Forsøk og praktisk arbeid

Passer for

  • vg1
  • geofag 2
  • teknologi og forskningslære 2

Tidsbruk

  • To timer hvis utstyr er klart og læreren har god forståelse av forsøket. Forsøkets omfang kan varieres.

Lagring av CO2 under havbunnen

I dette forsøket får elevene kunnskap om de viktigste fysiske prosessene bak lagring av CO2 i vannfylte formasjoner, om viktige risikofaktorer knyttet til lekkasjer, og om konsekvensen av slike hendelser.

Foto: Silje Alvsaker Foto: Silje Alvsaker

Den eksperimentelle delen av forsøket kan deles inn i selve CO2-lagringsforsøket, som består i å lage en akvifer av sand og vann og injisere luft i akviferen, og målinger for gjøre porøsitetsberegninger. Om det er mest praktisk kan målingene til porøsitetsberegningene utføres på et annet tidspunkt.

Sørg for at du har rikelige mengder med sand og vann tilgjengelig før forsøket begynner. Fordel så klassen inn i ulike grupper med ulike arbeidsoppgaver, bildetaking, måling av vannstand, notater, osv.

Forberedelser

Før selve forsøket begynner bør sanden vaskes.

Hovedårsaken til at sanden vaskes er at når sanden kommer i kontakt med luft oppstår det krefter på overflaten mellom sand og luft, disse kreftene kalles overflatespenninger eller kapillærkrefter. Sanden inneholder derfor opprinnelig også luft. I forsøket velger vi av praktiskeårsakerå lagre luft, ikke CO2. Denne luften lagrer vi så i en akvifer som vi lager selv av sand og vann. For at vi skal kunne anslå hvor mye luft vi har lagret må vi først fjerne den opprinnelige luften i sanden. Dette gjøres ved å bryte ned det porøse mediet og og deretter få størst mulig overflate av sanden i kontakt med vann slik at luften blir frigjort fra sanden. Etter at luften er fjernet må vi være veldig forsiktig så sanden ikke kommer i kontakt med luft igjen. Sanden holdes derfor til en hver tid våt under vann. Selve vaskingen av sand foregår enklest ved å fylle bøtten delvis med sand og deretter fylle på med vann. Rør omkring i sanden så de letteste sandkornene virvler opp. Hell deretter av vannet. Gjenta prosedyren inntil en kan se sanden gjennom vannet samtidig som en rører i bøtten. Andre årsaker til å vaske sanden er å fjerne de minste sandpartiklene som kan tette filteret mellom sandkaret og vannkaret underveis i forsøket. Ved å fjerne de minste sandpartiklene blir også vannet i vannkaret renere og det er enklere å se luften i akviferen.

I den kunstige akviferen ser vi tydelig hvordan vi har fått en struktur med alternerende grov og fin sand. I den kunstige akviferen ser vi tydelig hvordan vi har fått en struktur med alternerende grov og fin sand.

 

Porøsitetsberegninger

Parallelt med forsøket kan en gjøre porøsitetsberegninger. Porøsitet er definert som andel hulrom av det totale volumet. Forå utføre porøsitetsberegningene trengs målinger av volumet av sandprøven, tyngden av den våte sanden og tyngden av tørr sand. Mål opp 2 dl våt sand (husk at den våte sanden ikke må i kontakt med luft). Vei den våte sandprøven og noter vekten som Tvs (tyngde våt sand). Vi må tørke sanden. Dette kan enklest gjøres ved hjelp av en stekepanne.
Vei den tørre sanden og noter vekten som Tts (tyngde tørr sand). I avsnitt 3.1 er det presentert ulike metoder som kan benyttes for å beregne porøsiteten til “akviferen”.

Mål diameterene av karene

I etterkant av forsøket skal det gjøres beregninger av lagringsvolum (avsnitt 3.2), til disse beregningene trengs arealet av tverrsnittene til sandkaret og vannkaret. Mål diameterene av karene og beregn arealene. Noter verdiene som Avk og Ask (areal vannkar og areal sandkar).

