Derfor er CO2-lagring sikkert

Helt siden begynnelsen har CO₂-fangst og -lagring (CCS), måtte svare på spørsmål om det faktisk er teknisk mulig å gjennomføre, og hvor trygt det er. Dette forskningsbaserte blogginnlegget ser på nøkkelspørsmål knyttet til sikkerhet og risiko ved fullskala CCS-implementering i Norge.

Selv om vi i denne teksten fokuserer på offshore-lagring under havbunnen gjelder mange av de samme prinsippene for undergrunnslagring på lang. Amerikanske NETL (The National Energy Technology Laboratory) publiserte nylig en teknisk rapport om trygg geologisk lagring på land. Om du interesserer deg for CO₂-lagring på land er den nyttig å lese sammen med dette blogginnlegget.

Hva er CCS, og hvorfor er det viktig?

CCS, eller CO₂-håndtering, består av en rekke teknologier og prosesser som tar sikte på å gi en betydelig reduksjon i utslipp av karbondioksid (CO₂). Dette oppnår man ved å fange og konsentrere CO₂-utslipp fra industriprosesser i stedet for å la det gå ut i luften, og deretter transportere og injisere det dypt under jorden. I Norge transporteres dette ned i saltvannsakviferer under havbunnen (porøse geologiske formasjoner som inneholder sjøvann) og forseglede reservoarer som tidligere har vært fylt med olje og gass.

Samtidig som tiltak for fornybar energi og energieffektivitet spiller en viktig rolle i kampen mot klimaendringer, anslår Det internasjonale energibyrået (IEA) at energietterspørselen kan øke med så mye som 45 % innen 2030. Dekarbonisering av den ikke-fornybare delen av energiproduksjonen er helt nødvendig når vi beveger oss mot det grønne skiftet. CCS er også den eneste teknologien som kan fjerne CO2-utlipp fra kritiske industrisektorer som sement- og metallproduksjon og avfallsforbrenning.

FNs klimapanel (IPCC) har slått fast at for å kunne nå de utfordrende målene i Paris-avtalen, må de globale CO₂-utslippene reduseres med 50–85 % innen 2050. IEA har kommet frem til at 14 % av den totale utslippsreduksjonen innen 2060 må komme fra CCS dersom vi skal kunne nå disse målene.

Trygg CO₂-lagring verden over

De betydelige lagringsmulighetene som er tilgjengelig over hele verden, kombinert med flere tiår med relevant industriell erfaring, gjør at CCS kan utgjøre en viktig del av svaret på klimautfordringene.

En rekke industriprosjekter som fortsatt er i aktivitet, har gjentatte ganger vist at denne teknologien har noe for seg, og prosessene og teknologiene vil bli ytterligere forbedret som følge av flere nye industri- og forskningsprosjekter som nå er i gang. For eksempel arbeider forskningssenteret NCCS(Norwegian CCS Research Centre) med å sette fart på implementeringen av CCS-løsninger ved å aktivt ta for seg de viktigste hindringene som er identifisert i demoprosjektene i industrien. NCCS skal være operasjonell over en periode på åtte år, og er finansiert av industripartnere og Norges forskningsråd.

I løpet av årene CCS-teknologien og -prosessene har blitt utviklet, har det blitt satt spørsmålstegn ved hvor sikkert og teknisk gjennomførbart CCS er. I dette blogginnlegget tar vi sikte på å bruke gjeldende vitenskapelig forskning som kunnskapsunderlag for å belyse de viktigste temaene knyttet til sikkerhet og risiko ved fullskala CCS-implementering i Norge.

Selv om vi her har fokus på offshore-karbonlagring under havbunnen, gjelder mange av de samme prinsippene for underjordisk lagring på land. Det amerikanske National Energy Technology Laboratory (NETL) publiserte nylig en teknisk rapport om sikker geologisk lagring på land, som det kan være nyttig å lese i sammenheng med dette blogginnlegget.

