Karbondioksitin Yeraltına Jeolojik Depolaması

Karbondioksitin tutum ve jeolojik depolaması, karbondioksitin temel durağan kaynaklardan (salınım yapan her
türlü faaliyetlerden) ayrıştırılıp uygun jeolojik formasyonlara enjekte edilmesiyle atmosfere salınmasını önlemeye yönelik bir yöntemdir.

KTD işleminin üç ana elemanı:
1. Tutum : Karbondioksitin diğer gazlı ürünlerden ayrıştırılması
2. Nakil : Uygun depolama sahasına taşınması
3. Jeolojik Depolama : Enjeksiyon kuyuları ile derin jeolojik formasyonlara pompalanması

Karbondioksit yeraltında birkaç mekanik avantaj ile kapatılmış olarak kalacaktır ki buna “Kapan Mekanizması” denir. Bu mekanik avantajlar:
-Geçirimsiz bir örtü tabakasının altında kapatma,
-Depolama formasyonunun boşluklarında hareketsiz bir fazda kapatarak hapsetme,
-Insitu formasyon suyunda çözünme,
-Kömür ve şistlerde organik madde üzerine adsorbsiyon
-Depolama formasyonunda ve örtü kayacında mineraller ile arasında karbonat minerallerini üreteceği bir
reaksiyon sonucu tecrit edilebilir.

Karbondioksitin Jeolojik Depolaması neden şuan da tamamen ilkim değişikliğini önleme seçeneği olarak görülmektedir?

Bunun için birkaç sebep vardır:
-Yapılan araştırma ve çalışmalar ile ticari projeler başarı ile yürütülmekte ve teknoloji güvenirliliği git gide artmaktadır.
-İklim değişikliğini önleme seçeneklerinin gerekliliğine yönelik ortak karardır.
-Atmosferdeki karbondioksit emisyonlarının derin indirgenmesine (%80 ve daha yüksek seviyede düşürülmesine) jeolojik depolama olanak sağlayabilir.

Karbondioksitin jeolojik depolaması sedimanter havzalarda çeşitli jeolojik ortamlar içerisinde yapılabilir:
-Tükenmiş petrol ve gaz rezervleri
-İşletilmeyen derin kömür yatakları
-Tuz formasyonları

Karbondioksit depolaması için uygun havzalar:
-Kalın sediment yığınları
-Tuzlu su ile doygun geçirgen kayaç formasyonları
-Düşük poroziteli kayaçlardan oluşan yanal devamlı bir örtü kayacı
-Yapısal kolaylık
gibi özelliklere sahip havzalardır.

Jeolojik Formasyonlarda Karbondioksit Depolama Mekanizmaları
Havzanın jeolojik, fiziksel ve jeokimyasal özelliklerinden faydalanılarak karbondioksitin tecrit edilmesi, kapan mekanizmaları olarak tanımlanır.

1. Fiziksel Kapan
1.1 Stratigrafik ve Yapısal Kapan
Şistler veya tuz yatakları gibi az geçirgen örtü kayaçları altındaki fiziksel kapan mekanizmasıdır. Yapısal özellikleri öne çıkan kıvrımlı veya çatlaklı kayaçlar, yapısal kapanı temsil eder.

1.2 Hidrodinamik Kapan
Yanal olarak kapalı olmayan ancak akışkanların uzun mesafeler boyunca çok yavaşça hareket edebileceği tuz formasyonlarında meydana gelir. Bir formasyona karbondioksit enjekte edildiği zaman karbondioksit, formasyon suyunun yerini alır ve sudan daha az yoğun olduğu için yüzer vaziyette yukarıya doğru göç eder.

2. Jeokimyasal Kapan
Karbondioksit, kayaç ve formasyon suyu ile bir seri jeokimyasal etkileşime maruz kalabilir. Karbondioksitin formasyon suyunda çözünmesi ile “Çözünürlülük Kapanı” meydana gelir. Çözünürlülük Kapanı, karbondioksitin formasyon suyu içerisinde çözünmesi ile yukarıya yüzeye doğru göçüne sebep olan kaldırma kuvvetlerinin ortadan kalkmasıdır.