Oppsett av kamera og tabell

For å kunne vurdere hvor det er lagret mest luft og hvor det er tryggest å lagre CO2 trengs det bilder tatt underveis i forsøket. For å kunne sammenligne “tidsseriene” er det viktig at disse bildene blir tatt fra samme avstand og vinkel. Lag en tabell slik at dere kan notere tidspunkt i forsøket
bildet hører til og hvilken posisjon bildet er tatt fra.

Gjennomføring av forsøket

Fyll vannkaret med vann og plasser det et sted hvor det ikke er så farlig om litt vann skvulper over kanten. Plasser en rist i bunnen av vannkaret.

Finn frem en to-litersflaske og skjær av bunnen. Filteret monteres på tuten av flasken og festes med strikk eller hyssing. To-litersflasken (sandkaret) plasseres deretter med tuten ned oppå risten. Det er ikke farlig om det er høyere vannstand i sandkaret enn i vannkaret. Ved motsatt tilfelle må vannstanden forsiktig utjevnes underveis i forsøket.

Finn en øse og bruk denne til å fylle bunnen av sandkaret med vann. Det er viktig at sanden ikke kommer i kontakt med luft og øsen bør derfor være liten nok til at det er enkelt å helle sanden over i sandkaret under vann.

For å siden kunne injisere luft i akviferen trengs en injeksjonsbrønn. Til injeksjonsbrønn benytter vi et sugerør. Plasser sugerøret så langt nedi “akviferen” som mulig, men samtidig så høyt at det er muligå blåse i sugerøret.

Fyll resten av sandkaret med sand. Observer hvordan de store sandkornene synker raskere enn de lette slik at en lagdeling med mer og mindre gjennomtrengbare lag oppstår. I løpet av de millionene år før CO2 lagringen fant sted ble formasjonen utsatt for flere jordskjelv. Løft og slipp sandkaret noen ganger for å illustrere disse jordskjelvene.

For å beregne totalt lagringsvolum trengs høyden av det totale lagringsvolumet. Mål lengden av et sugerør og trekk fra lengden av sugerøret som stikker opp av sanden. Høyden av det totale lagringsvolumet er lengden av sugerøret minus lengden av sugerøret som stikker opp av sanden. Noter høyden av lagringsvolumet som h.

Etterhvert som luft kommer inn i akviferen vil luften fortrenge vannet som er i sandkaret før luftinjiseringen. For å beregne hvor mye luft som er lagret 4 trenger vi derfor vite den opprinnelige vannstanden i vannkaret før injisering av luft. Merk av vannstanden i vannkaret. Til dette kan det være hensiktsmessigå benytte tape og tusj. Ta også et bilde av vannstanden med kameraet.

Vi er nå klar til å injisere luft. En person blåser sakte, men stødig inn i injeksjonsbrønnen (det trengs nokså høyt trykk). Samtidig står en person ved siden av karet og sier fra straks en ser luft i akviferen. Stopp blåsingen straks det kommer bobler til overflaten. De sølvfargede områdene i akviferen er områder hvor det er lagret luft. Ta bilder av sandkaret (fra samme vinkler og avstander som før injiseringen av luft). Mål deretter endringen i vannstand fra før injiseringen av luft og noter endringen som hinj.

Luften vi lagrer er lett synlig under forsøket, og viser seg som glinsende sølvflekker. Luften vi lagrer er lett synlig under forsøket, og viser seg som glinsende sølvflekker.

 

Ved lagring av CO2 under havbunnen ønsker man at den lagrede CO2-en skal bli værende i formasjonen i tusenvis av år. Det er derfor viktig at det ikke forekommer lekkasjer fra formasjonen. For å sjekke om akviferen lekker kan karet dekkes med plastfolie (for å hindre fordampning) til neste dag. Kontroller så om noe har lekket. Dersom formasjonen lekker vil vannstanden ha endret seg. Jordskjelv kan generere sprekker i formasjonen og slik føre til lekkasjer.

