج به دام افتاده است و بخش قابل توجهی از حجم تزریق‌شده را ظرف چند سال تا چند دهه بی‌حرکت کرده و از مهاجرت بیشتر آن جلوگیری می‌کند.[1][6]

با گذشت زمان، مهار فیزیکی به دام‌اندازی ساختاری و پسماندی از طریق به دام‌اندازی انحلالی به مهار شیمیایی تبدیل می‌شود. دی‌اکسید کربن فوق بحرانی به دام افتاده به آرامی در آب شور اطراف حل می‌شود، بسیار شبیه به حل شدن دی‌اکسید کربن در یک نوشیدنی گازدار تحت فشار.[1][3]

این انحلال اساساً دینامیک سیالات مخزن را تغییر می‌دهد. آب شور اشباع‌شده از دی‌اکسید کربن تقریباً ۱٪ متراکم‌تر از آب سازند اطراف می‌شود و باعث می‌شود به جای فشار آوردن به سمت بالا در برابر سنگ پوش، به عمق بیشتری از حوضه زمین‌شناختی فرو رود. این جابجایی ناشی از چگالی، فرآیند انحلال را تسریع کرده و خطر نشت به سمت بالا را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.[5][6]

نهایی‌ترین و دائمی‌ترین مرحله جداسازی زمین‌شناختی، به دام‌اندازی معدنی است، یک فرآیند ژئوشیمیایی که طی قرن‌ها تا هزاره‌ها آشکار می‌شود. هنگامی که دی‌اکسید کربن در آب شور سازند حل می‌شود، یک اسید کربنیک ضعیف ایجاد می‌کند که با سنگ‌های مخزن اطراف واکنش می‌دهد.[1][3][4]

این واکنش‌های ژئوشیمیایی آهسته، کانی‌های سیلیکات را در ماتریکس سنگ حل می‌کنند و کاتیون‌های با بار مثبت مانند کلسیم، منیزیم و آهن را آزاد می‌سازند. سپس کربن حل‌شده با این فلزات پیوند می‌یابد تا به صورت کانی‌های کربنات جامد، مانند کلسیت یا دولومیت، رسوب کند.[4][6]

پس از معدنی شدن، کربن به طور دائمی در ساختار سنگ جامد قفل می‌شود و هرگونه خطر انتشار آتی در جو را به طور کامل از بین می‌برد. در حالی که بازالت‌ها و برخی شیل‌های غیرمتعارف پتانسیل معدنی شدن سریع را نشان می‌دهند، آبخوان‌های شور عمیق – که بزرگترین حجم ذخیره‌سازی جهانی را ارائه می‌دهند – اغلب به هزاران سال نیاز دارند تا به به دام‌اندازی معدنی کامل دست یابند.[3][4]

فیزیک و شیمی این چهار سازوکار از طریق عملیات گسترده ازدیاد برداشت نفت و پروژه‌های ذخیره‌سازی اختصاصی به خوبی درک شده است. در سال ۱۹۹۶، تأسیسات گازی فراساحلی اسلیپنر (Sleipner) در نروژ اولین پروژه در مقیاس بزرگ شد که بر این سازوکارها متکی بود و از آن زمان تاکنون بیش از ۲۰ میلیون تُن متریک دی‌اکسید کربن را در عمق تقریباً ۱ کیلومتری زیر دریای شمال به طور ایمن ذخیره کرده است.[2][7]

با این حال، تعیین کمیت دقیق پیشرفت این سازوکارها برای سایت‌های جدید همچنان پیچیده است. سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده (U.S. Geological Survey) خاطرنشان می‌کند که تخمین کل ظرفیت ذخیره‌سازی نیازمند داده‌های بسیار محلی است، زیرا تغییرات در مورفولوژی سنگ پوش، نفوذپذیری مخزن و ترکیب کانی‌ها تعیین می‌کند که دی‌اکسید کربن با چه سرعتی از به دام‌اندازی ساختاری به معدنی منتقل می‌شود.[2][5]

تحلیل ما از این بازه‌های زمانی همپوشان، یک اصل حیاتی ذخیره‌سازی زمین‌شناختی را آشکار می‌کند: امنیت مهار یک سایت با میزان وابستگی آن به سنگ پوش فیزیکی نسبت معکوس دارد. در حالی که به دام‌اندازی ساختاری مهار اولیه لازم را فراهم می‌کند، شروع متعاقب به دام‌اندازی پسماندی، انحلالی و معدنی به این معنی است که خطر شکست سنگ پوش در طول زمان زمین‌شناختی به صفر نزدیک می‌شود.[1][6][8]

آژانس بین‌المللی انرژی پیش‌بینی می‌کند که نیازهای ذخیره‌سازی جهانی از حدود ۴۰ میلیون تُن متریک امروزی به بیش از ۵۰۰۰ میلیون تُن متریک سالانه تا سال ۲۰۵۰ افزایش خواهد یافت. همانطور که این صنعت برای پاسخگویی به این تقاضا مقیاس می‌یابد، تعامل این چهار سازوکار زمین‌شناختی، قابلیت اجرای استراتژی اصلی جهان برای مدیریت انتشار صنایع با دشواری کاهش را تعیین خواهد کرد.[7]