Mit CO2 Strom erzeugen

Einspeisung in unterirdische Methanhydrat-Vorkommen könnte Luft reinigen und Einnahmen schaffen

Eine in den vergangenen zehn Jahren erforschte Methode, der Luft CO2 zu entziehen, könnte durch eine in in Water Resources Research publizierte Computersimulationsstudie einen Schritt in Richtung Praxis bedeuten – so Mark Fischetti am 17.07.2019 in Scientific American. In dem Verfahren soll CO2 der Außenluft oder Industrieabgasen entnommen und in tiefen Methanhydratvorkommen dauerhaft gespeichert werden. Das einströmende CO2 würde das Methan ausstoßen, das an der Oberfläche eingesammelt und zur Stromerzeugung, zum Antrieb der Sequestrierung oder zur Finanzierung verwendet werden könnte.

Methanhydrate sind Ablagerungen von gefrorenen, gitterartigen Wassermolekülen 800 bis 1.000  Meter unter der Meerersoberfläche. Das Netzwerk hat leere, molekulargroße Poren oder Leerräume, die durch Risse im Gestein aufsteigende Methanmoleküle “einfangen” können. Eine Computersimulation zeigte nun, dass das Ersetzen des Methans durch CO2 stark verbessert wird, wenn zusätzlich Stickstoff in hoher Konzentration eingespeist wird, und, dass der Gastausch ein zweistufiger Prozess ist: In einem Schritt gelangt der Stickstoff in die Poren; dies destabilisiert das eingeschlossene Methan, das aus den Käfigen entweicht. In einem separaten Schritt hilft der Stickstoff bei der Kristallisation von CO2 in den Poren. Das gestörte  System “versucht, ein neues Gleichgewicht zu erreichen; die Bilanz geht zu mehr CO2 und weniger Methan”, sagt Kris Darnell, Leiter der am 27.06.2019 in der Zeitschrift Water Resources Research veröffentlichten Studie.

Abstract aus Water Resources Research

Hydrate sind feste aus Gasmoleküle umschließenden “Wasserkäfigen” bestehende Phasen, die große Mengen an rückgewinnbarem Erdgas aufnehmen können und dazu dienen können, CO2 auf geologischer Zeitskala zu binden. Die meisten Hydratstudien konzentrieren sich auf Hydrate, die eine einzelne Gaskomponente enthalten, wie beispielsweise CH4 oder CO2. Es gibt jedoch mehrere Einstellungen, in denen mehrere Komponenten Hydratgemische oder gemischte Hydrate bilden, einschließlich einer unterirdischen Injektionstechnik, die gleichzeitig CH4 gewinnen und CO2 absondern kann, genannt “Gastmolekülaustausch”. Hier kombinieren wir das Mehrkomponenten-Phasenverhalten für hydratbildende Systeme mit einem mehrphasigen Fluidströmungssimulator, um die Entwicklung der Hydrat- und Nicht-Hydratphasen während der unterirdischen Injektion zu verstehen. Wir simulieren verschiedene Szenarien für Systeme aus H22O, CH4, CO2 und N2. Unsere Studie untersucht die Auswirkungen der Injektionszusammensetzung der anfänglichen Reservoirzusammensetzung und des Transports jeder Komponente durch die Modelldomäne. Wir beobachten die chromatographische Trennung vom kombinierten Effekt der kompositorischen Aufteilung in jeder Phase, die variable Strömungsgeschwindigkeit jeder Phase und die kompositorische Abhängigkeit der Phasenstabilität. Wir zeigen, dass N2 die chromatographische Trennung vorantreibt, um eine CH4-freie Zone und eine CO2-freie Zone zu schaffen, die durch eine kontinuierliche N2-dominierte Dampfphase verbunden sind. Obwohl unsere Ergebnisse theoretisch sind und experimentell validiert werden sollten, bedeuten sie, dass der “Gastmolekülaustausch” eher als zwei sequentielle Prozesse als als als ein simultaner Prozess funktioniert. Darüber hinaus zeigen sie, dass Injektionen in Reservoirs mit und ohne freies Wasser ein sehr unterschiedliches Verhalten aufweisen, was sich auf die Interpretation des Feldtests “Gastmolekülaustausch” und verschiedener Laborstudien auswirkt.

Die Technik ähnelt im Prinzip der, die Anfang 2010 von Steven Bryant et al. an der University of Texas untersucht wurde. Neben zahlreichen Methanhydratablagerungen verfügt die Golfküste über große Becken mit heißer, salziger Sole im Sedimentgestein unter der Küste. In diesem System würden Pumpen CO2 an ein Ende einer Lagerstätte abgeben, was die Sole in ein Rohr zwingen würde, das am anderen Ende platziert ist und zurück an die Oberfläche führt. Dort strömte die heiße Sole durch einen Wärmetauscher, wo Wärme entzogen und für industrielle Prozesse oder zur Stromerzeugung genutzt werden konnte. Die Auftriebssole enthält auch etwas Methan, das abgesaugt und verbrannt werden kann. Das CO2 löst sich in der Untergrundsole auf, wird dicht und sinkt weiter unter der Erde, wo es theoretisch bleibt.