Daha sonra kayacın çözünmesi ile pH oranındaki artışla birlikte iyonik boşluklar oluşacaktır. Son olarak bir miktar karbondioksit fraksiyonu, jeolojik depolamanın kalıcı formu olan durağan karbonat minerallerine dönüşebilir. Bu
olaya “Mineral Kapanı” denmektedir.

Formasyon suyunda karbondioksit çözünmesi, aşağıdaki gibi bir kimyasal reaksiyon ile gösterilebilir:
CO2(g) + H2O ↔ H2CO3 ↔ (HCO3)- + (H)+ ↔ (CO3)-2 + 2(H)+

Suda çözünen karbondioksit, bikarbonat iyonlarını oluşturan formasyon veya haznedeki sodyum ve potasyum bazik silikat veya kalsiyum, magnezyum ve demir karbonatları veya silikat mineralleri ile tepkiyen zayıf bir asit üretir. Bu kimyasal reaksiyon:
3 K-feldispat + 2H2O + 2CO2 ↔ Muskovit + 6 Kuvars + 2(K)+ + 2(HCO3)-

Depolama Formasyonları
1. Petrol ve Gaz Sahaları
a. Tüketilmiş petrol ve gaz sahaları
- Yapısal ve stratigrafik kapanlarda doğal olarak biriken petrol ve gaz, bu kapanların güvenliğini kanıtlayarak uzun süre bulundukları yeri terk etmemişlerdir.
-Çoğu petrol ve gaz sahalarının jeolojik yapısı ve fiziksel özellikleri kapsamlı bir şekilde çalışılmış ve tanımlanmıştır.
-Yeraltındaki hareketini, yer değiştirme şeklini ve hidrokarbon kapanımını önceden bildiren bilgisayar simülasyonları petrol ve gaz endüstrisinde geliştirilmiştir.
-Bu bölgelerde bazı altyapı ve kuyular, karbondioksit depolama işlemlerinde kullanılmak üzere halihazırda bulunabilir

b. Gelişmiş Petrol Kurtarımı Projesi
Formasyonun gözeneklerine hapsolan petrolün karbondioksit enjeksiyonu ile çıkarılması sonucu %5-40 oranında daha fazla petrol elde edilir.

c. Gelişmiş Gaz Kurtarımı Projesi
Gaz üretimini arttırmak amacıyla da karbondioksit yeraltına enjekte edilebilir. Gelişmiş gaz kurtarımı bugüne kadar sadece pilot ölçekte denemiştir.

2. Tuz Formasyonları
Hafif tuzlu su veya brinel ile doygun gözenekli derin sedimanter kayaçlardır. Jeotermal sahalarının jeolojik depolama potansiyeli, jeotermal enerji kullanımının artması nedeniyle uygun olmayabilir.

3) Kömür Tabakaları
Kömür tabakaları, sisteme permeabilite kazandıran bazı kırıklar içerir. Bu kırıklar arasında gaz moleküllerinin yayılabildiği ve sıkıca adsorblandığı birçok mikroboşluklar bulunmaktadır. Enjekte edilen karbondioksit, kömürün kırık sistemleri boyunca hareket edecek, kömür matriksinde yayılacak ve metan gibi gazları serbest bırakacak şekilde mikroboşlukların yüzeyinde adsorbe olacaktır.

Jeolojik Depolama Sahasının Güvenirliliğini Etkileyen Stratigrafik Faktörlerin Değerlendirilmesi
Bir Örtü tabakasının güvenirliliği, yarı sonsuz dağılımı ve fiziksel özelliklerine bağlıdır. Bir örtü kaya birimi özellikle tabanında olmak üzere litolojik anlamda üniform olmalı ve bölgesel özellikte olmalıdır. Eğer örtü tabakası bu
özellikleri karşılıyor ise, o halde ilgilenilen sorunlar kayacın fiziksel dayanımı, doğal ya da antropomorfik penetrasyonlar, örtü kayacı zayıflatan ya da porozitesi ile permeabilitesini arttıran muhtemel CO2-su-kayaç reaksiyonları olacaktır.

