הערכת פוטנציאל ואופטימיזציה של אזורים מועדפים לאחסון גיאולוגי של CO2 במאגרים פחמיים עמוקים

מדוע אחסון פחמן בשכבות פחם חשוב

הפחתת פליטות פחמן דו‑חמצני (CO2) בקצב הנדרש להשגת יעדי האקלים דורשת לא רק אנרגיה נקיה יותר, אלא גם מקומות שבהם ניתן לנעול כמויות עצומות של CO2 מתחת לפני הקרקע למשך מאות שנים. שכבות פחם עמוקות, שאי‑אפשר לחצוב בהן כלכלית, מהוות אופציה מבטיחה: הן סופגות CO2 על פני השטח הפנימי שלהן ושומרות אותו כלוא, ובמקביל יכולות לסייע בדחיקת גז טבעי יקר. המחקר בוחן שכבת פחם מרכזית במאגר צ'ינשואי בסין ושואל שאלה מעשית: כמה CO2 יכולות שכבות פחם עמוקות אלה באמת להכיל, והיכן נמצאות נקודות ההזרקה המתאימות ביותר?

התמונה התת‑קרקעית מתחת לאזור מרכזי של פחם

העבודה מתמקדת בשכבת פחם מס׳ 3 בדרום אגן צ'ינשואי, אחד האזורים החשובים בסין מבחינת פחם וגז מפחם. כאן שכבות עבות של פחם בדרגת ביניים‑עד‑גבוהה שוכבות במעמקים של כמה מאות עד יותר מאלף מטר מתחת לפני הקרקע, הכלואות בין חמרים ומחצבים צפופים המשמשים כחותמות טבעיות. מי תהום מחולקים לשכבות נפרדות באופן יחסי, כך שנוזלים אינם נעים בקלות ביניהן. הפחם בשכבת המטרה הוא אנטרצביט קשיח, בעל נקבוביות זעירה ושטח פנים פנימי גדול, מה שהופך אותו ליעיל במיוחד בהחזקת גז על ידי ספיחה—מולקולות הנצמדות לקירות הנקבוביות—ואילו הסלעים הסובבים מסייעים למנוע דליפה.

כיצד CO2 מתנהג כאשר התנאים משתנים בעומק

כשמזרים CO2 מתחת לפני הקרקע, טמפרטורה ולחץ עולים עם העומק, עד שהגז נכנס למצב מעל‑ביקוע (supercritical) שיש לו צפיפות של נוזל וניידות של גז. החוקרים שחזרו תנאים אלה במעבדה באמצעות פחם טחון שנלקח מעומק כ‑900 מטר. הם מדדו כמה CO2 יכול הפחם לקלוט בשלוש טמפרטורות (20, 30 ו‑40 °C) ולחצים עד 20 מגה‑פסקל. בכל הטמפרטורות, הפחם בתחילה קלט CO2 במהירות ככל שהלחץ עלה, לאחר מכן הגיע לשיא, ולבסוף הראו ירידה מתונה בכמות ה"עודפת" שנמדדה. תנאים חמים יותר הפחיתו את כמות ה‑CO2 שהוחזקה בלחץ נתון, כלומר שכבות עמוקות וחמות מתנהגות שונה משכבות רדודות וקרירות.

בניית מחשבון אחסון פשוט אך חזק

כדי להפוך את המדידות לכלי תכנוני, הצוות בחן שלוש תיאורים מתמטיים סטנדרטיים של ספיחה ומצא שגישת רב‑השכבות הידועה כמודל BET תיארה בצורה הטובה ביותר את התנהגות ה‑CO2, במיוחד קרוב ולמעלה מנקודת הביקוע שבה הגז הופך למצב מעל‑ביקועי. הם שילבו את מודל הספיחה הזה עם נוסחאות נפרדות ל‑CO2 שתופס את חלל הנקבוביות כנוזל חופשי ואלו שממוסות במים של ההרכב. תגובות מינרליות, אשר היו מקבעות CO2 כברמת פחמן מוצק על פני מיליוני שנים, הוערכו כזניחות בתקני הנדסה זמןיים עבור שכבה זו. התוצאה היא מערכת משוואות קומפקטית שמעריכה אחסון כולל של CO2 ליחידת מסה של פחם כפונקציה של עומק, תוך שימוש בערכים טיפוסיים לנקבוביות, תכולת מים, צפיפות פחם ולחץ וטמפרטורה in‑situ.

כמה ניתן לאחסן, ומהן האזורים הטובים ביותר

בהזנת נתונים גיאולוגיים אזוריים למסגרת זו, המחברים חישבו כיצד קיבולת האחסון משתנה בין כ‑300 ל‑1300 מטר עומק. בשכבות רדודות יותר, "תת‑ביקועיות", הספיחה על פני שטח הפחם שולחת את המהלך ומתרחבת במידה מתונה עם העומק לפני שהיא מתייצבת. מתחת לכ‑800 מטר בקירוב, שם CO2 הופך למצב מעל‑ביקועי, נתח האחסון כנוזל דחוס חופשי בנקבוביות עולה במהירות, והקיבולת הכוללת מטפסת באופן חד עד סביב 1100 מטר ואז גדלה לאט יותר. באופן כללי, השכבות המרכזיות במחקר יכולות תיאורטית להכיל כ‑575 מיליון טון CO2, כאשר כ‑שני שלישים מקיבולת זו מרוכזים באזור המעל‑ביקועי העמוק יותר. מיפוי מבני מפורט מראה שהאזורים המבטיחים ביותר, המסומנים יחידות I ו‑II, נמצאים בחלק הצפוני והמקטע המבני הפשוט של הגוש, שם פחם עבה, סלעי איטום טובים ומעט רעידות פוטנציאליות לדליפה מצטלבים עם פוטנציאל חזק לייצור גז מפחם.

מה משמעות הדבר לפעילות אקלימית ולשימוש באנרגיה

ללא מומחיות מוקדמת, המסר המרכזי הוא ששכבות פחם עמוקות מסוימות יכולות לפעול כספוגים תת‑קרקעיים עצומים ל‑CO2, במיוחד כאשר לחץ וטמפרטורה דוחפים את הגז למצב דחוס ומעל‑ביקועי. בדוגמת אגן צ'ינשואי, הספיחה על הפחם וה‑CO2 הצפוף בחלל הנקבוביות ביחד מהווים יותר מ‑99% מפוטנציאל האחסון, בעוד ההמסתו במים ותגובות מינרליות איטיות חשובות מעט בטווח הקצר‑ביניים. המחקר מראה שנקודת המתיקות לבטיחות ויעילות נמצאת בין כ‑800 ל‑1100 מטר עומק, ושהאתרי ההזרקה הטובים נוטים לחפוף לעתים לשדות גז ובארות קיימות. זה פותח פתח לפרויקטים המשמרים CO2 ומשפרים במקביל את הפקת המתאן, מה שעוזר לממן את האחסון ומקדם את יעדי "דו‑פחמניים" של סין—שיא ולאחריו הפחתת פליטות.

ציטוט: Xue, Z., Xu, X., Tian, L. et al. Potential evaluation and favorable zone optimization of CO₂ geological sequestration in deep coal reservoirs. Sci Rep 16, 12208 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42680-z

מילות מפתח: אחסון CO2, שכבות פחם עמוקות, נוזלים מעל ביקוע, גז טבעי מפחם, לכידה ואחסון פחמן