من الممكن أن يؤدي احتجاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) وتخزينه إلى تقليل كميات ثاني أكسيد الكربون (CO2) المنبعثة في الجو بصورة كبيرة. كما أننا على معرفة بالتكنولوجيات اللازمة لفصل ثاني أكسيد الكربونمن الغازات الأخرى وعزله. ولكن ثمة حاجة إلى... مزيد من التطوير لتنفيذ احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه على نطاق كبير.

عندما نقوم بحرق الوقود الأحفوري - الفحم الحجري، والنفط، والغاز - فإننا بذلك نزيد من تركيز ثاني أكسيد الكربون في الجو. ويبلغ تركيز ثاني أكسيد الكربون في الوقت الراهن 379 جزءًا في المليون. وهو ما يمثل زيادةً كبيرةً لم يسبق لها مثيل على مدى 600000 عام مضت. ويتفق أخصائيو علم المناخ على أن تلك الزيادة تعد مسؤولةً، ولو جزئيًا في أقل الأحوال، عن زيادة درجة الحرارة العالمية.
ومن بين الطرق التي من شأنها تقليل كمية ثاني أكسيد الكربون المتصاعد في الجو، زيادة الاعتماد على مصادر الطاقة البديلة التي لا تنتج ثاني أكسيد الكربون. وتشمل تلك المصادر الطاقة الكهرومائية، وطاقة الرياح، والطاقة الشمسية، والطاقة النووية، وطاقة الحرارة الأرضية، وطاقة المد والجزر. ولكل من تلك الأنواع محدودياتها، كما سيكون من الصعب القيام بنقلة سريعة من استخدام الوقود الأحفوري إلى استخدام تلك المصادر الأخرى. ولكن ماذا لو لم يصل ثاني أكسيد الكربون المتصاعد نتيجة حرق الوقود الأحفوري إلى الجو؟ فبدلاً من السماح لثاني أكسيد الكربون بالانطلاق من المداخن إلى الهواء، أيمكننا احتجازه ووضعه في مكان ما؟ هل هذا ممكن؟
نعم، ممكن. وتدعى تلك العملية احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه. وتجري تلك العملية في الوقت الراهن على نطاق ضيق. ولكنها تحمل بين طياتها إمكانيات إحداث فارق كبير في كمية ثاني أكسيد الكربون التي نطلقها في الجو. وكما يشير اسم تلك العملية، فهي تتألف من مرحلتين. يتمثل التحدي الأول في احتجاز ثاني أكسيد الكربون بدلاً من تركه ينطلق من المداخن. بعد ذلك، يجب أن يخزن أو "يعزل" بطريقة آمنة ولمدة طويلة. وتعتبر فكرة عزل ثاني أكسيد الكربون لتقليل الكمية التي تتخلل الجو حديثةً نوعًا ما. ولكن التكنولوجيا اللازمة للقيام بذلك قد طُورت لأسباب أخرى. وهو ما يعني أنه يتوفر لدينا الاستعداد المسبق.
احتجاز ثاني أكسيد الكربون
حيثما توجد المصادر الرئيسية للانبعاثات، يكون المكان الأفضل لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون. فمحطات الطاقة التي تولد الكهرباء تنتج ما يقرب من ثلث انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. علاوة على ذلك، يعتبر ثاني أكسيد الكربون منتجًا ثانويًا لصناعة الحديد والصلب، وصناعة الأسمنت. وتتم إزالة ثاني أكسيد الكربون من الغاز الطبيعي قبل استخدامه كوقود. فهذه العمليات الصناعية تعتبر مرشحات جيدة لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه نظرًا لكونها مصادر كبيرة الحجم في موضع ثابت. على العكس من ذلك، سيكون من الصعب احتجاز انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من السيارات. يعتبر كل من الغاز الطبيعي والفحم النوعين الرئيسيين من الوقود الأحفوري الذي تستخدمه محطات الطاقة. ويحترق ذلك الوقود في وجود الهواء. وتستخدم الحرارة الناتجة في إنتاج بخار لإدارة التوربينات، والتي بدورها تدير المولدات الكهربائية. أو، يمكن حرق الغاز لإدارة التوربينات مباشرة. وفي كلٍ من الحالتين، يتحد الأكسجين الموجود في الهواء مع الكربون الموجود في الوقود لإنتاج ثاني أكسيد الكربون. وينطلق ثاني أكسيد الكربون في الهواء. وعند حرق الغاز الطبيعي يتحد الهيدروجين الموجود في في الميثان (CH4) أيضًا مع الأكسجين لتكوين الماء.