1. CCS er velprøvd teknologi

CCS har tatt skrittet fra teori til praktisk implementering for lenge siden. Over 40 anlegg verden over har vært eller er for tiden involvert i prosesser for trygg injisering av CO₂ til underjordiske deponier.

Siden 1996 har operasjonene i regi av Equinor og partnerne deres ved Sleipner-feltet i Nordsjøen injisert CO₂ inn i Utsira-formasjonen. Etter det har rundt en million tonn CO₂ blitt lagret på Sleipner-feltet hvert år. Lagring har også funnet sted på Snøhvit-feltet siden 2008.

Etter en mulighetsstudie gjennomført på oppdrag fra regjeringen ble det lansert et prosjekt for å utvikle en fullskala CCS-verdikjede i Norge innen 2024. Som en del av dette initiativet samarbeider Equinor, Total og Shell om Northern Lights-prosjektet, som har potensial til å realisere lagringskapasitet på opptil 1,5 millioner tonn CO₂ per år i første fase. Ytterligere utvidelser, som per nå begrenses av størrelsen på den planlagte rørledningen, kan øke den tilgjengelige kapasiteten til opptil 5 millioner tonn årlig.

De samlede erfaringene man har gjort seg i Norge og ellers i verden, har vist at det ikke finnes noen tekniske hindringer for implementering av CO₂-lagring i stor skala. Forskning utført av NCCS og andre tar løpende for seg spørsmål knyttet til tekniske optimaliseringer, juridiske barrierer, kostnadsreduksjoner og oppskalering av operasjoner.

Det er ikke mangel på plass, så CO₂-lagringsplasser kan velges ut med omhu

IEA anslår at mer enn 100 milliarder tonn lagringskapasitet er nødvendig for at vi skal kunne nå 14 %-målet. På verdensbasis er en potensiell kapasitet på mange ganger dette blitt identifisert. Bare i Norge viser teoretiske anslag at det finnes lagringskapasitet for 70 milliarder tonn CO₂ i akviferer og tidligere reservoarer for olje og gass, selv om ikke all denne kapasiteten er teknisk eller økonomisk hensiktsmessig å ta i bruk. Hvis 10 % av lagringsplassen blir tatt i bruk, kan dette imidlertid lagre omtrent 40 års CO₂-utslipp fra den europeiske sementindustrien.

Den pågående NCCS-forskningen på reservoarer vil redusere usikkerheten knyttet til egnetheten av mange av disse potensielle lagringsstedene og gi et mer presist anslag over kapasiteten de nærmeste årene.

Det at det ikke er mangel på lagringskapasitet i et globalt perspektiv, betyr at vi kan karakterisere og velge ut aktuelle lagringssteder basert på  etablerte industrielle praksiser og forskningsresultater. Dette arbeidet tar imidlertid tid og må igangsettes tidlig i prosessen.

Lagringsstedene på Sleipner- og Snøhvit-feltene samt formasjonene som vurderes som aktuelle i Northern Lights-prosjektet, er alle forseglet med flere hundre meter med takbergarter. I noen tilfeller kan sprekker i takbergartene ved potensielle lagringssteder begrense kapasiteten. Nye modeller for analyse av forseglingen, som nå er under utvikling i NCCS, kan redusere denne usikkerheten og dermed øke den tilgjengelige lagringskapasiteten.

2. CO₂-lagring er en lavrisikoprosess vi har god kunnskap om

Vi har mange års erfaring med håndtering av CO₂ i gassform eller flytende form, og i atmosfæriske miljøer eller miljøer under høyt trykk. I mange industrier brukes CO₂ til blant annet kjøling og til produksjon av kjemikalier og metaller. Vi har derfor god kunnskap om trygg håndtering av CO₂.

Lite sannsynlig med CO₂-lekkasjer

Minimumsdybden for CO₂-lagringssteder er 700 meter under havbunnen, slik at temperaturene og trykket er høyt nok til å holde CO₂-en i flytende eller i superkritisk tilstand. Mange prosjekter, som Northern Lights-prosjektet, går imidlertid så dypt ned som 3 000 meter under havbunnen. For lagringssteder som er valgt med omhu, vil det være flere steinlag (vanligvis skiferlag) som danner en ugjennomtrengelig barriere mellom CO₂-lagringsreservoaret og havbunnen.

