Simulering av løpende sprekk i CO2-rør

Blogg med bidrag fra: Eskil Aursand, Stephane Dumoulin, Morten Hammer, Svend Tollak Munkejord, Håkon Ottar Nordhagen

Ifølge International Energy Agency (IEA) er CO₂-fangst og -lagring (CCS) det tredje viktigste tiltaket for å nå 2-graders målet i begrensning av global oppvarming. En viktig del av CCS-kjeden er transport av CO₂ fra fangst-sted (f.eks. kull/gass-kraftverk) til injeksjons/lagrings-sted.

Trolig vil CO₂ transport skje ved hjelp av rør og/eller skip. I det internasjonale forskningssenteret BIGCCS forskes det på hvordan man skal gjøre CO₂ transport både trygt og kostnadseffektivt.

Høyt trykk

For å transportere store nok mengder CO₂ med rør av fornuftig størrelse er det nødvendig å komprimere CO₂ til væsketilstand, ved trykk rundt 100 atmosfærer. Et viktig sikkerhetsaspekt ved slik rørtransport ved høyt trykk er en hendelse kalt løpende sprekk (Running Ductile Fracture, RDF). I en slik hendelse vil en liten sprekk/skade i røret begynne å utvide seg og løpe langs røret i begge retninger. I det verste tilfellet kan røret åpne røret på langs i hundrevis av meter, og forårsake store og farlige lekkasjer.

I en slik hendelse vil en liten sprekk/skade i røret begynne å utvide seg og løpe langs røret i begge retninger. I det verste tilfellet kan røret åpne røret på langs i hundrevis av meter, og forårsake store og farlige lekkasjer.

Tykkere stål er dyrt

Et viktig designkriterium for rør blir da å sørge for at en slik løpende sprekk vil stoppe i stedet for å løpe langs røret et stor distanse, for en gitt transportert væske eller gass. Dette kan gjøres ved å f.eks. bruke sterkere eller tykkere stål. Dessverre er sterkere og tykkere stål dyrt, så det å være alt for langt på den sikre siden vil gjøre rørene unødvendig dyre, og derfor gjøre det mindre sannsynlig at CCS blir implementert. På grunn av dette er det viktig å forutsi grensen imellom hva som fører til løpende sprekk og hva som fører til en stoppende sprekk, for å få til trygg og kostnadseffektiv CO₂ transport.

Gamle metoder gir feil resultat?

Denne utfordringen har lenge fått oppmerksomhet innen transport av naturgass, og semi-empiriske to-kurve metoder har blitt utviklet for å forutsi den nevnte grensen. Likevel er det en viktig forskjell sammenlignet med CO₂. Naturgass vil utvide seg fra høye trykk på jevnt vis, mens CO₂ vil gjennomgå en væske-til-gass fase-overgang. Dette har store konsekvenser for hvordan trykket utvikler seg i en slik hendelse, og er derfor også viktig for RDF. Mye tyder på at de gamle metodene gir feil resultater for CO₂ transport, og at det derfor er behov for nye metoder.

Som svar på dette har SINTEF Energi og SINTEF Materialer & Kjemi et samarbeid innen BIGCCS-senteret om å utvikle en mer avansert modell for RDF. Denne modellen forsøker å beskrive fenomenet i mye større detalj, ved å bruke en tett kobling imellom struktur/brudd-mekanikk og fluid/termo-dynamikk.

Resultater presenteres på TCCS-8

Nylige fremskritt innen dette arbeidet vil bli presentert på TCCS-8 17. juni. Nedenfor ser vi videoer av to simuleringer som viser noen av resultatene. Den første har løpende sprekk, mens den andre stopper relativt tidlig.

Med løpende sprekk

Test #1: Visualisering av en simulert løpende sprekk in et CO₂-rør. I dette tilfellet fører kombinasjonen av rør og fluid til en løpende sprekk som ikke stopper av seg selv.

Med stoppende sprekk

Test #2: Visualisering av en simulert løpende sprekk in et CO₂-rør. I dette tilfellet fører kombinasjonen av rør og fluid til en sprekk som stopper av seg selv.

I disse to testene var rørene helt like. Så hvordan kan det ha seg at sprekken stopper av seg selv i Test #2, men ikke i Test #1? Forskjellen ligger i temperaturen og trykket CO₂en har før hendelsen begynner. Som vist i figuren nedenfor vil dette føre til forskjellige metningstrykk, noe som er en av de mest viktige drivkreftene for RDF.

Faktisk vil testen med høyest trykk innledningsvis (Test #2) være tryggest med tanke på RDF, noe som er overraskende og kontra-intuitivt. Årsaken er at denne fører til et lavere metningstrykk. Dette illustrerer hvor viktig det er med termodynamiske beregninger når man skal modellere RDF.

Faktisk vil testen med høyest trykk innledningsvis (Test #2) være tryggest med tanke på RDF, noe som er overraskende og kontra-intuitivt.

Et temperatur-trykk plott sin viser metnings/koke-linja til CO2, og de isentropiske dekompresjonskurvene for Test #1 og Test #2. Trykket hvor dekompresjonskurvene treffer metningslinjen kalles metningstrykket, noe som er en viktig drivkraft for løpende sprekk.

Se også tidligere blogginnlegg på temaet CO₂ transport:

Dette arbeidet har blitt utført med støtte fra BIGCCS-senteret, under Norges Forskningsråd sitt program for Forskningssenter for miljøvennlig energi (FME). Forfatterne vil anerkjenne følgende partnere for sine bidrag: Gassco, Shell, Statoil, TOTAL, GDF SUEZ og Norges Forskningsråd.