Sendu inn spurningu

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Landsvirkjun - borði í orkumálaflokki

Hvernig fara vísindamenn að því að breyta koltvíoxíði í grjót?

Í gömlum ævintýrum eru oft sagðar sögur af tröllum sem verða að steini, steinrenna, þegar sólin nær að skína á þau. Í tilraunaverkefni á Hellisheiði, svokölluðu CarbFix-verkefni, hefur hópur vísindamanna og verkfræðinga fangað aðflutt koltvíoxíð og koltvíoxíð frá Hellisheiðarvirkjun og breytt því í stein. Koltvíoxíðið, sem einnig er stundum nefnt koltvíildi, er þá steinrunnið eins og tröllin í ævintýrunum. Við getum því kallað þetta að steinrenna koltvíoxíð.

Tiltekin steintegund, eins og til dæmis kalsít, er kölluð steind. Binding kolefnis í föstu efni steindar í bergi er öruggasta leiðin til þess að binda kolefni í jarðlögum, eins og sjá má á mynd 1. Þetta er jafnframt sú aðferð sem tekur lengstan tíma. Eins og sjá má á myndinni getur tekið 100 til 10.000 ár að steingera eða steinrenna hluta þess koltvíoxíðs sem dælt er niður í jarðlög. Því þarf að finna leiðir til þess að hraða leysingu koltvíoxíðs í vatni og hraða myndun steindanna.

Mynd 1: Mismunandi binding koltvíoxíðs í jarðlögum, hlutfall þeirra sem fall af tíma, og mismundi öryggi. Athugið að hlutfall stemmings-, afgangs- og leysnibindingar og steinrenningar er breytilegt eftir aðferðum við niðurdælingu og jarðlögum sem dælt er í. Hlutfall steinrenningar (steindabindingar) er hærra í basalti en sandsteini, sem er að mestu úr kvarsi. Þessi mynd og tímakvarðinn eiga einna helst við um sandstein. Öryggi bindingaraðferða eykst með tíma.1

Koltvíoxíð var leyst í vatni undir töluverðum þrýstingi (25 börum) í niðurdælingarholu í Þrengslum, sunnan við Hellisheiðarvirkjun, sjá mynd 2. Kolsýrða vatnið rann síðan um jarðlög á rúmlega 500 m dýpi í átt að vöktunarholu þar sem sýni voru tekin reglulega í 4 ár.

Mynd 2: Hellisheiðarvirkjun með aðrennslisrörum, sem flytja gufu og heitt vatn til virkjunarinnar, og afrennslisrör sem flytja affallsvatn og gas frá virkjuninni. Niðurdælingarhola og vöktunarholur CarbFix-verkefnisins eru um þremur kílómetrum sunnan við virkjunina.2

Þegar koltvíoxíð ($CO_{2}$) leysist í vatni ($H_{2}O$) myndast kolsýra (${H_{2}CO_{3}}^{\circ}$):

$$CO_{2}~+~H_{2}O~=~{H_{2}CO_{3}}^{\circ}$$

Jafnaðarmerkið í jöfnunni merkir að hvarfið getur gengið í báðar áttir.

Kolsýran (${H_{2}CO_{3}}^{\circ}$) sýrir vatnið þegar hún klofnar í bíkarbónat (${HCO_{3}}^{-}$) og karbónat (${CO_{3}}^{2-}$) og vetnisjónir ($H^{+}$) leysast úr læðingi:

$${H_{2}CO_{3}}^{\circ}~=~{HCO_{3}}^{-}~+~H^{+}$$

$${HCO_{3}}^{-}~=~{CO_{3}}^{2-}~+~H^{+}$$

Við það lækkar pH-gildi vatnsins í 3 til 4. Kolsýruvatnið er hvarfgjarnt, vetnisjónirnar ganga í bergið og við það leysast efni á borð við kalsín, magnesín og járn tiltölulega hratt úr berginu. Bergið í Þrengslunum á Hellisheiði er móberg og hraun, hvort tveggja svokallað basalt. Með sýringunni er leysingu bergsins hraðað. Þegar styrkur þessara efna er orðinn nægjanlegur í vatninu og styrkur vetnisjónarinnar hefur minnkað, ganga efnin í efnasamband við koltvíoxíðið og falla út sem föst efni, steindir. Þar með er koltvíoxíðið bundið og getur verið stöðugt þar í milljónir ára. Þessi efnahvörf eru dregin saman á táknrænan hátt á mynd 3.

