Hydrogeochemical Impact of CO₂ Leakage from Geological Sequestration on Shallow Potable Aquifers

Abstract

Der er bred enighed om at klimaforandringer forårsaget af menneskeskabte CO2 udledninger er den mest umiddelbart forestående trussel for den moderne civilisation. Separation af CO2 og lagring i undergrunden også kaldet CCGS [Carbon Capture and Geological Storage (CCGS) er en af de mest lovende teknologier til, i hvert fald delvist, at afværge denne trussel og det er en teknologi der er indenfor rækkevidde. Separationen, kompressionen og injektionen af superkritisk CO2 i dybe salte grundvandsmagasiner er en teknik der er blevet kritiseret, ikke mindst på grund af den medfølgende forøgelse af energiforbruget, men i høj grad også fordi det vil udsætte overgangen til bæredygtige energiformer og medføre miljørisisci. Selvom det anses for meget usandsynligt, under forudsætning af omhyggelig udvælgelse af velegnede steder til underjordisk lagring, er lækage af CO2 fra CCGS en betydelig bekymring for såvel forskere og befolkningen. Lækagen ville kunne ske langs forkastninger eller efterladte boringer og ville i sidste ende resultere i en opadgående migration og en frigivelse til atmosfæren. Under migrationen ville CO2 opløses i grundvandet og danne kulsyre, forårsage vekselvirkninger mellem vandet og materialerne i grundvandssystemet og dermed ændre grundvandskemien. Derfor er det vigtigt at vi, forud for en implementering af denne potentielt nødvendige teknologi, har en forståelse af de miljømæssige konsekvenserer relateret til en lækage. I løbet af de sidste 10 år er der blevet forsket ihærdigt i at forstå de potentielle effekter af en lækage for at sikre at en velunderbygget beslutning om en eventuel implementering af CCGS. Forskningen kan overordnet siges at forsøge at besvare to centrale spørgsmål: Hvor skadeligt er et udslip for grundvandsressourcen? Og, hvordan kan det detekteres geokemisk? Undersøgelserne peger på nogle fælles forventede udviklinger i grundvandskemien, men mange af de hydrogeologiske og grundvandskemiske effekter som vil forårsages af en lækage der når et grundvandsmagasin med drikkevandskvalitet er stadig uklare. I dette ph.d. studie er der anvendt en integreret tilgang for besvare de to centrale spørgsmål relateret til lækage af CO2 ind i grundvandsmagasiner. Det indebærer at der er gennemført en kombination af laboratorie og feltundersøgelser understøttet af af numerisk modellering for at indentificere afgrænse og kvantificere de processer der kontrollerer grundvandskemiens udvikling. Udkommet er 4 tidsskrifsartikler (1 publiceret og 3 der er indsendt til tidskrifter) og 3 tekniske rapporter. I artikel I og teknisk rapport I er der brugt simple flaskeforsøg i kombination med detaljeret sediment karakterisering for at beskrive det sandsynlige effekter CO2 på grundvandskemien i en række typiske grundvandsmagasiner. Resultaterne viser at grundvandsmagasiner groft kan inddeles i tre typer, silikat dominerede, karbonat dominerede og blandede. Hver af magasin typerne viste en karakteristisk udvikling i grundvandskemien, som indebærer at de tilknyttede risisci vil variere. Disse studier peger på komplexiteten i risikovurderingen og detektionen da der over et givent CO2 lager kan ligge mange forskellige grundvandsbærende bjergarter. Undersøgelserne beskrevet i artikel II, III og teknisk rapport II kommer tættere på forholdene ved en virkelig lækage idet der ses på in situ effekter i et grundvandssystem med strømning. Et terrænnært grundvandsmagasin domineret af silikat mineraler er udgangspunktet for et forsøg med en sandfyldt strømrende, efterfulgt af et pilot og et længerevarende hovedforsøg med injektion a CO2 i grundvandsmagasinet. Hovedfeltforsøget indebar injektion af 1600 kg CO2 gas i Vrøgum magasinet i løbet af 72 dage samt udtagning af 770 vandprøver. Derudover blev der udtaget sedimentkerner før og efter injektionen for at se på ændringer i sedimentet og understøtte identifikationen af de styrende geokemiske processer. Resultaterne viser en betydelig sænkning af pH og stigning i den elektriske ledningsevne, men bortset fra Al koncentrationer der nåede 75 μmol/L var forringelsen af grundvandets kvalitet meget begrænset. Grundvandskemien vil udvikle sig i både tid og rum under en lækage og derfor vil risisci og de mest egnede metoder til at detektere en lækage også variere. Der blev observeret to hoved faser knyttet til en lækage, en puls hvor forhøjede koncentrationer af ioner bevægede sig med grundvandsstrømmen efterfulgt af en tiltagende forsuring når bufferkapaciteten opbruges, pga. opløsning af de reaktive mineraler. Opløste stoffer udviste 4 mønstre; 1. en puls i form af en front med maximal koncentration der bevægede sig med grundvandet (Ca, Mg, Na, Si, Ba og Sr), 2. en fortsat forøgelse af koncentrationen tæt på injektionen af pH følsomme stoffer (Al and Zn), 3. en komplet fjernelse til koncentrationer nær nul (Mn and Fe) og 4. ingen koncentrationsændringer af betydning (K). Artikel IV beskriver den geokemiske modellering some gennemført for at understøtte felt og laboratorie aktiviteterne og som når frem til at den centrale spiller er Al fra gibbsite opløsning som igen forårsager ionbytning i system og giver ophav til den grundvandsgeokemiske udvikling i Vrøgum magasinet. Modellen peger på en udtømning af det reactive