For å illustrere effekten av et jordskjelv løfter og slipper vi sandkaret på samme måte som før vi injiserte luft. Ta nye bilder etter “jordskjelvet” og mål av vannstanden. Vannstandsendringen fra før det ble injisert luft noteres som hjord.

Brønner fører til kontinuerlige kanaler fra overflaten til dype formasjoner og er blant elementene som står for den høyeste sannsynligheten for lekkasjer for geologisk lagret CO2. Lekkasjer kan oppstå mens CO2 blir lagret, eller i etterkant ved at brønnen forvitrer. For å illustrere en slik lekkasje kan forsøket avsluttes ved å trekke ut injeksjonsbrønnen (sugerøret). Dette illustrerer en lekkasje i det noe dramatiske tilfellet at brønnen forvitrer bort. Noter endringen i vannstand fra den opprinnelige vannstanden som hbrønn og ta nye bilder fra samme avstander og vinkler som etter luftinjeksjonen og jordskjelvet.

Modifikasjoner

Forsøket kan gjentas med ulike modifikasjoner for å gi videre innsikt. Under er det beskrevet flere forslag til modifikasjoner som kan utføres av de enkelte gruppene.

  1. Stopp injeksjonen av luft før luften passerer det øverste laget (før det kommer bobler til overflaten).
  2. Etter at sandkaret er fyllt pakkes sanden forsiktig tettere sammen, slik som når en lager sandslott. Hensikten er at laget skal være mer realistisk pakket sammen. Injiser luft i formasjonen, men vær forsiktig så ikke formasjonen slår sprekker, stopp injiseringen av luft før luften når toppen av akviferen (før det kommer luftbobler til overflaten).
  3. Hvis det er tilgang på flere forskjellige sandtyper, kan man lage lagdelte strukturer når man konstruerer akviferen. Leire er spesielt bra.
  4. Har elevene flere forslag til modifikasjoner?

Gi hver gruppe ansvar for sin modifikasjon og gjennomfør ellers forsøket som beskrevet over. Vær nøyaktig med målinger og notater og utfør etterarbeidet for hver av modifikasjonene. I etterkant kan dere sammenligne effektene av ulike tiltak.

Etterarbeid/beregninger

Etter at selve forsøket er gjennomført har vi data som kan benyttes til porøsitetsberegninger og beregninger av ulike lagringsvolum. Vi har også tidsserier (bilder) av akviferen som viser hvor luften er lagret. Ut fra disse bildene kan det kartlegges hvor det er tryggest å lagre CO2.

Porsøsitetsberegninger

Porøsiteten, andel hulrom av totalt volum, kan beregnes ved hjelp av tre ulike metoder. Hvilke(n) metode(r) som benyttes er avhengig av elevenes matematikkunnskaper og opp til læreren å vurdere. Metodene kan benyttes direkte eller en kan ta med utledninger. Det kan velges å bruke en enkelt metode, eller flere for å illustrere usikkerhet.

Metode 1

For å beregne porøsitiet ved hjelp av metode 1 trengs volumet av sandprøven og tyngden av den våte sanden. Dersom vi antar at akviferen før injeksjonen er uten luft består akviferen av kun vann og tørr sand. Tyngden til den tørre sanden, Tts, kan uttrykkes som massetettheten av tørr sand, dts, ganger volumet, V , ganger andelen av det målte volumet som inneholder sand, Ats:

Tts = dts · V · Ats

[1]

Andelen av sand, As, som opptar det målte volumet er 100% - porøsiteten. Total tyngde av den våte sandprøven er tyngden av tørr sand pluss tyngden av vann:

Tvs = Tts + Tv
      = dts · V · Ats + dv · V · Av 
      = dts · V · (100 − P1)/100 + dv · V · P1/100

[2]

Massetettheten til sand, dts, er typisk omtrent 260 g/dl, og massetettheten til vann, dv er 100 g/dl. Ved å snu om på Ligning (2) kan porøsiteten P1, uttrykkes ved,