ولكن الهواء المستخدم في حرق الوقود يحتوى في معظمه على النيتروجين. ولا يشترك هذا النيتروجين في عملية الاحتراق. بل يمر وينطلق من المدخنة. وعادة ما تتكون انبعاثات محطة الطاقة، التي تسمى غازات المداخن، من 10% إلى 15% ثاني أكسيد كربون فقط في محطات حرق الفحم الحجري، وما يقرب من 5% في حالة استخدام الغاز الطبيعي كوقود. ومن حيث المبدأ يمكننا تخزين جميع غازات المداخن، ولكن ذلك سيؤدي إلى امتلاء السعة التخزينية في معظمها بالنيتروجين الذي لا يحتاج إلى أن يعزل. وحتى يتسنى لنا تخزين ثاني أكسيد الكربون بكفاءة يجب أولاً فصله عن بقية غازات المداخن. فكيف يتم ذلك؟
هناك ثلاث إستراتيجيات:
فصل ثاني أكسيد الكربون بعد الاحتراق.
إزالة الكربون من الوقود قبل الاحتراق بحيث نقوم فقط بحرق الهيدروجين وإنتاج الماء فقط.
حرق الوقود الأحفوري في وجود الأكسجين بدلاً من الهواء مما ينتج عنه ثاني أكسيد كربون مركز.
يمكن استخدام المحاليل الكيميائية لإذابة ثاني أكسيد الكربون في الوقت الذي تمرر فيه الغازات الأخرى إلى الجو. وهذا الأسلوب، المستخدم على نطاق واسع اليوم، يستعمل مجموعة من المركبات تدعى الأمينات. تمتص الأمينات ثاني أكسيد الكربون عن طريق تكوين روابط كيميائية، خاصة في وجود الضغط العالي ودرجة الحرارة المنخفضة. ويطلق على تلك العملية "الغسل". يتم بعد ذلك تسخين المحلول الكيميائي الناتج وتقليل الضغط، مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد كربون مركز.
وتستخدم مذيبات أخرى لإذابة ثاني أكسيد الكربون بدون إنشاء روابط كيميائية. ويتم في عملية الامتصاص الفيزيائي تلك إذابة ثاني أكسيد الكربون تحت الضغط، ويتم بعد ذلك إزالته من المذيب عن طريق تقليل الضغط. ومن ثم يمكن إعادة استخدام المذيب. ومن الإستراتيجيات الأخرى لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون تبريد غازات المداخن إلى النقطة التي يصبح فيها ثاني أكسيد الكربون سائلاً. وتتطلب تلك العملية طاقة ضخمة للتبريد. ومن مزايا تلك العملية سهولة نقل السائل بواسطة الشاحنات أو مراكب الشحن. ومن الممكن أيضًا فصل الغازات باستخدام طبقات رقيقة تدعى الأغشية. فبعض الغازات ستمر من خلال الغشاء أسرع من غيرها. ويتيح ذلك فصل الغازات المختلفة بعضها عن بعض.
إزالة الكربون قبل الاحتراق
يشكل الميثان (CH4) المادة المحروقة في الغاز الطبيعي. وعند حرقه ينتج كلاً من ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء (H2O). ولذا، فإذا استطعنا استخراج الكربون قبل الاحتراق، فيبقى لدينا الهيدروجين، الذي ينتج الماء فقط عند احتراقه. وتتضمن تلك العملية، إتمام تفاعل بين الوقود والأكسجين و/أو البخار لإنتاج أول أكسيد الكربون (CO) والهيدروجين. ثم يتم إحداث تفاعل بين أول أكسيد الكربون والمزيد من البخار لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والمزيد من الهيدروجين. وأخيرًا، يتم فصل ثاني أكسيد الكربون، ويستخدم الهيدروجين كوقود للتوربين الغازي.