Mynd 3: Efnahvörf
$$CO_{2}~+~H_{2}O~+~(Fe,~Ca,~Mg)^{2+}~=~(Fe,~Ca,~Mg)CO_{3}~+~2~H^{+}$$við steinrenningu koltvíoxíðs í basalti eru dregin saman á táknrænan hátt á myndinni. Koltvíoxíð ($CO_{2}$) er leyst í vatni við 25 bara þrýsting, sem er töluvert meiri en í flöskunni á myndinni. En koltvíoxíðþrýstingur í kampavínsflöskum getur verið allt að fjórum börum. Kolsýrða vatnið kemst í snertingu við basaltið og leysir meðal annars kalsín ($Ca$), magnesín ($Mg$) og járn ($Fe$) úr því. Þegar styrkur uppleystu efnanna er nægjanlegur í vatninu falla steindir eins og til dæmis kalsít ($CaCO_{3}$) úr vatninu. Þá er koltvíoxíðið bundið í steini, það er steinrunnið eins og tröllin í ævintýrunum.

Allt frá 2007 hefur CarbFix-hópurinn unnið að kolefnisbindingarverkefninu. Tilgangurinn var að þróa iðnaðarferli til bindingar á koltvíoxíði og þjálfa unga vísindamenn til þess að tæknin berist hratt til komandi kynslóða. Til þessa (2016) hafa tíu doktorsnemar unnið að rannsóknunum og átta þeirra hafa varið ritgerðir sínar. Reynt hefur verið að hafa lausnir almennar þannig að einfalt verði að yfirfæra þær á basaltsvæði annars staðar í heiminum.

Vinna framhaldsnemanna hefur beinst að tilraunum á rannsóknarstofu þar sem hraði efnahvarfa hefur verið mældur og hraði leysingar koltvíoxíðs í vatni rannsakaður. Reiknilíkön hafa verið þróuð og notuð til að spá fyrir um steinrenningarhraðann, eiginleikar niðurdælingarsvæðisins í Þrengslum verið rannsakaðir og náttúrulegar hliðstæður skoðaðar. Loks var niðurdæling hafin í janúar 2012 og fyrstu niðurstöður steinrenningarhluta niðurdælingarinnar birtar í Science í júní 2016. Þar var sýnt fram á að meira en 95% af því koltvíoxíði sem CarbFix-hópurinn dældi niður steinrann á innan við 2 árum. Það er um 10.000 sinnum hraðari binding en áður hefur verið talið (mynd 1).

