Безопасное хранение CO₂ в недрах возможно только при надежном моделировании

Геологическое хранение диоксида углерода (CO₂) в глубоких геологических формациях считается одной из ключевых технологий для достижения амбициозных климатических целей как на международном уровне, так и в Германии. Однако как можно надежно оценить потенциальные места хранения? И насколько достоверны компьютерные симуляции, которые должны предсказывать поведение CO₂ в недрах на протяжении десятилетий или столетий?

Крупная международная исследовательская инициатива — 11-й сравнительный проект решения Общества инженеров-нефтяников (SPE11 Benchmark) — систематически изучила, насколько по-разному современные инструменты моделирования прогнозируют процессы хранения CO₂. В нем приняли участие 45 научных и отраслевых групп со всего мира, включая исследовательскую команду из Института геонаук Кильского университета.

Новое исследование, недавно опубликованное в International Journal of Greenhouse Gas Control, представляет собой одно из самых масштабных сравнений моделей, проведенных в последние годы для симуляций хранения CO₂. Проект создал обширную открытую базу данных, содержащую более 400 ГБ свободно доступных модельных данных, интерактивные визуализации и новые методы для систематического сравнения сложных результатов моделирования. Выводы предлагают ценное руководство для политиков, лицензирующих органов и практиков, оценивающих будущие проекты хранения CO₂.

Новые критерии оценки для хранения CO₂

При геологическом хранении CO₂ газ закачивается в пористые породы на большой глубине, где ряд физических и химических процессов может иммобилизовать его на длительные периоды. Для прогнозирования эффективности этих механизмов хранения специалисты полагаются на компьютерные, ориентированные на процессы модели. Впервые под руководством Бергенского университета (Норвегия) 45 учреждений из 11 стран, включая ведущие научные организации США, Австралии, Германии, Франции, Китая, Канады, Саудовской Аравии, Нидерландов и Великобритании, представили свои результаты моделирования для масштабного скоординированного исследования.

Это сотрудничество привело к созданию беспрецедентной коллекции сравнительных наборов данных, выводов и методологических достижений. «Представленные наборы данных были глубоко проанализированы, а их различия систематически изучены. Результатом стала надежная оценка численных инструментов, используемых для прогнозирования геологических процессов хранения — важнейшая основа для любого безопасного и долгосрочного хранения CO₂», — объясняет профессор Себастьян Бауэр, руководитель рабочей группы геогидромоделирования Института геонаук Кильского университета.

Хранение CO₂ — особая научная задача

Хранение диоксида углерода в глубоких геологических формациях представляет особые проблемы для численного моделирования из-за очень длительных временных масштабов, часто охватывающих десятилетия и столетия, а также пространственной сложности недр. Исследование SPE11 Benchmark закладывает новую научную основу для этой задачи. Оно включает три подзадачи возрастающей сложности: двумерный лабораторный эксперимент, двумерный полевой разрез и полностью трехмерную полевую модель гипотетиной хранящей формации.

Исследователи Кильского университета смогли предоставить результаты для всех трех задач, используя высокопроизводительные вычислительные ресурсы университета. «Трехмерный случай, в частности, потребовал сложных неизотермических многофазных симуляций, которые можно было завершить за приемлемое время вычислений только с использованием HPC-мощностей Кильского университета. Это позволяет нам здесь, в Киле, выполнять необходимые симуляции и для полевых применений», — говорит соавтор исследования доктор Фирдовси Газанзаде из рабочей группы геогидромоделирования.

«Исследование демонстрирует необходимость прозрачных стандартов, особенно когда результаты должны служить основой для политических решений и разрешительных процедур», — добавляет профессор Себастьян Бауэр, чья рабочая группа также участвует в проектах Немецкого альянса морских исследований по хранению диоксида углерода в морском дне и под ним.

Исследование также весьма актуально в свете недавних политических событий. Германия только что приняла новую правовую базу: с конца ноября хранение CO₂ (технология улавливания и хранения углерода, CCS) в морском дне или в глубоких геологических формациях в принципе разрешено и представляет собой важный политический инструмент на пути к достижению климатических целей.