الاحتراق مع الأكسجين بدلاً من الهواء
يشكل النيتروجين 78% من الهواء. وهو يبقى من غير تغير في الغالب أثناء عملية احتراق الوقود. وهو كذلك الغاز الرئيسي الذي يخفف ثاني أكسيد الكربون في مزيج غاز المدخنة. وإذا حُرق الوقود في الأكسجين النقي، بدلاً من الهواء، فمن الممكن أن يزيد تركيز ثاني أكسيد الكربون في غاز المدخنة إلى أكثر من 80%. ومن ثم تجعل تلك العملية إجراء مزيد من التركيز لغاز المدخنة قبل عزل ثاني أكسيد الكربون، أمرًا غير ضروري. ويتمثل التحدي في كيفية فصل الأكسجين عن بقية الهواء، والذي يتكون أساسًا من النيتروجين. وتشبه الإستراتيجيات المستخدمة في هذا الغرض تلك المستخدمة لفصل ثاني أكسيد الكربون. ويمكن تبريد الهواء بحيث يصبح الأكسجين سائلاً. ويمكن للأغشية التي تمرر الأكسجين والنيتروجين على معدلات مختلفة أن تعمل على الفصل. كما توجد أيضًا مواد يمكنها امتصاص النيتروجين، ومن ثم فصله عن الأكسجين. وبعد ذلك يمكن العمل على إطلاق النيتروجين منها وإعادة استخدامه.
تكنولوجيات العزل
ما أن يتم احتجاز ثاني أكسيد الكربون المركز، تأتي الخطوة التالية والتي تتمثل في تخزينه في مكانٍ ما. وفيما يلي بعض الخيارات:
التكوينات الجيولوجية
يعد التخزين في التكوينات الجيولوجية من أكثر الحلول الواعدة لعزل ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع ولأجل طويل. ويجري حاليًا العمل في بعض المشروعات. ومن أجل تقليل غازات الاحتباس الحراري وزيادة درجة الحرارة على كوكب الأرض، يجب الاحتفاظ بثاني أكسيد الكربون المخزن بعيدًا عن الجو لمئات أو آلاف السنين. وهاهي مستودعات النفط والغاز، والخزانات الجوفية للمياه المالحة العميقة، وطبقات الفحم الرقيقة، بقيت لملايين السنين، ولم يحدث بها سوى تغير تدريجي قليل جدًا. وتتوفر براهين قوية على أن تلك التكوينات، إن أُحسنت إدارتها، من الممكن أن تشكل مخزنًا طويل الأجل لثاني أكسيد الكربون.
مستودعات النفط والغاز الناضبة
يعتقد العديد من الناس أن النفط والغاز يوجدان في كهوف كبيرة تحت الأرض. ولكن الحقيقة ليست كذلك. على العكس، تتواجد تلك الهيدروكربونات في صخور منفذة ومسامية مثل الحجر الرملي. وتحتوي تلك الصخور على فراغات ميكروسكوبية، تدعى مسام، تمتلئ بالسوائل. وقد تكون تلك السوائل مياهًا، أو نفطًا، أو غازًا. وبالتالي، يشبه مستودع النفط والغاز قطعة الأسفنج أكثر مما يشبه الزجاجة. ويؤدي استمرار إنتاج حقل النفط والغاز لفترة من الوقت إلى إزالة جزء كبير من الهيدروكربونات. ومن ثم، تتوفر مساحة لتخزين ثاني أكسيد الكربون. وتغطى تلك الطبقة المسامية المنفذة من الصخر الذي يحتوي على تلك السوائل، بغطاء صخري غير منفذ - من الملح أو الطفل غالبًا - لا يسمح بمرورها من خلاله. وعادةً ما يميل النفط والغاز إلى التحرك نحو الأعلى خلال الصخر المنفذ نظرًا لكونهما أخف من الماء الذي قد يتواجد أيضًا في مثل تلك التكوينات الصخرية. ولكن الغطاء الصخري يعمل على احتجازهما. وبما أن النفط والغاز ظلا معزولين في مثل تلك التكوينات لملايين السنين، فإن ذلك يعطي سببًا جيدًا لاعتقادنا بأن ثاني أكسيد الكربون يمكنه أن يبقى أيضًا كذلك.
