Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-312
Authors: Kopp, Andreas
Title: Evaluation of CO2 injection processes in geological formations for site screening
Other Titles: Bewertung von CO2 Injektionsprozessen in geologische Formationen zur Standortauswahl
Issue Date: 2009
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
Series/Report no.: Mitteilungen / Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, Universität Stuttgart;182
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-45182
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/329
http://dx.doi.org/10.18419/opus-312
ISBN: 978-3-933761-86-6
Abstract: The concentration of greenhouse gases in the atmosphere has increased due to tremendous human fossil fuel consumption since the Industrial Revolution. This is most likely the cause for an observed global increase in the average temperature and for the changing climate. It is expected that further global warming will have drastic ecological and economic impacts. No single technology will be sufficient to achieve the necessary emission reductions. Carbon dioxide capture and storage (CCS) is a promising technology which could make a substantial contribution. It is a process which captures CO2 from large local sources and then stores it away from the atmosphere. Storage capacity estimates for deep saline aquifers are most promising. The initial procedure for selecting a few aquifers for a CCS project is called site screening. Aquifers identified in site screening then have to prove their suitability in further investigations. Site screening is a challenging task, since usually few data are available and the prognosis of the complex processes occurring in a reservoir after CO2 injection is difficult. This study aims at improving the insight into CO2 injection processes in geological formations to assist site screening. The criteria in site screening include the estimation of the storage capacity, which should be sufficient to store the long-term production of the CO2 source, and the long-term ability to store CO2 ,which is related to the efficiency of the project and risk arising due to possible CO2 leakages. At first, the statistical characteristics of storage sites in potential geological formations are calculated by analysis of a large database. The parameter ranges and distributions are used to define typical reservoirs and serve as a basis for generating random reservoir setups respecting statistical characteristics. The relation of forces occurring in reservoirs after CO2 injection is analysed by dimensional analysis. By the identification of dominant forces and processes, reservoirs with different parameter setups are compared with respect to their potential CO2 storage capacity and risk. A sophisticated concept for estimating the CO2 storage capacity of geological formations is developed. Detailed, time-dependent storage-capacity estimates are calculated in numerical experiments. The results are interpreted using the simultaneously calculated ratios of forces. The influence of individual reservoir parameters on storage capacity and risk is investigated in a sensitivity analysis. Finally, a risk analysis on potential CO2 leakage through pre-existing wells is performed. In numerous numerical experiments, individual parameters are randomly sampled from the statistical parameter distributions and leakage is calculated. A risk surface is derived which represents the average risk for CO2 leakage through pre-existing wells for any site with unknown reservoir properties.
Aufgrund des enormen Verbrauchs an fossilen Brennstoffen in den letzten 160 Jahren, stieg die Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphäre stark an. Dieser Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen ist mit größter Wahrscheinlichkeit die Ursache für den weltweiten Temperaturanstieg und die beobachteten Klimaveränderungen. Man erwartet, dass ein weiterer Temperaturanstieg zu tiefgreifenden ökologischen Veränderungen und ökonomischen Belastungen führen wird. Eine einzelne Technologie oder Maßnahme wird die nötige Verringerung der Treibhausgasemissionen nicht leisten können, deshalb muss gleichzeitig eine ganze Reihe an Maßnahmen ergriffen werden. Zu diesen Maßnahmen gehören z.B. eine effizientere Energiegewinnung und -nutzung, der Ausbau der Nutzung regenerativer Energien, die erhöhte Verwendung treibhausgasarmer Brennstoffe sowie die Abscheidung des CO2 im Abgasstrom von großen CO2-Produzenten und die anschließende Einlagerung in tiefe geologische Schichten oder der Tiefsee (CCS). Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Abscheidung und Speicherung von CO2 in tiefen geologischen Schichten. Mit der vorliegenden Arbeit soll das Prozessverständnis von CO2 Injektionen in geologische Formationen verbessert werden um die anfängliche Standortauswahl innerhalb einer Region zu unterstützen. Diese Phase eines Projekts ist typischerweise durch einen Mangel an detaillierten Standortinformationen gekennzeichnet. Um eine Vorauswahl treffen zu können, muss dennoch die Speicherkapazität einer Formation abgeschätzt werden. Außerdem muss die Eignung der Formation das CO2 über lange Zeiträume sicher verwahren zu können nachgewiesen werden. Dieser Nachweis ist nötig um den Projekterfolg sicherzustellen sowie eventuelle Risiken zu vermeiden. Die Untersuchung dieser Fragestellungen erfolgt in dieser Arbeit über die statistische Analyse einer Datenbank relevanter Formationsparameter, sowie über analytische und numerische Experimente.
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