Det er fire naturlige mekanismer som spiller en rolle i det å holde den injiserte CO₂-en trygt på plass.

• Strukturelle feller: Over den porøse steinen sørger ugjennomtrengelige lag av takbergarter for at lagret CO₂ ikke unnslipper eller lekker ut
• Samling i små porer: Porøse bergarter på lagringsstedet fungerer som en svamp som fanger opp dråper av CO₂
• Oppløsning: CO₂ oppløses i saltvann som allerede finnes i de porøse steinformasjonene
• Mineralisering: Over tid kan oppløst CO₂ reagere med mineraler og binde seg til steinen

Disse prosessene er godt forstått, slik at vi kan karakterisere og velge de mest egnede lagringsstedene på passende dybder.

FNs klimapanel¹ har oppgitt at nøye utvalgte og proaktivt administrerte lagringssteder sannsynligvis vil kunne holde på mer enn 99 prosent av den injiserte karbondioksiden over en periode på 1000 år. Siden 1996 har mange millioner tonn CO₂ blitt injisert og lagret på denne måten, uten at det har vært noen tegn på at det har forekommet lekkasjer.

Dersom det likevel skulle skje, noe som er svært usannsynlig, viser forskning publisert i Nature Climate Change² at det er liten risiko for at lekket CO₂ vil kunne forårsake langsiktig skade på menneskeliv eller miljø. Tester har vist at den biologiske virkningen og fotavtrykket til mindre lekkasjehendelser er begrenset til noen få titalls meter.

Steder for CO₂-lagring modelleres og overvåkes nøye

I tillegg til de naturlige mekanismene som holder den lagrede CO₂-en sikkert på plass, overvåkes lagringsstedene nøye for eventuelle tegn på at CO₂ siver ut til overflaten. Det finnes en rekke metoder for å kontrollere og forhindre at en identifisert risiko utvikler seg til en faktisk lekkasje. Disse er basert på flere tiår med operativ erfaring.

I Norge overgår lovkravene til overvåking av CO₂-lagring kravene som gjelder for den etablerte olje- og gassindustrien. CO₂-lagringsaktører må kunne vise at de overholder gjeldende lover og forskrifter og at all lagret CO₂ er forsvarlig sikret. På Sleipner-feltet er det et krav om overvåking av havbunnen for å oppdage tegn på eventuell CO₂-lekkasje.

CO₂-lagringsaktører gjør seismiske data og andre målinger tilgjengelig for forskere verden over, blant annet NCCS. Dette muliggjør testing, iterasjon og forbedring av metoder for avbildning og datamodeller for fremtidige prosjekter. Forskere fra NCCS har kunnet jobbe sammen med industrieksperter om å analysere overvåkingsdata fra både Sleipner og det fremtidige Northern Lights-prosjektet.

Slike overvåkingsdata viste også at lekkasjen av den biogene gassen som sev ut fra Hugin-sprekken i 2012, ikke hadde noen sammenheng med lagringsoperasjonene på Sleipner-feltet. På Sleipner-feltet analyserte uavhengige forskere data innhentet ved hjelp av seismiske undersøkelser av formasjonene under havbunnsoverflaten før injiseringen av CO₂, og deretter i intervaller på to år. Det de fant, var at lagringsstedet fungerte perfekt, uten tegn på lekkasje av CO₂ overhodet. Analyser av Hugin-sprekken, som befinner seg 25 km nordøst for Sleipner-feltet, ble presentert i et teknisk forskningsdokument³ på konferansen Near Surface Geoscience 2014 – 20th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics.