الاستخلاص المعزز للنفط
الكثير من التكنولوجيا اللازمة لتخزين ثاني أكسيد لكربون في حقول النفظ تستخدم بالفعل في العملية المعروفة باسم الاستخلاص المعزز للنفط. عندما يكون المستودع حديث الحفر يكون النفط فيه عادة تحت ضغط ويتدفق بسهولة نحو السطح. وكلما تم استخراج النفط، انخفض الضغط، وظهرت الحاجة إلى الضخ من أجل استخلاص المزيد منه. وفي مرحلةٍ ما، يصبح استخلاص النفط غير اقتصادي ويجري إيقافه، أو يتم اللجوء إلى استخدام أساليب إضافية لاستخراج المزيد من النفط. ومن بين تلك الطرق ضخ ثاني أكسيد الكربون في المستودع. حيث يؤدي ذلك إلى زيادة الضغط بحيث يتدفق النفط بسهولة أكبر. كما أن ثاني أكسيد الكربون يذوب، أيضًا، في النفط، مما يجعله أقل لزوجة ويتدفق بسهولةٍ أكبر. كما يتمدد حجمه أيضًا، مما يؤدي إلى زيادة أكبر في الضغط. يتم ضخ ثاني أكسيد الكربون في المستودع عن طريق "بئر حقن". يؤدي ذلك إلى دفع النفط بقوة نحو "بئر الإنتاج"، ومن ثم يرتفع إلى السطح.
في الاستخلاص المعزز للنفط، يتم ضخ ثاني أكسيد الكربون في المستودع عن طريق بئر حقن. حيث يمتزج مع النفط الضاغط مكونًا "منطقة التمازج". ويؤدي الضغط الناتج من ثاني أكسيد الكربون والنفط المتمدد إلى دفع كتلة النفط باتجاه بئر الإنتاج، حيث يرتفع إلى السطح. بعد ذلك، يتم فصل ثاني أكسيد الكربون من النفط ويمكن إضافته إلى تيار ثاني أكسيد الكربون الموجه إلى بئر الحقن. ومن بين الآثار الثانوية للاستخلاص المعزز للنفط أن يصبح ثاني أكسيد الكربون المستخدم في دفع النفط معزولاً.
وتوجد العديد من مشروعات الاستخلاص المعزز للنفط (EOR) التي تستخدم حقن ثاني أكسيد الكربون في جميع أنحاء العالم. وخير مثال على ذلك، حقل ويبورن في كندا.
من بين الآثار الثانوية للاستخلاص المعزز للنفط أن يصبح ثاني أكسيد الكربون معزولاً في التكوينات الصخرية. وعندما يصبح الهدف هو تخزين ثاني أكسيد الكربون وليس استخلاص النفط، فمن الممكن أن تستخدم حقول النفط الناضبة أو التي على وشك النضوب في العزل، حتى لو لم تكن مناسبة للاستخلاص المعزز للنفط.
ما هي المشاكل المحتملة لعزل ثاني أكسيد الكربون؟ يبقى السؤال الأهم هو ما إذا كان من الممكن أن يتسرب ثاني أكسيد الكربون من المستودع. فمن الممكن أن يمثل التسرب مشكلةً حيث سيؤدي إلى إعادة ثاني أكسيد الكربون المعزول إلى الجو. مما يعني إحباطًا للغرض من المشروع.
تغليف البئر
عند حفر بئر نفط، تتمثل الخطوة الأخيرة في تلك العملية في إدخال أنبوب صلب في ثقب الحفر، وملء الفراغ بين السطح الخارجي للأنبوب وثقب الحفر بالأسمنت. بعدها يتم تثقيب الأنبوب، الذي يطلق عليه الغلاف، ليسمح بتدفق النفط في الأنبوب ثم إلى السطح. وعندما يصبح البئر غير منتج يمكن سده من أعلى.
إذا حدث تسرب مفاجئ، فمن الممكن أن يؤدي إلى وفاة السكان. وعلى الرغم من أن ثاني أكسيد الكربون غير سام، ولكنه إذا حل محل الأكسجين المتوفر فمن الممكن أن يختنق الناس. ونظرًا لأن ثاني أكسيد الكربون أثقل من الهواء، فمن الممكن أن يتجمع في الأماكن المنخفضة مثل الأقبية والأودية. وقد حدثت انبعاثات طبيعية لثاني أكسيد الكربون تسببت في حدوث وفيات. إحدى هذه الكوارث حدثت في بحيرة نيوس بالكاميرون. فالبحيرة تقع في منطقة نشطة بركانيًا مما يؤدي إلى تسرب ثاني أكسيد الكربون من الأسفل إلى مياه البحيرة. وفي 21 أغسطس 1986 حدث انطلاق مفاجئ لثاني أكسيد الكربون، ما لبث أن تدفق في الأودية التي حول البحيرة، مما أدى إلى وفاة 1800 شخص في القرى المجاورة. وليس هناك ما يدعو إلى توقع حدوث انفلات مفاجئ لثاني أكسيد الكربون المعزول في حقل نفط قديم، ولكن تبقى هناك احتمالات لحدوث تسرب بطيء. ومن الأمور المثيرة للسخرية حقًا، أن الآبار نفسها تشكل مشكلات كامنة.
