به منظور دستیابی به اهداف معاهده پاریس که محدود ساختن افزایش دمای سطح زمین به 2 یا به طور ایده آل 1/5 درجه سانتیگراد می باشد، باید نشر خالص دی اکسیدکربن تا سال 2050 میلادی به صفر برسد. این هدف تنها در صورتی قابل دستیابی می باشد که چند راهکار به طور همزمان مورد توجه قرار گیرند و عملی شوند. در این میان، لایه های زیرزمینی طبق گفته آژانس بین المللی انرژی سهمی 20 تا 30 درصدی در کاهش انتشار دی اکسیدکربن دارند. این سهم به طور عمده مربوط به قرنطینه سازی دی اکسیدکربن در لایه های زیرزمینی و همچنین انرژی زمین گرمایی و ذخیره سازی انرژی در ساختارهای زیرزمینی می باشد. ذخیره سازی انرژی در لایه های زیرزمینی در راستای توسعه انرژی های تجدیدپذیر بسیار حائز اهمیت است چراکه این انرژی ها در حال حاضر به طور پیوسته قابل تولید نمی باشند. به این ترتیب این انرژی ها را می توان در دوران مازاد تولید ذخیره نمود و در مواقعی که نیاز به آنها از تولید پیشی می گیرد بازتولید نمود. از آنجا که باتری ها ظرفیت کافی برای ذخیره سازی انرژی ندارند، ذخیره سازی انرژی در قالب هیدروژن، هوای فشرده شده یا انرژی حرارتی در آبده ها نقشی اساسی در ذخیره سازی بهینه انرژی دارند.
جنبه منفی در توسعه این انرژی ها این است که تزریق و تولید سیال باعث تغییر فشار منفذی، دما، وضعیت تنش و ترکیبات شیمیایی لایه های زیرزمینی می گردد که می تواند در صورت ناپایدار ساختن شکستگی ها و گسل ها، زمین لرزه هایی به همراه داشته باشد. زمینه های مختلف ژئوانرژی که می توانند از نتایج بدست آمده از این پروژه بهره مند شوند، به طور مختصر در ادامه توضیح داده می شوند:
انرژی زمین گرمایی
انرژی زمین گرمایی یک منبع تجدیدپذیر انرژی می باشد که در سرتاسر جهان و بدون نواسانات روزانه و فصلی در دسترس می باشد. پروژه های توسعه انرژی زمین گرمایی معمولاً شامل تولید و تزریق از یک لایه زیرزمینی می باشند که یک لوپ بسته را تشکیل داده و سیال تولیدی مجدداً به درون زمین تزریق می گردد. بنابراین اگر این سیستم دارای نشت سیال نباشد، هیچ آسیبی به محیط زیست، جانوران و گیاهان نمی زند. سیال مورد استفاده در این سیستم بسته آب با غلظت بالای نمک می باشد چراکه دمای بالای لایه های زیرزمینی سرعت واکنش های شیمیایی انحلال کانی ها را بالا می برد. این غلظت بالای نمک های محلول در دماها و فشارهای نسبتاً پایین که شرایط حاکم در چاه در عمق های کم و نزدیک به سطح می باشد می تواند منجر به گرفتگی چاه شود (به عنوان مثال، Wanner et al., 2017). این مشکل اهمیت ترکیب ژئوشیمیایی سیال مورد استفاده در سیستم را آشکار می سازد. بنابراین باید ادوات مناسب برای جلوگیری از نشت این سیال به محیط زیست طراحی و تعبیه گردد. به عنوان یک جایگزین، استفاده از دی اکسیدکربن به جای آب به عنوان سیال گردشی در سیستم های زمین گرمایی پیشنهاد شده است (Brown, 2000 و Randolph and Saar, 2011). در این موارد نیز دی اکسیدکربن تولیدی در سطح زمین مجدداً به درون زمین تزریق می گردد که در صورت عدم نشت، خطری برای محیط زیست ایجاد نمی کند. به بیان دقیق تر، اگر دی اکسیدکربن در سطح زمین نشت کند خطری برای محیط زیست قابل تصور نیست چراکه دی اکسیدکربن از قبل در اتمسفر وجود دارد. اما اگر دی اکسیدکربن در ساختاری از جمله زیر ساختمان ها جمع شود می تواند خطرآفرین باشد و باعث خفگی در حیوانات و انسان گردد. بنابراین حسگرهای دی اکسیدکربن باید در امتداد خطوط لوله در سطح به کار گرفته شوند که هرگونه نشت احتمالی این گاز را به سرعت کنترل نمایند.