gibbsite reservoir og dermed bufferkapaciteten som forklaring på den tiltagende observerede forsuring. Resultaterne peger på risisci forbundet med lækage og at den bedste måde at detektere en lækage vil ændre sig med tiden og tiltage med dybden. Konsekvensen er at skaderne på grundvandet vil forværres som en lækage modnes og vil variere med dybden.Climate change induced by anthropogenic CO2 emissions is widely accepted to be the greatest immediate threat faced by modern civilization. Carbon capture and geological storage (CCGS) is one of the most promising geoengineering technologies currently within reach by which to, at least partially, mitigate this threat. The capture, compression and injection of CO2 in supercritical state into deep saline aquifers is a technique which attracts criticism not least for its additional cost to energy production but more so for delaying transition to renewable energies and risks posed to the environment. Although considered highly unlikely following appropriate site selection, leakage of CO2 from CCGS forms a major concern for both scientists and the public. Leakage would potentially occur through faults or abandoned boreholes and ultimately result in upward migration and discharge to the atmosphere. During migration CO2 would dissolve into groundwater forming carbonic acid, induce water-rock reactions and thus change groundwater chemistry. Therefore prior to implementation of this potentially necessary technology, environmental risks associated with leakage must be understood. Over the past 10 years scientists have worked in earnest to understand the potential effects of leakage in order that an informed decision on CCGS implementation can be made. This research can be broadly described as aiming to answer two key questions; how deleterious is leakage of CCGS to groundwater resources? and can it be detected geochemically? Some common hydrochemical development is apparent from the literature however many aspects of hydrogeological and hydrogeochemical impact of leakage into shallow aquifers used in water supply remain unclear. In this Ph.D. study an integrated approach was employed in order to answer the two key questions regarding leakage of CO2 into shallow aquifers. Consequently a combination of laboratory and field investigations were conducted supported by numerical geochemical modeling in order to identify, constrain and quantify processes controlling groundwater chemistry evolution. The output is 4 journal articles (1 in press and 3 submitted) and 3 technical reports. In paper I and technical report I simple batch reactors were employed coupled to comprehensive sediment characterization to determine the likely effects of CO2 on water chemistry in a range of shallow aquifers. Results showed aquifers can be broadly divided into three types; carbonate dominated, silicate dominated and mixed. Each aquifer type showed distinct water chemistry evolution thus inherent risks vary. These studies also highlighted the complexity of risk assessment and detection caused by the range of formation types potentially overlying storage reservoirs. Investigations described in Papers II, III and technical report II increase applicability to real leakage by observing in situ effects including groundwater flow. A silicate dominated shallow aquifer in Vrøgum, western Denmark forms the focus of study upon which a series of investigations were conducted. The main field study involved injection of 1600 kg of gas phase CO2 into the shallow Vrøgum aquifer over 72 days with more than 770 water samples taken. In addition pre- and post-injection sediment cores were studied in order to assess sediment alteration and aid identification of controlling geochemical processes. Results show a significant lowering of pH and increase in electrical conductivity, but except for Al concentrations reaching up to 75 μmol/L, the detrimental effects on groundwater quality were limited. Groundwater chemistry evolves spatially and temporally during leakage, thus risks posed and the best methods for detection will also vary. In addition, 2 main phases of leakage were identified; a pulse phase of elevated ions moving with advective flow succeeded by increasing persistent acidification caused by buffering exhaustion (i.e. depletion of reactive minerals). Aqueous element concentrations were delineated into 4 generalized behaviors; 1. advective pulse (Ca, Mg, Na, Si, Ba and Sr,), 2. pH sensitive abundance dependent (Al and Zn), 3. complete removal (Mn and Fe) and 4. unaffected (K). Concentration behaviors were characterized by; 1. a maximal front moving with advective flow, 2. continual increase in close proximity to the injection horizon, 3. removal from solution to zero concentration and 4. no significant change. Paper IV describes geochemical modeling conducted in support of field and laboratory activities and proposes that gibbsite derived Al3+ driven cation exchange can explain the majority of the water chemistry evolution at Vrøgum. In addition buffering exhaustion/sediment depletion is corroborated explaining increasing acidification observed. Results infer risks associated with and how best to detect leakage will change with time and also increase with depth. Consequently water quality may become more deleterious as a leak matures and will vary with depth.</p