ومن الممكن أن يوجد في حقل النفط المئات من تلك الآبار. فإذا كان الحقل قديمًا فمن الممكن أن يكون الأسمنت المحيط بأغلفة الآبار قد أصابه التلف. مما يسمح بتسرب ثاني أكسيد الكربون. وهناك طرق لإعادة تدعيم الآبار بالمواد الأسمنتية بحيث توفر مانعًا حصيناً يحول دون تسرب ثاني أكسيد الكربونالمعزول.
ومن بين المنافذ الأخرى الممكنة لتسرب ثاني أكسيد الكربون، حدوث تشققات في صخرة التغطية. ولذلك، يوصى بتطبيق عزل ثاني أكسيد الكربون في المناطق المستقرة جيولوجيًا، التي لا يرجح أن يحدث بها زلازل. إلا أن عملية عزل ثاني أكسيد الكربون فسها من الممكن أن تؤدي إلى زيادة الضغط تحت صخرة التغطية مما ينتج عنه حدوث تشققات بها. ويكمن الحل في رصد الضغط والحذر من تجاوزه حدود التكوينات.
الخزانات الجوفية
يوجد العديد من "المصائد" الجيولوجية محكمة السد تحت سطح الأرض، والتي لم تحتوِ مطلقًا على أي نفط أو غاز. ومسامها مملوءة بالمياه. ويطلق عليها الخزانات الجوفية. وتُعد الخزانات الجوفية الموجودة على أعماق تحت سطح الأرض الأكثر ملائمة لتخزين ثاني أكسيد الكربون. وهي تمتلئ بالمياه المالحة، وبالتالي تُعد غير مناسبة لإمداد أو تخزين المياه العذبة الصالحة للاستخدام البشري. ومن الممكن أن يذوب ثاني أكسيد الكربون جزئيًا في المياه الموجودة بالخزانات الجوفية. وفي بعض أنواع الصخور، ربما يتفاعل مع المعادن مكونًا رواسب مستقرة من الكربونات. ويؤدي ذلك إلى حبس ثاني أكسيد الكربون بصفة دائمة. ويجب إجراء دراسات جيولوجية، كتلك التي تُجرى روتينيًا لمستودعات النفط والغاز، للتأكد من عدم تسريب الخزانات الجوفية لثاني أكسيد الكربون.
وجدير بالذكر أن أول برنامج لحقن ثاني أكسيد الكربون في العالم يُجرى لأغراض تغير المناخ تم بعيدًا عن سواحل النرويج في خزانات ملحية عميقة في بحر الشمال تعرف باسم حقل سليبنر.
طبقات الفحم الحجري
ومن بين وسائط التخزين الممكنة أيضًا ترسبات الفحم الحجري الموجودة على أعماق بعيدة بحيث يصعب تعدينها واستخراجها. ويتكون الفحم الحجري بصورة رئيسية من الكربون. وسيمتص ثاني أكسيد الكربون ويقوم بحبسه بصفة دائمة. وعادة ما تحتوي ترسبات الفحم الحجري على الميثان. وعندما يتم ضخ ثاني أكسيد الكربون في الفحم الحجري، فسيتم امتصاصه على حساب الميثان، الذي سيتم إطلاقه. وكما هو الحال مع عمليات الاستخلاص المعزز للنفط، ستؤدي تلك العملية إلى إنتاج وقود نافع وفي الوقت نفسه عزل ثاني أكسيد الكربون.
إلا أن هناك مشكلةً تكتنف تلك الطريقة، وتتمثل في أن الفحم الحجري سينتفخ نتيجة امتصاص ثاني أكسيد الكربون. وسيؤدي ذلك إلى تقليص المنافذ التي يمكن أن يتدفق الغاز خلالها. مما ينتج عنه الحد من سعة التخزين.
دراسات حالة للاحتجاز والتخزين
يجري حاليًا إقامة مشروعين لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه في كل من حقل سليبنر في بحر الشمال، وحقل ويبورن في كندا.