Beide Systeme stehen vor großen praktischen Herausforderungen. Einer davon ist die Erzeugung eines konzentrierten CO2-Strömungsstroms; das Gas macht nur 0,04 Prozent der Luft und etwa 10 Prozent der Schornsteinemissionen eines typischen Kraftwerks oder Industriebetriebs aus. Die Gaskonzentration erfordert daher enormen Energieaufwand. Eine weitere große Herausforderung für den Methanhydratansatz ist die Sammlung des freigesetzten Methans, das durch zahlreiche Risse und in alle Richtungen einfach aus der Lagerstätte austreten könnte.

Schlussfolgerungen aus Water Resources Research

Wir zeigen, dass Stickstoff die chromatographische Trennung beschleunigt, wenn er in methanhydrathaltige Sedimente injiziert wird. Diese chromatographische Trennung beleuchtet den Mechanismus, der den “Gastmolekülaustausch” im Vergleich zu reinen Kohlendioxid-Injektionen verbessert. Insbesondere destabilisiert Stickstoff Hydrat und bevorzugt Partitionen in die Dampfphase, so dass es einen schnellen Weg für Stickstoff gibt, rasch durch die Region zu gelangen und das ursprüngliche Methanhydrat zu dissoziieren. Dies gilt unabhängig davon, ob Kohlendioxid mit Stickstoff zusammen eingespritzt wird oder nicht. Wenn Stickstoff mit Kohlendioxid an einer Mischungszusammensetzung außerhalb der Hydratstabilitätszone zusammen eingebracht wird, bilden Stickstoff und Kohlendioxid ein Mischhydrat mit geringer Sättigung in einer vorübergehenden Front, die auf die stickstoffgetriebene Dissoziation folgt. Im Gegensatz dazu bilden  Injektionsgemische innerhalb der Hydratstabilitätszone, wie reines Kohlendioxid oder stickstoff- und kohlendioxidreiche Mischungen, Hydrate mit hoher Sättigung nahe dem Injektionspunkt, die das Potenzial haben, den Fluss vollständig zu blockieren.
Dieses spezifische Verhalten ist jedoch nur möglich, wenn zunächst in der Domäne freies Wasser vorhanden ist. Darüber hinaus zeigen diese Ergebnisse, wie Stickstoff mit oder ohne Druckentlastung genutzt werden kann, um Methan aus Hydraten zu erzeugen. Unsere Ergebnisse zeigen den Unterschied im Verhalten, das auftritt, wenn freies Wasser zunächst im Speicher vorhanden ist oder nicht. Behälter mit anfänglich freiem Wasser haben das Potenzial, den Fluss zu blockieren, während Behälter ohne anfänglich freies Wasser dies nicht tun. Daher ist es notwendig, die Injektionszusammensetzung sorgfältig einzuschränken, wenn zunächst freies Wasser vorhanden ist, aber weit weniger wichtig, wenn nicht zuerst freies Wasser vorhanden ist. Aus diesem Grund müssen Laborexperimente den Feldbedingungen sehr nahe kommen, um aussagekräftig oder prädiktiv zu sein.
Die chromatographische Trennung während der Injektion in hydrathaltige Sedimente kann über den Austausch von Gastmolekülen hinaus auf andere physikalische Gegebenheiten anwendbar sein, aber es sind zusätzliche Laborarbeiten erforderlich, um unsere Ergebnisse zu validieren. Wir empfehlen die Validierung unserer Ergebnisse durch Durchflussexperimente, bei denen die Zusammensetzung des Abwassers kontinuierlich gemessen wird und der innere Bereich kontinuierlich überwacht wird, um die Phasen- und Zusammensetzungsprofile im gesamten Bereich zu bewerten. Diese Experimente können testen, ob eine chromatographische Trennung stattfindet und ob es irgendwelche Einschränkungen beim Stoffaustausch gibt, die gegen die Annahmen der Gleichgewichts-Thermodynamik verstoßen.
Unser Modellierungsrahmen ist allgemeingültig und kann neu formuliert werden, um die dynamische Entwicklung anderer mehrkomponentiger hydratbildender Systeme zu untersuchen, wie beispielsweise den dynamischen Aufstieg von thermogenem Gas in marinen Sedimenten. Während des Aufstiegs durchläuft das thermogene Gas mehrere Hydratstabilitätszonen, in denen jede Komponente in verschiedenen Tiefen Hydrat bildet. Die Nettokonsequenz wäre ein Gradient in der Hydratzusammensetzung mit den schwersten Kohlenwasserstoffen in den tiefsten Tiefen. Während die tatsächliche geologische Einstellung innerhalb von Druck- und Temperaturgradienten liegt, könnte eine einfache 1-d, horizontale Strömung wie die hier vorgestellten Ergebnisse eine Kontrolle erster Ordnung über das erwartete chromatographische Verhalten ermöglichen.

Angesichts dieser Gegebenheiten gibt es heute (noch) wenig wirtschaftlichen Anreiz, Methanhydrate zur CO2-Sequestrierung zu verwenden. Aber wenn die Konzentration in der Atmosphäre steigt und sich der Planet weiter erwärmt, könnten Systeme, die das Gas einfangen und zudem Energie oder Einnahmen für den Betrieb des Prozesses bereitstellen könnten, interessanter werden als CCS-Verfahren.

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