Hér fyrir neðan fylgir sýnishorn af greinum í tímaröð sem doktorsnemar og vísindamenn í CarbFix-hópnum hafa birt í alþjóðlegum vísindatímaritum:
  • Oelkers, E. H., S. R. Gislason og J. Matter. 2008. Mineral carbonation of carbon dioxide. Elements 4, 333–337.
  • Flaathen, T. K., S. R. Gislason, E. H. Oelkers og Á. E. Sveinbjörnsdóttir. 2009. Chemical evolution of the Mt. Hekla, Iceland, groundwaters: A natural analogue for CO2 sequestration in basaltic rocks. Applied Geochemistry 24, 463–474.
  • Gislason, S. R., D. Wolff-Boenisch, A. Stefansson, E. H. Oelkers, E. Gunnlaugsson, H. Sigurdardottir, B. Sigfusson, W. S. Broecker, J. M. Matter, M. Stute, G. Axelsson og T. Fridriksson. 2010. Mineral sequestration of carbon dioxide in basalt: A pre-injection overview of the CarbFix project. International Journal of Greenhouse Gas Control 4, 537–545.
  • Alfredsson, H. A., D. Wolff-Boenisch og A. Stefánsson. 2011. CO2 sequestration in basaltic rocks in Iceland: Development of a piston-type downhole sampler for CO2 rich fluids and tracers. Energy Procedia 4, 3510–3517.
  • Wolff-Boenisch, D. 2011. On the buffer capacity of CO2-charged seawater used for carbonation and subsequent mineral sequestration. Energy Procedia 4, 3738–3745.
  • Matter, J. M., W. S. Broecker, S. R. Gislason, E. Gunnlaugsson, E. H. Oelkers, M. Stute, H. Sigurdardóttir, A. Stefansson, H. A. Alfreðsson, E. S. Aradóttir, G. Axelsson, B. Sigfússon og D. Wolff-Boenisch. 2011. The CarbFix Pilot Project — Storing Carbon dioxide in Basalt. Energy Procedia 4, 5579–5585.
  • Stockmann, G. J., D. Wolff-Boenisch, S. R. Gíslason og E. H. Oelkers. 2011. Do carbonate precipitates affect dissolution kinetics? 1: Basaltic glass. Chemical Geology 284, 306–316.
  • Aradottir, E. S. P., H. Sigurdardottir, B. Sigfusson og E. Gunnlaugsson. 2011. CarbFix: a CCS pilot project imitating and accelerating natural CO2 sequestration. Greenhouse Gases: Science and Technology 1, 105–118.
  • Ragnheidardottir, E., H. Sigurdardottir, H. Kristjansdottir og W. Harvey. 2011. Opportunities and challenges for CarbFix: An evaluation of capacities and costs for the pilot scale mineralization sequestration project at Hellisheidi, Iceland and beyond. International Journal of Greenhouse Gas Control 5, 1065–1072.
  • Wolff-Boenisch, D., S. Wenau, S. R. Gislason og E. H. Oelkers. 2011. Dissolution of basalts and peridotite in seawater, in the presence of ligands, and CO2: Implications for mineral sequestration of carbon dioxide. Geochimica et Cosmochimica Acta 75, 5510–5525.
  • Gysi, A. P. og A. Stefánsson. 2011. CO2-water-basalt interaction. Numerical simulation of low temperature CO2 sequestration into basalts. Geochimica et Cosmochimica Acta 75, 4728–4751.
  • Gudbrandsson, S., D. Wolff-Boenisch, S. R. Gislason og E. H. Oelkers. 2011. An experimental study of crystalline basalt dissolution from 2 ? pH ? 11 and temperatures from 5 to 75°C. Geochimica et Cosmochimica Acta 75, 5496–5509.
  • Stockmann, G. J., L. S. Shirokova, O. S. Pokrovsky, P. Bénézeth, N. Bovet, S. R. Gislason og E. H. Oelkers. 2012. Does the presence of heterotrophic bacterium Pseudomonas reactans affect basaltic glass dissolution rates? Chemical Geology 296–297, 1–18.
  • Gysi, A. P. og A. Stefánsson. 2012. CO2-water-basalt interaction. Low temperature experiments and implications for CO2 sequestration into basalts. Geochimica et Cosmochimica Acta 81, 129–152.
  • Aradóttir, E. S. P., E. L. Sonnenthal, G. Björnsson og H. Jónsson. 2012. Multidimensional reactive transport modeling of CO2 mineral sequestration in basalts at the Hellisheidi geothermal field, Iceland. International Journal of Greenhouse Gas Control 9, 24–40.
  • Galeczka, I., D. Wolff-Boenisch, T. Jonsson, B. Sigfusson, A. Stefansson og S. R. Gislason. 2013. A novel high pressure column flow reactor for experimental studies of CO2 mineral storage. Applied Geochemistry 30, 91–104.
  • Alfredsson, H. A., E. H. Oelkers, B. S. Hardarsson, H. Franzson, E. Gunnlaugsson og S. R. Gislason. 2013. The geology and water chemistry of the Hellisheidi, SW-Iceland carbon storage site. International Journal of Greenhouse Gas Control 12, 399–418.
  • Gudbrandsson, S., D. Wolff-Boenisch, S. R. Gislason og E. H. Oelkers. 2014. Experimental determination of plagioclase dissolution rates as a function of its composition and pH at 22 °C. Geochimica et Cosmochimica Acta 139, 154–172.
  • Stockmann, G. J., D. Wolff-Boenisch, N. Bovet, S. R. Gislason og E. H. Oelkers. 2014. The role of silicate surfaces on calcite precipitation kinetics. Geochimica et Cosmochimica Acta 135, 231–250.
  • Olsson, J., S. L. S. Stipp, E. Makovicky og S. R. Gislason. 2014. Metal scavenging by calcium carbonate at the Eyjafjallajökull volcano: A carbon capture and storage analogue. Chemical Geology 384, 135–148.
  • Galeczka, I., D. Wolff-Boenisch, E. H. Oelkers og S. R. Gislason. 2014. An experimental study of basaltic glass–H2O-CO2 interaction at 22 and 50 °C: Implications for subsurface storage of CO2. Geochimica et Cosmochimica Acta 126, 123–145.
  • Gislason, S. R. og E. H. Oelkers. 2014. Carbon Storage in Basalt. Science 344, 373–374.
  • Snæbjörnsdóttir, S. Ó., F. Wiese, T. Fridriksson, H. Ármansson, G. M. Einarsson, S. R. Gislason. 2014. CO2 storage potential of basaltic rocks in Iceland and the oceanic ridges. Energy Procedia 63, 4585–4600.
  • Sigfusson, B., S. R. Gislason, J. M. Matter, M. Stute, E. Gunnlaugsson, I. Gunnarsson, E. S. Aradottir, H. Sigurdardottir, K. Mesfin, H. A. Alfredsson, D. Wolff-Boenisch, M. T. Arnarsson og E.H. Oelkers. 2015. Solving the carbon-dioxide buoyancy challenge: The design and field testing of a dissolved CO2 injection system. International Journal of Greenhouse Gas Control 37, 213–219.
  • Snæbjörnsdóttir, S. Ó. og S. R. Gislason. 2016. CO2 Storage Potential of Basaltic Rocks Offshore Iceland. Energy Procedia 86, 371–380.
  • Matter, J. M., M. Stute, S. Ó. Snæbjörnsdottir, E. H. Oelkers, S. R. Gislason, E. S. Aradottir, B. Sigfusson, I. Gunnarsson, H. Sigurdardottir, E. Gunnlaugsson, G. Axelsson, H. A. Alfredsson, D. Wolff-Boenisch, K. Mesfin, D. F. R. Taya, J. Hall, K. Dideriksen og W. S. Broecker. 2016. Rapid carbon mineralization for permanent disposal of anthropogenic carbon dioxide emissions. Science 352, 1312–1314.