P1 = (V · dts · 100 − Tvs · 100)  /  (V · (ds dv)) [3]

Metode 2

Porøsiteten kan også beregnes ut fra tyngden av det fordampede vannet (vannet som har fyllt hulrommene). Til denne beregningen trengs tyngden av den våte sandprøven, tyngden av tørr sand og volumet av sandprøven. Forskjellen på tyngden av våt sand og tørr sand forteller hvor mye vann som har fordampet:

Tvann = Tvs Tts = dv · V · P2/100 [4]

som igjen kan skrives som:

P2 = 100 · (Tvs Tts) / (V · dv) [5]

Metode 3

Dersom vi kjenner til massetettheten til stein (typisk 260 g/dl) kan porøsiteten beregnes direkte fra målingen av vekten til tørr sand og volumet. Tyngden av den tørre sanden kan da uttrykkes som:

Tts = dts · V · (100 − P3)/100 [6]

som også kan skrives som:

P3 = 100 − (100 · Tts) / (V · dts) [7]

Hvor mye luft er lagret i ”akviferen“?

Det totale volumet av ”akviferen“ hvor det er mulig å lagre CO2 er volumet av sandkaret fra bunnen av injeksjonsbrønnen til toppen av ”akviferen“. Totalt lagringsvolum kan dermed beregnes som arealet av sandkaret, Ask, ganger lengden av sugerøret som er dekket av sanden, h:

Vtot = Ask · h [8]

Før utregningene av hvor mye luft som er lagret oppfordres det til å ha en gjettekonkurranse om hvor mye luft som er lagret. Maksimal mengde luft som kan lagres er volumet av det totale lagringsvolumet som opprinnelig var fyllt med vann. Dette kan uttrykkes som maksimalt lagringsvolum ganger porøsiteten (Ligning [3], [5] og [7]):

Vmaks = P · Vtot [9]

 

Reellt maksimalt lagringsvolum

For at en væske skal kunne strømme mellom porene, må porene være sammenhengende. Reellt maksimalt lagringsvolum vil derfor være mindre enn det totale volumet av porene mellom sandkornene (Ligning [9]). Ut fra endringen i vannstand etter injeksjonen kan en beregne reellt maksimalt lagringsvolum:

Vlagret = hinj · (Avk Ask) [10]

 

Volumet Vlagret er luft lagret på grunn av krefter som virker på overflaten mellom sand, vann og luft (kapillære krefter), men også på grunn av strukturelle barrierer.

Trygg lagringskapasitet med tanke på jorskjelv

Ved et jordskjelv kan strukturen i formasjonen endre seg og lag med mindre gjennomtrengbarhet kan få brister og dermed frigjøre veien for luft fra ”akviferen“ til overflaten. Trygg lagringskapasitet med tanke på jordskjelv er volum lagret hovedsaklig ut fra kapillære krefter. Dette volumet kan beregnes ut fra vannstanden etter jordskjelvet:

Vjord = hjord · (Avk Ask) [11]

 

Trygg lagringskapasitet med tanke på brønnlekkasjer

Dersom brønnen forvitrer vil det bli en direkte kobling mellom akviferen og overflaten som kan være årsak til store lekkasjer. Trygg lagringskapasitet med tanke på lekkasje gjennom brønnen kan beregnes ut fra endringen i vannstand fra referansetidspunktet til vannstanden etter at sugerøret er trukket ut, hbrønn:

Vbrønn = hbrønn · (Avk Ask) [12]

Hvor er det tryggest å lagre luft?

Dersom det ble tatt bilder underveis i forsøket kan disse bildene brukes til å kartlegge hvor det er lagret mest luft. Sorter bildene så bilder tatt fra samme vinkel blir sammenlignet. For hver vinkel skal det være tre bilder, bilde av sandkaret etter injeksjon av luft, etter jordskjelv og etter brønnlekkasje.

Skriv ut bildene på lysark. Legg deretter lysarkene over et ruteark og gå gjennom hvert enkelt bilde, linje for linje og noter antall ruter som er fyllt med luft (er sølvfarget) og antall ruter som er halvtomme på hver linje.