ذخیره سازی دی اکسید کربن
هدف از این امر ذخیره سازی دائمی مقادیر قابل توجهی از دی اکسیدکربن در لایه های عمیق زیرزمینی به منظور مقابله با تغییرات اقلیمی می باشد. اگر ذخیره سازی موفق باشد، دی اکسیدکربن به طور دائمی در لایه های عمیق زیرزمینی محبوس می گردد. با این وجود احتمال نشت مقادیر اندکی از دی اکسیدکربن تزریقی در امتداد چاه ها، گسل ها و همچنین پوش سنگ ها وجود دارد. نشت دی اکسیدکربن در امتداد چاه ها می تواند با رصد کردن پیوسته غلظت آن در سر چاه تشخیص داده شود. همانند نشتی که در یکی از چاه های پروژه پایلوت In Salah در الجزیره رخ داد که به سرعت شناسایی و ترمیم گردید (Ringrose et al., 2009). از سوی دیگر، نشت دی اکسیدکربن در راستای گسلها و پوش سنگ می تواند به طور پیوسته رخ دهد که شناسایی و مقابله با آن بسیار دشوارتر است. علاوه بر این، دی اکسیدکربن نه تنها با رسیدن به سطح زمین می تواند باعث صدمات محیط زیستی گردد بلکه در صورت رسیدن به لایه های حاوی آب شیرین و با اسیدی کردن آن و آزادسازی فلزات سنگین می تواند باعث آلودگی منابع آبی گردد (Wang and Jaffe, 2004). پوش سنگ دارای فشار موئینگی آستانه بالایی می باشد، بنابراین دی اکسیدکربن نمی تواند به راحتی و به مقدار زیاد به آن نفوذ کند. پس احتمال نشت دی اکسیدکربن در راستای پوش سنگ ها، مخصوصاً در صورت ضخیم و چندلایه بودن آنها بسیار ناچیز است (Birkholzer et al., 2009). بحث مهم دیگری که در این ارتباط مطرح بوده است امکان افزایش تراوایی گسل ها در صورت وقوع زمین لرزه های القایی و نشت دی اکسیدکربن می باشد (Zoback and Gorelick, 2012a, 2012b, 2015; Juanes et al., 2012; Vilarrasa and Carrera, 2015a, 2015b). سنگ بستر کریستالی در زیر لایه های رسوبی هدف برای ذخیره سازی دی اکسیدکربن معمولاً در وضعیت تنش های بحرانی برای فعال شدن گسل ها قرار دارند و نه خود لایه های رسوبی هدف (Vilarrasa and Carrera, 2015). از این رو زمین لرزه های القایی و افزایش تراوایی گسل ها در سنگ بستر نسبت به لایه های رسوبی هدف و لایه های فوقانی محتمل تر می باشند (Verdon, 2014). به علاوه، گسل ها در ساختارهای رسوبی بسیار ناهمگون می باشند چراکه لایه های متعدد مخزنی و پوش سنگ را قطع می نمایند. این امر از نشت دی اکسیدکربن در راستای گسل ممانعت به عمل می آورد (Rinaldi et al., 2014). به هر حال داده های ثبت شده باید مورد بررسی و تحلیل قرار گیرند تا هرگونه نشت دی اکسیدکربن به سرعت شناسایی شده و اقدامات لازم برای کنترل آن صورت گیرد (Zeidouni and Pooladi-Darvish, 2012).