Overvåkingsdata ble også brukt til å effektivt redusere risikoen ved lagring på Snøhvit-feltet, slik at teamet kunne justere injeksjonsmetodene til å nyttiggjøre seg et bedre reservoar da tegn på trykkoppbygging ble fanget opp på et tidlig stadium.

Hvordan CO₂ arter seg ved underjordisk lagring

Naturlig forekommende CO₂  har ligget under jorden i tusenvis av år og vi har derfor god forståelse av egenskapene ved lagret CO₂.

Forskere fra NCCS ser også på hvordan vi kan øke mengdene CO₂ som kan lagres trygt i bestemte formasjoner. Denne informasjonen vil være et bidrag til  strategiske beslutninger knyttet til valg av lagringssted. En studie som ble presentert ved den tiende utgaven av Trondheim CCS Conference i 2019 viser hvordan kjemikalier som er utviklet for mobilitetskontroll kan gjøre at vannet fortrenges lettere av CO₂, slik at lagringskapasiteten i reservoaret optimaliseres.

Et nyutviklet risikoberegningsverktøy som bygger på metodikk fra distribusjonsnettverk for naturgass kan bidra til strategisk lagringsoptimalisering og langsiktig risikoanalyse, som vil fjerne noe av den økonomiske usikkerheten.

Solid forståelse av brønnintegritet

Selve brønnene utgjør fremdeles det mest sannsynlige risikomomentet for potensiell lekkasje, på grunn av de kunstige (menneskeskapte) transportrutene fra reservoaret til havbunnen. Injisering av CO₂ vil kjøle ned bergartene som ligger i nærheten av brønnen. Det forskes nå på effektene av de resulterende termiske påkjenningene i disse nærliggende områdene. Mye av forskningen som gjennomføres av NCCS har fokus på hvordan man skal unngå lekkasjer i områdene rundt brønnen, ved å sikre at det er flere barrierer mellom den lagrede karbondioksiden og overflaten.

Det har blitt forsket i mer enn 20 år på kvaliteten på sementen som er brukt i oljebrønner. Forskere i NCCS har undersøkt egenskapene ved sement som eksponeres for CO₂, særlig i gamle, forlatte brønner som befinner seg i nærheten av potensielle lagringssteder. Resultatene viser at nedbrytningen av sement – der dette overhodet forekommer – vil være på bare noen få millimeter i løpet av tusen år.

NCCS har kommet med anbefalinger til både optimal design og valg av materialer til nye brønner i tillegg til evalueringen av eksisterende brønner. Et NCCS spinn-off prosjekt i samarbeid med industripartnere vil gå videre med arbeidet med integritetsovervåking av gamle brønner.

Hvordan CO₂ arter seg under transport

Etter flere tiår med erfaringer fra naturgassindustrien har vi god kunnskap om gasstransport i rørledninger. I dag transporteres CO₂ gjennom en 150 km lang sjøbunnsrørledning fra Snøhvit-feltet til det norske fastlandet. I Nord-Amerika er det tusenvis av kilometer med rørledning for frakt av CO₂ som er installert og i drift. Equinor har tatt i bruk resultatene fra NCCS-forskningen på rørledningskorrosjon i Northern Lights-prosjektet.

Som et alternativ til rørledninger er skipstransport av CO₂ (ved omtrent 15 bar) en moden teknologi. Det norske selskapet Yara International har en flåte av tankskip til transport av CO₂. Hvert skip kan frakte opptil 1800 tonn flytende CO₂ på en sikker og kostnadseffektiv måte. For Northern Lights-prosjektet har man valgt en løsning der CO₂-fangsten fraktes under trykk på 15 bar. For fremtidige prosjekter har NCCS argumentert for at skipstransport ved lavere trykk kan være et sikkert alternativ som potensielt kan gi en vesentlig reduksjon av kostnadene ved CO₂-transporten.

3. Seismisk risiko ved CO₂-injisering og -lagring

Mange typer menneskelig aktivitet er forbundet med en viss risiko for å indusere seismisk aktivitet av lav grad, herunder olje- og gassvirksomhet og geotermisk energiproduksjon. Imidlertid er seismisk aktivitet av et omfang som oppleves som rystelser av mennesker (generelt med en styrke på over 4), vanligvis kun mulig når de forårsakes av naturkrefter.

