Application of noble gas signatures in monitoring schemes for offshore CO2 storage

ICO2P-prosjektet (2018 - 2021) har hatt som mål å undersøke om analyse av edelgasser og CO2 ved innovativ bruk av ny teknologi er en god metode for geokjemisk og kvantitativ overvåkning av CO2-lagringssteder på norsk sokkel. Forskere ved Eawag i Sveits har utviklet et bærbart instrument; miniRUEDI [1], et massespektrometer som er helt unikt i sitt slag, da det kan måle ekstremt lave konsentrasjoner av edelgasser (He, Ne, Kr, Xe, Ar), samt andre miljø-relevante gasser (O2, CH4, CO2 and N2) i semi-kontinuerlige tidsserier ute i felten. Dette er et signifikant fremskritt, da kunnskap om gassammensetning kan gi mye miljørelevant informasjon der og da. I prosjektet har vi samlet prøver fra norske naturgassfelt, CO2-fangstoperasjoner og ved CO2 lagringssteder for å få kunnskap om geokjemien og isotopsignaturene til gass som skal lagres. Vi har også overvåket edelgassvariasjonen i ulike CO2-fangstoperasjoner ved bruk av miniRUEDI [1] direkte koblet til rørledningene, både ved Teknologisenteret Mongstad, Melkøya (Snøhvit) og Klemetsrud avfallsforbrenningsanlegg. Dette er ikke tidligere kartlagt og gir ny vitenskapelig innsikt i prosessene som forårsaker at CO2 som lagres har en unik signatur. Edelgasskonsentrasjonene i «fanget» CO2 viser seg å være mye lavere enn i atmosfæren, mens det er signifikante relative forskjeller i konsentrasjon og signatur mellom ulike fangstoperasjoner. Vi dokumenterer også tidsvariasjoner i gassens signatur i et enkelt målepunkt, som gir unik innsikt i fangstprosessene. Kunnskap om gassenes kjemiske/ fysiske «fingeravtrykk» (CO2+edelgassisotoper) kan senere brukes til å identifisere opphavet. Dette er meget viktig for å kunne avdekke eventuell lekkasje fra CO2-lagringssteder, da man må kunne skille antropogene fra naturlige gasser som pipler ut fra havbunnen. Kunnskapen om edelgassignaturene i fanget eller antropogen CO2 ble brukt til å modellere hvordan signaturene vil endres når injisert CO2 kommer i kontakt med fluider (fossilt saltvann) nede i de geologiske reservoarene. Beregninger viser at med tiden vil injisert gass endre signatur, da den vil ta opp mer edelgasser fra reservoaret. Signaturen vil likevel være gjenkjennelig og kunne skilles fra atmosfærisk gass, fossil naturgass og gasshydrater. For å øke sporbarheten ytterligere kan man også tilsette edelgassisotoper som sporstoff, for eksempel Xenon. Beregner viser at dette per nå er ganske kostbart (>1$/t CO2), og ofte er det ikke nødvendig, da signaturen allerede får en distinkt signatur fra naturlige prosesser. Resultatene av disse studiene er publisert i vitenskapelige artikler. Sommeren 2019 ble det innhentet grunnvannsprøver fra Sintefs CO2 feltlaboratorium ved Svelvik. Høsten 2019 ble det gjennomført en testinjeksjon her, som ble overvåket bla med miniRUEDI. Resultatene prosesseres nå, og vil gi kunnskap om CO2 distribusjon og sporbarhet i geologiske reservoarer. Prosjektets stipendiat har også deltatt i analogstudier i Mt. Terri, hvor man tester ut monitorering av CO2 som migrerer i en forkastningssone, og hvor edelgasser viser seg å være gode sporstoffer. Stipendiat Ulrich Weber disputerte 3. desember 2021. Sommeren 2020 fikk ICO2P være med Havforskningsinstituttet på tokt og samlet inn sedimentkjerner fra havbunnen i Nordsjøen for å analysere porevannskjemi og edelgasser over og i nærheten av det aktuelle CO2-lageret Aurora. I tillegg fikk vi i 2021 tilsendt flere naturgassprøver fra norsk sokkel. Resultatene prosesseres nå, og vil bidra i den ultimate målsetningen i prosjektet, som er å designe et mobilt, kostnadseffektivt overvåkningsprogram for CO2-lagringssteder, som er spesifikt for ulike CO2 kilder. Norge har forpliktet seg til å redusere nasjonale CO2-utslipp med 40 % innen 2030. For å oppnå dette ambisiøse målet må flere tiltak settes i verk, hvorav CO2-fangst og lagring (CCS) er en viktig og gjennomførbar metode som har stort potensiale i Norge. Men for at CCS skal få aksept blant befolkning og beslutningstakere er det ekstremt viktig med gode, robuste og kostnadseffektive overvåkningsmetoder som verifiserer sikker lagring på lang sikt. ICO2P anbefaler at edelgass-signaturer inngår i karakterisering og overvåkning av lagringssteder for CO2. Ref: [1] Brennwald et al. (2016) in Environ. Sci. Technol. 50(24), 13455-13463.

OUTCOMES -Set-up and calibration procedure for on-site noble gas (NG) monitoring established -Reference data set of background isotopic signatures provided -Temporal variations in CO2-streams from different capture processes documented. The common NG signature is depletion. -Improved estimations of intra-reservoir mixing and fluid composition, inherent signatures and detectability -Added NG tracers are expensive, Xe most feasible. Inherited signatures often sufficient. IMPACT -Mobile mass spectrometry (miniRUEDI) provides new opportunities for cost-effective, reliable and semi-continuous on-site CCS monitoring -NG data improved characterization of natural vs. injected fluids, and strengthens confidence in leakage detection / source attribution -Significant cost reduction in using inherent NG tracers and targeted sampling for verification of CO2 storage integrity -Innovative monitoring methods presented are globally applicable -ICO2P has added to the pool of future CCS

Norway is at the forefront of carbon capture and storage (CCS), with operating storage sites at the Sleipner and Snøhvit fields, and with a national plan to realize full scale CCS with storage at Smeaheia. In order to verify containment and ensure long-term storage security, cost-effective and reliable monitoring methods are needed. The ICO2P (reads: "isotope") project aims to provide a new, cutting-edge and cost-effective method to monitor gas dynamics in CO2 storage reservoirs by recording and tracking noble gas fractionation and isotopes during their evolution in time and space. This approach will allow for source-specific identification of fluids; differentiating injected (anthropogenic) CO2 from natural methanogenic/biogenic CO2 rich gases. The proposed project is building on experiences and results achieved in a CLIMIT-Demo feasibility study conducted during 2017. The project partners are UiO, Statoil, NTNU and Eawag (Switzerland), with a central and essential Ph.D. candidate hosted by UiO. ICO2P will utilize new technology; the portable miniRUEDI [1] membrane inlet mass spectrometer which provides a unique never-seen-before capability for real time analysis of noble gas contents in gas production and CO2 injection lines. Reliable monitoring is fundamental for gaining public acceptance for CCS and a requirement from policy makers. ICO2P will provide a background data set of natural occurrences of noble gases and design source-specific leakage detection and monitoring schemes for Norwegian CO2 storage sites. Increased confidence in CCS may be crucial in reaching the goal of 40 % national cuts within 2030. [1] Brennwald, M. S., Schmidt, M., Oser J. & Kipfer, R. (2016) A portable and autonomous mass spectrometric system for on-site environmental gas analysis. Environ. Sci. Technol. 50(24), 13455-13463.