ذخیره سازی انرژی به صورت هوای فشرده
در این روش ذخیره سازی انرژی، هوا در فشارهای بالا به درون آبدهها در دوران اضافه تولید انرژی های تجدیدپذیر تزریق می شود و در بازه های زمانی که تقاضا از میزان تولید این انرژی ها پیشی میگیرد، مجدداً به سطح زمین پمپ می شود. از آنجایی که سیال مورد استفاده در این روش هوا می باشد، هیچ خطری متوجه محیط زیست نیست. به هر حال، اکسیژن موجود درون هوای تزریقی باعث تغییر ترکیب شیمیایی آب می گردد. از این رو بهتر است این آب مورد استفاده قرار نگیرد.
ذخیره سازی گاز طبیعی
ذخیره سازی گاز طبیعی به طور معمول با هدف استراتژیک فراهم ساختن انرژی در زمان اوج تقاضا به کار گرفته می شود. زمانی که تقاضای کمتری برای انرژی وجود دارد (معمولاً در تابستان)، گاز در لایه های زیرزمینی ذخیره میشود تا در زمان اوج تقاضا مورد استفاده قرار گیرد. ریسک زمین لرزه های القایی در ذخیره سازی گاز طبیعی اندک می باشد چراکه به جز چند استثناء (به عنوان مثال مورد Castor)، 640 پروژه ذخیرهسازی گاز انجام شده در دنیا منجر به زمین لرزه ای که روی سطح زمین احساس شود نشده است. به هر ترتیب با توجه به اشتعال زا بودن گاز متان باید از هر گونه نشت این گاز جلوگیری شود.
از آنجایی که شکست هیدرولیکی معمولاً با زمین لرزه های القایی همراه است، توضیحاتی در رابطه با این تکنیک و کاربرد آن در ژئوانرژی ها ارائه مینماییم:
تکنیک شکست هیدرولیکی
شکست هیدرولیکی شامل تزریق سیال در فشارهای بالا به منظور شکست سنگ می باشد. فشار تزریق سیال به گونه ای است که تنش موثر حداقل اعمالی بر مقاومت کششی سنگ غلبه نموده و منجر به ایجاد و رشد شکاف در راستای عمود بر تنش موثر حداقل گردد. از این روش برای افزایش تراوایی سنگهای کم تراوا استفاده می شود. اگرچه شکست هیدرولیکی به منظور افزایش بهره وری مخازن زمین گرمایی می تواند حائز اهمیت باشد، این تکنیک بیشتر به علت کاربرد گسترده آن در توسعه شیل های گازی مورد توجه قرار گرفته است. سیال تزریقی غالباً آب می باشد اما استفاده از دی اکسیدکربن به عنوان سیال شکست نیز پیشنهاد شده است (Middleton et al., 2015). در صنعت شیل گازی معمولاً برای افزایش کارایی شکست هیدرولیکی افزایه هایی در سیال تزریقی به کار گرفته می شود که می تواند برای محیط زیست مخاطره آمیز باشد. همچنین آب باز تولید شده پس از عملیات شکست هیدرولیکی به علت در تماس بودن با رادیونوکلئیدهای موجود در شیل رادیواکتیو می باشد. بنابراین سیال بازتولید شده پس از شکست هیدرولیکی شیل های گازی باید با دقت و احتیاط زیاد پردازش گردد. از سوی دیگر، شکست هیدرولیکی لرزه های کوچکی (میکرولرزه) ایجاد می نماید که غالباً در سطح زمین احساس نمی شوند. در موارد معدودی برهم کنش شکاف هیدرولیکی ایجاد شده و یک گسل در مجاورت آن منجر به افزایش فشار و لغزش گسل شده و زمین لرزه هایی ایجاد نموده است که در سطح زمین احساس شده اند. در چنین شرایطی می توان گفت که زمین لرزه های حس شده به طور مستقیم از شکست هیدرولیکی نشأت نگرفته اند. به هر ترتیب باید به این نکته توجه نمود که ریسک محیط زیستی مرتبط با ترکیب شیمیایی آب بازتولید شده با ریسک مربوط به زمین لرزه های القایی کاملاً متفاوت می باشند. در واقع، اگرچه ریسک مربوط به زمین لرزه های القایی در شکست هیدرولیکی ناچیز می باشد، ریسک های محیط زیستی مربوط به این عملیات باید به طور اختصاصی و سایت به سایت مورد مطالعه و بررسی قرار گیرند.
