Utveckling av porstruktur i kol under underjordisk värmebehandling: en experimentell undersökning

Att förvandla kol från klimatproblem till klimatverktyg

Kol ses vanligtvis som en stor drivkraft för klimatförändringar, men denna forskning undersöker ett sätt att omvandla djupa, outtagna kolbäddar till en renare energikälla och ett långsiktigt hem för koldioxid (CO2). Genom att varsamt värma kol under jord i stället för att bränna det vid ytan kan vi producera användbara bränslen samtidigt som vi lämnar kvar ett kolrikt, svampaktigt material som potentiellt säkert kan innesluta CO2. Denna studie ställer en enkel men avgörande fråga: när kol värms på plats, hur förändras dess inre ”porstruktur” och hur väl kan den sedan lagra CO2?

Värma kol utan att gräva upp det

Metoden, kallad underjordisk termisk behandling av kol, värmer långsamt kolbäddar i en syrefri miljö till temperaturer upp till 600 °C. I stället för att bryta upp kolet skulle ingenjörer injicera värme genom brunnar, samla upp de gaser och vätskor som drivs ut och sedan återanvända samma brunnar för att injicera CO2 tillbaka i den nu behandlade bädden. Den kvarvarande fasta substansen, känd som pyrolytiskt kol (char), beter sig något som en styv, kolbaserad svamp full av porer i olika storlekar. Dessa porer avgör hur mycket bränsle som kan produceras under uppvärmningen och hur mycket CO2 bergarten kan hålla efteråt, så att förstå deras utveckling är centralt för utformningen av en säker, lågkoldioxidprocess.

En titt in i kolochrets dolda labyrint

För att undersöka detta dolda pornät tog författarna lågkvalitativt kol från Inre Mongoliet och värmde prover mycket långsamt till åtta målsättningar mellan 30 °C och 600 °C under heliumatmosfär. De använde sedan tre kompletterande labbtekniker: CO2-adsorption för att undersöka de allra minsta porerna (mindre än 2 nanometer), kväveadsorption för att karakterisera medelstora porer och kvicksilverinträngning för att kartlägga större porer och sprickor. Tillsammans gjorde dessa metoder det möjligt att följa förändringar i total porvolym, intern yta och pornätverkets komplexitet när kolet gick igenom olika uppvärmningsstadier.

Från krympande utrymme till växande svamp

Resultaten visar att kol inte helt enkelt ”öppnar upp” när det värms; i stället går det in i distinkta faser. Först, när temperaturen stiger från rumstemperatur till cirka 350 °C, minskar den totala porvolymen trots att den inre ytan ökar något. Vätskor som bildas under tidig uppvärmning sipprar in i större porer och delvis täpper igen dem, samtidigt som ett måttligt antal nya mycket små porer uppträder. Mellan ungefär 350 °C och 450 °C vänder denna trend: gaser och nedbrutna vätskor släpps ut, vilket skapar nya håligheter och expanderar både stora och små porer. Ovanför cirka 450 °C, och särskilt vid 600 °C, utvecklar kolet många fler av de minsta porerna tillsammans med en återuppkomst av stora porer, så att både total volym och yta ökar markant och pornätet blir bättre sammanlänkat.

Tre nyckelstadier i kolets omvandling

Genom att koppla dessa mätningar till en standardindikator för kolmognad identifierade forskarna tre stadier i den underjordiska uppvärmningsprocessen. I det första stadiet (låg mognad) går utrymme förlorat när vätskor fyller medelstora och stora porer. I det andra stadiet (medelhög mognad) skapar snabb nedbrytning av organiskt material och gasutsläpp nya kanaler, vilket kraftigt ökar porvolym och sammanlänkning. I det sista, gasgenererande stadiet vid högre mognad genererar fortsatt gasavgivning och strukturell omorganisering en tät population av små porer intill expanderande stora porer. De mycket små porerna svarar för största delen av den inre ytan där CO2-molekyler kan fästa, medan större porer fungerar som motorvägar som hjälper CO2 att röra sig in i och genom bergarten.

Vad detta betyder för att lagra kol under jord

I vardagliga termer förvandlar noggrann underjordisk uppvärmning ett relativt kompakt kolstycke till en mer intrikat, flernivåsvamp. Studien visar att drift vid högre behandlings­temperaturer inom det testade intervallet kraftigt ökar antalet mikroskopiska vrår där CO2 kan hållas och förbättrar de vägar som låter gasen spridas genom bädden. Den kombinationen skulle kunna göra det möjligt för underjordisk termisk behandling av kol att leverera användbara bränslen samtidigt som den lämnar kvar ett underjordiskt filter som kan lagra CO2 på lång sikt, vilket hjälper till att flytta kol från en ren klimatbörda till en del av en bredare koldioxidhanteringsstrategi.

Citering: Yang, S., Li, S., Hou, W. et al. Evolution of pore structure in coal during underground thermal treatment: an experimental investigation. Sci Rep 16, 7424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38256-6

Nyckelord: underjordisk termisk behandling av kol, CO2-lagring, kolporer, ren kolteknik, koldioxidavskiljning