Saha Güvenirliliğini Etkileyen Jeomekanik Faktörler
Gözenekli ve geçirgen bir hazne kayaya karbondioksit enjekte edildiği zaman, karbondioksit çevre formasyonlardan daha yüksek bir basınç altında boşluklara nüfus edecektir. Bu basınç bir fay düzleminde harekete veya kırıkların açılmasına, böylece örtü kayanın ya da hazne kayanın deformasyonuna neden olabilir.

Saha Güvenirliliğini Etkileyen Jeokimyasal Faktörler
Hazne kayanın boşluk sisteminde su ve karbondioksitin karışması çözünmüş karbondioksit, karbonik asit ve bikarbonat yonlarını oluşturacaktır. Boşluk suyu pH’ını daha yüksek değerlere çıkaran (asitliği azaltan) kayaçlar karbondioksitin çözünmüş bir fazda depolanmasını kolaylaştırır. Karbondioksitçe zengin su, hazne kaya veya örtü kayadaki mineraller ile ya da boşluk suyu ile reaksiyona girebilir. Bu reaksiyonlar mineral erimesi ve kaya matriksinin potansiyel bozunmasına ya da mineral çökelimi ile boşluk sisteminin kapanmasına neden olabilir.

Depolama Güvenliğini Etkileyen Antropojenik Faktörler
Aktif veya terkedilmiş kuyular, maden şaftları ve yer altı üretimi gibi antropojenik faktörler depolama güvenliğini etkileyebilir. Depolama formasyonunda bulunan terkedilmiş kuyular sahaya özgü bir sorun olur. Çünkü karbondioksitin depolama formasyonundan yeryüzüne sızmasını sağlayabilir. Bundan dolayı terkedilmiş ve aktif kuyuların saptanması ve değerlendirilmesi, sahanın karakterize edilmesinde önemli bir konu durumundadır.

Karbondioksitin Jeolojik Depolama Sahasından Sızmasında İzleyeceği Yol ve İşlemler
-Eğer Karbondioksit örtü kayacına ulaştığında kapilar giriş basıncı yüksekse, şist gibi düşük permeabiliteli örtü kayaçların boşluk sistemleri boyunca kaçar.
-Örtü kayacındaki açıklıklar, kırıklar ve faylar boyunca kaçar.
-Zayıf bir şekilde kapatılmış ve/veya terkedilmiş kuyular gibi antropomorfik kanallar boyunca
karbondioksit formasyondan kaçabilir.

Jeolojik Depolama İçin Maliyet Unsurları
Karbondioksit depolaması için en önemli maliyet, kuyuların açılması ile altyapı ve proje yönetimidir. Bazı depolama sahalarında merkezileştirilmiş tesislerden saha içindeki kuyulara karbondioksitin dağıtılması amacıyla boru hatları kurulabilir. Gelişmiş petrol, gaz ve kömür yatağı metan kurtarımı seçenekleri için ek tesislerin kurulması gerekebilir. Bunların dışında maliyet hesaplamalarına dahil edilecek hususlar:
-Depolama sahası için gerekli izinlerin alınması,
-Jeolojik, Jeofizik ve mühendislik açıdan denetleme çalışmaları,
-Depolama başlamadan önce her türlü hazne çalışmaları,
-Depolama sırasında insan gücü, bakım ve yakıt masrafları,
-Bazı sahalarda elverişli terkedilmiş kuyuların iyileştirme çalışmaları. Bock ve diğ., (2003), Amerika’da tuz
formasyonları, tükenmiş petrol ve gaz haznelerinde yapılacak depolama çalışmasının maliyetinin 1,625 milyon US$ olacağını hesaplamışlardır (ayrıştırma ve nakil maliyeti hariç).

Bu metnin tamamı Ender Ragıp ARSLAN’a aittir. Bu metnin alındığı sunumu indirmek için tıklayın! (.pdf – 1,5 mb)

Arslan, E. R., 2009. Karbondioksitin Yeraltına Jeolojik Depolaması, Jeoloji Mühendisleri Odası İzmir Şubesi Semineri, İzmir, Türkiye, s. 43.