Tilvísanir:
    1 Myndinni er lítillega breytt frá IPCC. 2005. IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage. Tekið saman af Working Group III of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Ritstjórar: B. Metz, O. Davidson, H. C. de Coninck, M. loos og l. A. Meyer. Cambridge University Press.
    2 Ljósmynd: Sigfús Már Pétursson. Byggt á: Gislason, S. R., D. Wolff-Boenisch, A. Stefansson, E. H. Oelkers, E. Gunnlaugsson, H. Sigurdardottir, B. Sigfusson, W. S. Broecker, J. M. Matter, M. Stute, G. Axelsson og T. Fridriksson. 2010. Mineral sequestration of carbon dioxide in basalt: A pre-injection overview of the CarbFix project. International Journal of Greenhouse Gas Control 4, 537–545.


Þetta svar er úr bókinni Kolefnishringrásin sem Hið íslenska bókmenntafélag gaf út árið 2012 og er hér lítillega breytt. Höfundur bókarinnar er Sigurður Reynir Gíslason. Myndir eru fengnar úr sama riti.

Útgáfudagur

7.9.2016

Spyrjandi

Flóki Dagsson, f. 2006

Höfundur

Sigurður Reynir Gíslason

vísindamaður við Jarðvísindastofnun Háskólans

Tilvísun

Sigurður Reynir Gíslason. „Hvernig fara vísindamenn að því að breyta koltvíoxíði í grjót?“ Vísindavefurinn, 7. september 2016. Sótt 14. nóvember 2018. http://visindavefur.is/svar.php?id=72316.

Sigurður Reynir Gíslason. (2016, 7. september). Hvernig fara vísindamenn að því að breyta koltvíoxíði í grjót? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=72316

Sigurður Reynir Gíslason. „Hvernig fara vísindamenn að því að breyta koltvíoxíði í grjót?“ Vísindavefurinn. 7. sep. 2016. Vefsíða. 14. nóv. 2018. <http://visindavefur.is/svar.php?id=72316>.

Chicago | APA | MLA

Sendu inn spurningu
eða

Vísindadagatalið

Sigrún Júlíusdóttir

1944

Sigrún Júlíusdóttir er prófessor emerita við Félagsráðgjafardeild Háskóla Íslands. Rannsóknasvið hennar eru m.a. fjölskyldurannsóknir og hugmyndasaga félagsráðgjafar.