I sju år har forskere jobbet for å finne ut hvordan geologien under Adventdalen på Svalbard ser ut. Vil de geologiske formasjonene sørøst for Longyearbyen egne seg til å lagre CO₂?

Forskerne visste at bergartene på Svalbard er mindre villige til å la CO₂ strømme gjennom enn bergartene under Nordsjøen. Etter å ha boret åtte brønner, pumpet tonnevis med vann og lyttet etter mikrosprekker kan forskerne avgi sin dom.

Men la oss først spole fire år tilbake.

Under permafrosten

I 2010 borer forskere på Svalbard sitt fjerde hull. Det går ned til 970 meter. Underveis henter de opp steinprøver som meter for meter viser hva slags bergart boret har gått gjennom.

De øverste 100 meterne er permafrost. Videre nedover kommer lag med sandsteinformasjoner og tykke skiferlag. Skiferlagene er viktige. De er såkalte kappebergarter som hindrer gass å lekke oppover mot overflaten.

Fra rundt 670 meter og nedover er fjellet mer porøst med naturlige sprekkdannelser. Disse lagene av sandstein kan derfor egne seg til lagring av CO₂.

Forskerne pumper ned vann under høyt trykk for å simulere flytende CO₂. Vann blir brukt siden det er lettere å håndtere enn CO₂ og oppfører seg omtrent som CO₂ i berggrunnen, bortsett fra kjemiske reaksjoner. Nede i brønnen vil vannet sive ut i reservoaret og lage sprekker.

Geofoner – en slags mikrofoner – et stykke ned i berggrunnen i nærheten lytter til bevegelser i bakken og fanger opp de bitte små rystelsene som oppstår når fjellet sprekker. Hele denne prosessen gjentar forskerne i flere borehull i flere dybder og med ulikt trykk på vannet.

Kraftig undertrykk nede i reservoaret

Men noe var rart i brønn nummer fire. På 900 meters dyp skal vanntrykket normalt være 90 bar høyere enn på overflaten. Det tilsvarer vekten av en vannsøyle på 900 meter. I brønn nummer fire økte ikke trykket slik det skulle. I stedet var det et undertrykk på cirka 50 bar i steinformasjonene under skiferlagene.

– Det er nesten vakuum der nede. Under slike betingelser vil reservoaret nærmest suge til seg CO₂, og det blir ingen lekkasje oppover når vi sprøyter inn CO₂, sier professor Snorre Olaussen ved Universitetssenteret på Svalbard (UNIS).

En av årsakene til det lave trykket er permafrosten. Men det forklarer bare en del av undertrykket. I tillegg kommer geologiske faktorer som bevegelser i jordskorpen, senere tids hevning av Svalbard og sannsynligvis et uttømt, tidligere gassfylt, reservoar.

Fenomenet er også observert i Barentshavet der enkelte boringer har vist opptil 20 bar undertrykk nede i formasjonene.

Men boringene på Svalbard hadde flere overraskelser i vente for forskerne.

Hører mikrosprekker oppstå

Når flytende CO₂, eller i dette tilfelle vann, pumpes ned i berggrunnen, vil den presses ut i hulrom og sprekker. Vannet eller CO₂-en kan skape nye sprekker, avhengig av trykk, volum og bergart.

Når reservoaret skal brukes som CO₂-lager, er det spesielt viktig å følge med på om skiferlaget over reservoaret får mikrosprekker. Ved tidlig varsling kan pumpingen endres og forhindre at CO₂ lekker opp til overflaten.

– Sprekkene oppstår ikke nødvendigvis der CO₂ eller vann presses gjennom bergarten. I noen tilfeller kan sprekkene oppstå langt unna, dersom spenningene i bergarten blir endret nok, sier avdelingssjef Volker Oye ved Norsar på Kjeller.

På Svalbard har hans gruppe plassert geofoner som lyttet etter mikroseismisk aktivitet i området rundt borehullene. To sett geofoner ble plassert i to brønner ned til henholdsvis 300 og 550 meter. Fem andre sett geofoner ble plassert i grunne brønner på 8–12 meter. I tillegg ble sensorer plassert på overflaten.

Dataene fra geofonene brukes i matematiske modeller som viser hvor sprekkene dannes og hvor store de er. Forskerne jobber fortsatt med å analysere dataene, men det store bildet er klart.

– Instrumentene viste at det var lite seismisk aktivitet i området etter vanninjeksjon. I alt registrerte vi bare ti mikroskjelv. Vi så sprekkdannelser i sandsteinlagene, men ingenting i skiferlagene da vann med høyt trykk ble pumpet inn, sier Oye.

Kan lagre CO₂ i mange år

Etter å ha hentet opp kilometer med kjerneprøver fra boringene, testet trykk ved vanninjeksjon og gjort seismiske undersøkelser, slår forskerne fast at reservoaret under Adventdalen egner seg til lagring av CO₂.

– Analyser og modellering tilsier at volumet i reservoaret er så stort at det kan ta i mot minst 20, kanskje 40 års fangst av CO₂ fra dagens kullkraftverk på Svalbard. Det slipper ut cirka 60 000 tonn CO₂ per år, sier Ragnhild Rønneberg som ledet Longyearbyen CO₂ Lab fra 2010 til 2014.

Hun er nå spesialrådgiver innen CO₂ -håndtering i Norges forskningsråd.

Interessen fra utlandet har vært stor for lagringsstudiene på Svalbard. Paradoksalt nok er den kompliserte geologien i reservoaret en interessevekker. Bergartene under Adventdalen er et såkalt ukonvensjonelt reservoar som ikke har verdens beste gjennomstrømning og er brutt opp av små forkastninger.

– Slike ukonvensjonelle reservoarer finnes mange andre steder, for eksempel i Sør-Afrika, et land med en betydelig kullkraftvirksomhet. Dersom prosjektet i Longyearbyen videreføres med injeksjon av CO₂ om noen få år, kan dette bidra til viktig kunnskap om slike reservoar og vise hvordan boring, instrumentering, geofysiske undersøkelser og modellering kan gjøres, sier Rønneberg.

Neste steg blir å pumpe ned CO₂

Alle borehullene i forsøkene blir plugget. De kunne uansett ikke brukes til å injisere CO₂. Da trengs større dimensjoner, rustfrie komponenter og kraftigere boreutstyr.

UNIS CO₂ Lab har søkt Sysselmannen og lokale myndigheter om tillatelse til å injisere 200 000 tonn ren CO₂. Det Norske Veritas (DNV GL) har vurdert risikomomentene ved en slik testoperasjon og konkludert med at det ikke er noen problemer dersom forskriftene følges, og bore- og injeksjonsaktivitetene skjer med rett utstyr.