Lag en figur der det for hver linje er illustrert antall fulle ruter pluss halvparten av de halvfulle rutene. Gjenta dette for alle bildene. Utfra denne figuren kan en se hvor mye luft som er lagret i de ulike dybdene, og fra hvilke dybder lekkasjene skjer.

Hvor er det tryggest å lagre CO2? Hva ville skjedd om vi hadde sluttetå injisere luft tidlgere? Figuren kan også brukes til en enkel introduksjon til integrasjon.

Samfunnsvitenskapelige aspekter

Forsøket gir grunnlag for å diskutere de tre store overordnede spørsmålene ved CO2 lagring:

1. Hvor raskt kan vi lagre CO2? Med andre ord hvor raskt kan vi gjøre noe med de globale CO2 utslippene

2. Hvor mye kan vi lagre? Kan vi lagre i stor nok målestokk til at det vil redusere utslipp på global skala?

3. Hva er risikoen ved å lagre CO2? Og kan vi gjøre noe for å redusere negative konsekvenser om noe går galt? Risiko er definert som sannsynligheten for at en hendelse skjer ganger konsekvensen av hendelsen:

Risiko = Frekvens · Konsekvens [13]

 

I forsøket har vi sett på konsekvenser, og hvor mye som lekker ved to ulike hendelser; jordskjelv og forvitring av brønner. Hvilke scenario har de mest alvorlige konsekvensene (størst lekkasjemengde)? Hvordan kan vi tallfeste konsekvensene? Det fins flere måterå tallfeste konsekvenser på, volumet av CO2 som har lekket over totalt lagret volum av CO2 kan være et eksempel:

Konsekvens = Vluften som har lekket / Vluften som opprinnelig var i formasjonen [14]

Har elevene forslag til andre og bedre estimat?

Hvilke av de to scenarioene har den høyeste frekvensen, og hva kan vi gjøre forå redusere sannsynligheten for de to typene lekkasjer? Vurder ut fra punktene over hva som utgjør den største risikoen forbundet med lagring av CO2.

Se for dere at det i fremtiden blir besluttet at injisert CO2 må fjernes fra en akvifer, enten til industrielle formål eller på grunn av sikkerhetshensyn. Er dette mulig? Prøvå fjerne CO2 vedå suge i injeksjonsbrønnen. Dette må gjøres veldig forsiktig! Kan vi sammenligne fjerning av CO2 fra en akvifer med dagens olje- og gassutvinning?

For å lagre CO2 sikkert både for nåtiden og fremtiden trengs et grundig regelverk (Kilde [4], Kilde [5]). Regelverket bør ta for seg ansvarsforhold både nå og i uoverskuelig fremtid. Basert på elevenes forkunnskaper og erfaringene fra forsøket, hvordan ville de ha utformet et slikt regelverk? Hvilke kriterier bør være tilstede for å få lagre CO2 under havbunnen, og hvordan bør ansvarsforholdet mellom stat og selskapet som lagrer CO2 være? Sammenlign forslagene fra elevene med utkastene til regelverk fra EU (Kilde [6]) og USA.

Referanser

  1.  J. M. Nordbotten og K. Rygg. Klasseromsforsøk om lagring av CO2 under havbunnen. www.bora.uib.no, 2010.
  2. J. M. Nordbotten. Store løsninger dype problemer. AKA, 2003.
  3. D. Biello. Future of ’clean coal’ power tied to (uncertain) success of carbon capture and storage. Scientific American, 2007.
  4. Bellona. EU lanserer regelverk for CO2-lagring. http://www.bellona.no/nyheter/nyheter 2008/foreslar regelverk for co2 lagring, 2008.
  5. Nyhetsblikket.no. Fjerner hindringer for CO2-lagring under vann. http://www.nyhetsblikket.no/?category=miljo/fjerner hindringer for co2lagring under vann/, 2008.
  6. Kommisionen for de europæiske fælleskaber. Forslag til EUROPA PARLAMENTETS OG RåDETS DIREKTIV om geologisk lagring af kuldioxid og om ændring av Rådets direktiv 85/337/EØF, 96/61/EF, 2000/60/EF, 2001/80/EF, 2004/35/EF, 2006/12/EF og forordning (EF) nr.1013/2006. http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=COM:2008:0018:FIN:DA:PDF, 23. januar 2008

 

Kommentarer/praktiske tips

Det foreslås at forsøket først blir gjennomført i plenum og at det i etterkant blir utført flere parallelle forsøk for å undersøke effekten av ulike forbedringstiltak.