مراجع
Birkholzer, J. T., Zhou, Q., & Tsang, C. F. (2009). Large-scale impact of CO₂ storage in deep saline aquifers: A sensitivity study on pressure response in stratified systems. International Journal of Greenhouse Gas Control, 3(2), 181-194.
Brown, D. W. (2000). A hot dry rock geothermal energy concept utilizing supercritical CO₂ instead of water. In Proceedings of the twenty-fifth workshop on geothermal reservoir engineering, Stanford University (pp. 233-238).
Juanes, R., Hager, B. H., & Herzog, H. J. (2012). No geologic evidence that seismicity causes fault leakage that would render large-scale carbon capture and storage unsuccessful. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(52), E3623-E3623.
Middleton, R. S., Carey, J. W., Currier, R. P., Hyman, J. D., Kang, Q., Karra, S., Jimenez-Martinez, J., Porter, M. L., & Viswanathan, H. S. (2015). Shale gas and non-aqueous fracturing fluids: Opportunities and challenges for supercritical CO₂. Applied Energy, 147, 500-509.
Randolph, J. B., & Saar, M. O. (2011). Combining geothermal energy capture with geologic carbon dioxide sequestration. Geophysical Research Letters, 38(10), L10401.
Rinaldi, A. P., Jeanne, P., Rutqvist, J., Cappa, F., & Guglielmi, Y. (2014). Effects of fault‐zone architecture on earthquake magnitude and gas leakage related to CO₂ injection in a multi‐layered sedimentary system. Greenhouse Gases: Science and Technology, 4(1), 99-120.
Ringrose, P., Atbi, M., Mason, D., Espinassous, M., Myhrer, Ø., Iding, M., Mathieson, A., & Wright, I. (2009). Plume development around well KB-502 at the In Salah CO₂ storage site. First Break, 27(1).
Verdon, J. P. (2014). Significance for secure CO₂ storage of earthquakes induced by fluid injection. Environmental Research Letters, 9(6), 064022.
Vilarrasa, V., & Carrera, J. (2015a). Geologic carbon storage is unlikely to trigger large earthquakes and reactivate faults through which CO₂ could leak. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201413284.
Vilarrasa, V., & Carrera, J. (2015b). Reply to Zoback and Gorelick: Geologic carbon storage remains a safe strategy to significantly reduce CO₂ emissions. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(33), E4511-E4511.
Wang, S., & Jaffe, P. R. (2004). Dissolution of a mineral phase in potable aquifers due to CO₂ releases from deep formations; effect of dissolution kinetics. Energy Conversion and Management, 45(18-19), 2833-2848.
Wanner, C., Eichinger, F., Jahrfeld, T., & Diamond, L. W. (2017). Causes of abundant calcite scaling in geothermal wells in the Bavarian Molasse Basin, Southern Germany. Geothermics, 70, 324-338.
Zeidouni, M., & Pooladi-Darvish, M. (2012). Leakage characterization through above-zone pressure monitoring: 2—Design considerations with application to CO₂ storage in saline aquifers. Journal of Petroleum Science and Engineering, 98, 69-82.
Zoback, M. D., & Gorelick, S. M. (2012a). Earthquake triggering and large-scale geologic storage of carbon dioxide. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(26), 10164-10168.
Zoback, M. D., & Gorelick, S. M. (2012b). Reply to Juanes et al.: Evidence that earthquake triggering could render long-term carbon storage unsuccessful in many regions. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(52), E3624-E3624.
Zoback, M. D., & Gorelick, S. M. (2015). To prevent earthquake triggering, pressure changes due to CO₂ injection need to be limited. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(33), E4510-E4510.