Dersom seismisk aktivitet oppstår av andre grunner, er risikoen for CO₂-lagringen lav. Nordsjøolje og -gass er regelmessig utsatt for mindre jordskjelv, uten at det har vært påvist lekkasjer av olje og gass som følge av den seismiske aktiviteten. Nylig skjedde et jordskjelv med en styrke på 6 nær et pilotanlegg for karbonlagring i Japan. Man fant at jordskjelvet ikke var relatert til injeksjonsprosessen, og at lagringsstedet var tilstrekkelig godt sikret til at det ikke forekom CO₂-lekkasje som kunne registreres.

Håndtering av risikoen for aktivering av forkastninger gjennom trykkgrenser

Temaet aktivering av forkastninger (indusert seismisitet) har blitt grundig studert de siste årene i forbindelse med hydraulisk frakturering, også kjent som fracking. NCCS gjennomfører forskning som belyser risikoen for reaktivering av forkastninger i sammenheng med CCS. Det utvikles modeller for å vurdere virkningen av ulike nivåer av injeksjonstrykk for å definere sikre trykkgrenser. I USA har injeksjonsindusert seismisitet og mikrojordskjelv blitt omfattende studert i Illinois Basin – Decatur-prosjektet. Forskningen har vist at slike hendelser ofte forekommer for dypt til å kunne påvirke integriteten til takbergartene eller forårsake at det lekker CO₂.

Erfaringene våre fra CCS-demonstrasjonsprosjekter i Norge viser at mikroseismiske hendelser forekommer både med lav frekvens og i lave størrelsesordener. Ettersom mikroseismisk aktivitet kan være et tidlig tegn på kommende større seismiske hendelser, gjennomføres det for tiden flere forskningsprosjekter knyttet til dette emnet hos SINTEF, NGI og NORSAR.

Konklusjon: CO₂-lagring er en sikker løsning for å takle klimautfordringene

Norge har inngående ekspertise på gass i alle sine former og flere tiår med relevant industrierfaring. Dette betyr at karbonlagring i Norge er et trygt alternativ for dekarboniseringen av industrien over hele Europa. Med strenge prosedyrer for valg, drift og overvåking av utvalgte lagringssteder er sikkerhetsmarginen for norske CO₂-lagringssteder ekstremt høy.

Lagringskapasiteten og kompetansen som er tilgjengelig i Norge, gjør oss godt posisjonert for å være en leverandør av løsninger for CO₂-lagring for store deler av Europa. NCCS’ forskning bygger på dette grunnlaget og frembringer ytterligere innsikter for tryggere og billigere drift i stor skala.

Forfattere

Amy Brunsvold, Mona Mølnvik, Grethe Tangen, Inna Kim, Philip Ringrose, Elin Skurtveit, Pierre Cerasi, Peder Eliasson, Alv-Arne Grimstad, David Nikel

Videre lesning

NCCS – Norsk forskningssenter for CO₂-lagring: https://www.nccs.no/

Northern Lights-prosjektet: https://northernlightsccs.com/

Realisering av fullskala CCS i Norge: https://ccsnorway.com/

Andre referanser

1. IPCC spesialrapport: Carbon Dioxide Capture and Storage Summary for Policymakers.
2. Blackford, J., Stahl, H., Bull, J. M., Bergès, B. J., Cevatoglu, M., Lichtschlag, A., … & Naylor, M. (2014). Detection and impacts of leakage from sub-seafloor deep geological carbon dioxide storage. Nature climate change, 4(11), 1011-1016.
3. Near Surface Geoscience 2014 – 20th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics.
4. Safe Geologic Storage of Captured Carbon Dioxide: Two Decades of DOE’s Carbon Storage R&D Program in Review, National Energy and Technology Laboratory (NETL)-rapport, 13. april 2020.