Dersom volumet av sandkaret er mye større enn sandkaret vil volumet av den fortrengte væsken utgjøre liten vannstandsendring i vannkaret. Målefeilen vil dermed bli stor. På den andre siden om vannkaret er av nesten identisk størrelse som sandkaret vil vannstandsendringen bli stor og trykket vil dermed ikke være konstant gjennom forsøket.

Dersom det velges å kjøpe sand, bør fortrinnsvis flere typer sand kjøpes og de ulike sandtypene blandes.

Aktuelle kompetansemål i læreplanen

Læreplan i naturfag

  • Etter Vg1 - studieforberedende utdanningsprogram
    • Forskerspiren
      • planlegge og gjennomføre ulike typer undersøkelser med identifisering av variabler, innhente og bearbeide data og skrive rapport med diskusjon av måleusikkerhet og vurdering av mulige feilkilder
      • skille mellom resultater og påstander og diskutere kvaliteten på metoder og framstilling av egne og andres data og tolkninger
  • Etter Vg1 - yrkesfaglige utdanningsprogram
    • Forskerspiren
      • planlegge og gjennomføre ulike typer undersøkelser med identifisering av variabler, innhente og bearbeide data og skrive rapport med diskusjon av måleusikkerhet og vurdering av mulige feilkilder
  • Etter Vg3 - påbygging til generell studiekompetanse
    • Forskerspiren
      • skille mellom resultater og påstander og diskutere kvaliteten på metoder og framstilling av egne og andres data og tolkninger

Læreplan i geofag - programfag i studiespesialiserende utdanningsprogram

  • Geofag 2
    • Geoforskning
      • gjøre rede for problemstillinger, metoder og resultater i ett forskningsfelt innen geofag
    • Georessurser
      • beskrive hvordan berggrunn og løsmasser i Norge utvinnes og utnyttes
      • drøfte miljøproblemer knyttet til utnyttelse av georessurser og teknologien som blir brukt

Læreplan i teknologi og forskningslære - programfag i studiespesialiserende utdanningsprogram

  • Teknologi og forskningslære 2
    • Den unge forskeren
      • drøfte resultater fra egne undersøkelser i forhold til relevant kunnskap på området, og vurdere hvordan kontroll av variabler og reproduserbarhet er ivaretatt
    • Forskning, teknologi og samfunn
      • drøfte økonomiske, miljømessige og etiske spørsmål i forbindelse med naturvitenskapelig forskning og teknologiutvikling

Materialer og utstyr

  1. Sand, gjerne med flere sandstørrelser. Jo mer inhomogen sandmasse, jo bedre
  2. Bøtte
  3. Rørepinne
  4. Vann
  5. Sandkar, to-liters vannflaske med avskjært bunn
  6. Gjennomsiktig vannkar (f.eks. akvarie), fortrinnsvis med enkel geometri (sylinderformet eller firkantet) og ikke mye større enn sandkaret.
  7. Filter, for eksempel lintøy, bruskork med hull i e.l.
  8. Hyssing/strikk til å feste filteret med
  9. Rist, må være liten nok til å få plass oppi vannkaret
  10. Øse
  11. Målebånd
  12. Tusj
  13. Tape
  14. Sugerør
  15. Videokamera og/eller digitalt kamera
  16. Notatblokk
  17. Vekt
  18. Målebeger
  19. Stekepanne
  20. Komfyr
  21. Kniv/saks

Nettressurser