Integratie van geowetenschappelijke data en onzekerheden in techno-economische voorspellingen voor CO2-afvang en -opslag

Met een overweldigende bewijslast kan het opwarmen van de aarde en de bijbehorende klimaatverandering direct gelinkt worden de toename van de menselijke uitstoot van broeikasgassen, waarvan CO2 de belangrijkste is. De verhoging van de gemiddelde globale temperatuur heeft verschillende effecten op de natuurlijke omgeving, waarvan sommige beschouwd worden als zeer bedreigend voor de menselijke samenleving. In het klimaatakkoord van Parijs in 2015 werd daarom internationaal overeengekomen dat de opwarming van de aarde beperkt moet worden tot 2°C ten opzichte van het pre-industriële niveau (ca. 1750), en zelfs om een grens van 1.5°C na te streven. Deze doelstelling is heel ambitieus en alle beschikbare uitstootverlagende technologieën zullen ingezet moeten worden om ze te bereiken tegen een acceptabele kost voor de samenleving.

Om de uitstoot van grote stationaire CO2 bronnen zoals elektriciteitscentrales en industriële installaties te beperken kan de CO2 uit de verbranding van fossiele brandstoffen of uit chemische processen afgevangen en opgeslagen worden in geologische formaties. De CO2 wordt geïnjecteerd in de natuurlijke porositeit van zo’n ondergronds reservoir, waar verschillende processen ervoor zorgen dat het voor lange tijd opgeslagen blijft. Hoewel dit proces van CO2 afvang en opslag (CCS) niet onomstreden is, heeft het een hoog reductiepotentieel, en het is waarschijnlijk dat de 1.5°C doelstelling zonder toepassing van CCS niet gehaald kan worden.

Voor het opgeslagen wordt kan CO2 ook gebruikt worden, wat een mogelijke business case voor CCS oplevert. Grote hoeveelheden CO2 kunnen bijvoorbeeld in olievelden geïnjecteerd worden om de olieproductie te bevorderen. Onder de Noordzee bevinden zich verschillende velden met mogelijk potentieel voor deze CO2-enhanced oil recovery (CO2-EOR), maar dergelijke investeringen zijn nog niet gebeurd omdat de economische en praktische context een uitdaging vormen.

Klimaatmitigatie en grote industriële activiteiten vereisen grote investeringen. Daarom worden de lange-termijn gevolgen van beleids- of investeringsbeslissingen geëvalueerd met behulp van techno-economische computersimulators.  Gewoonlijk worden de ware aard van geologische reservoirs en de onzekerheden die er onlosmakelijk mee verbonden zijn genegeerd in deze simulaties. Hieruit volgen onrealistische probabiliteiten van de resultaten,  welke ongunstige beslissingen over investeringen en het energie- en klimaatbeleid ondersteunen.

Een volledig nieuwe methodologie is daarom ontwikkeld, de PSS suite (Policy Support System) van geo-techno-economische voorspellingssimulatoren. Een unieke combinatie van algoritmes is gemaakt om expliciet verschillende bronnen van onzekerheid te omvatten in het voorspellingsproces. Het nemen van opeenvolgende beslissingen onder onzekerheid wordt realistisch gesimuleerd door het maken van geneste Monte Carlo berekeningen in een Reële Opties beslissingsboom met echte beperkte vooruitziendheid. De toepassing van de Modern Portfolio Theory verzekert een optimale balans tussen de opbrengst en het risico van investeringen.

De PSS suite heeft twee simulatiemodes. In de eerste modus wordt de economie-brede toepassing van CCS-technologie gesimuleerd. CO2-producerende faciliteiten worden verbonden via een netwerk van pijpleidingen met geologische reservoirs of exportopties. In de tweede modus worden investeringsbeslissingen voor de toepassing van CO2-EOR en CO2 opslag in olievelden gesimuleerd vanuit het perspectief van een bedrijf.

Twee case studies voor CCS, in België en Oostenrijk, worden behandeld met elk een andere context voor de uitrol van de technologie. In België bestaan potentiële opslagreservoirs uit diepe aquifers, steenkoolsequenties en verlaten mijnen. Anderzijds heeft Oostenrijk potentiële opslagcapaciteit in verschillende (bijna uitgeputte) olie- en gasreservoirs. Het niveau van onzekerheid op de reservoirparameters zorgt er voor dat een realistische gedetailleerde source-sink matching niet uitgevoerd kan worden met een klassieke berekening, omdat een hoog kennisniveau van het reservoir wordt verondersteld bij het nemen van een investeringsbeslissing voor CCS.

Reservoironzekerheden die meerdere grootteordes beslaan en een lage beschikbaarheid van gegevens zijn problematisch bij het maken van een gedetailleerde source-sink matching. Als onzekerheden volledig worden opgenomen in het proces, kan echter een betrouwbare beoordeling worden gemaakt. Met de PSS tools is het mogelijk om voorspellingen te maken over de opslag van CO2 en CO2-enhanced oil recovery, met de integratie van verschillende bronnen van onzekerheid en het kwantificeren van hun impact.

Door het verzamelen en gebruiken van meningen van experts over de reservoirkarakteristieken kan een volledig beeld verkregen worden over de kennis en onzekerheden in de vorm van probabiliteitsverdelingen. Met behulp van deze data wordt een exploratiestap gesimuleerd, wat resulteert in een probabilistische verdeling van de beschikbare, of praktische capaciteit. Deze reservoirdata wordt gebruikt als invoer voor de techno-economische PSS simulaties. Dit resulteert in een exploratie-prioriteitenlijst en een inschatting van de capaciteit die gebruikt zal worden voor opslag, of gematchte capaciteit. Voor België werd een gemiddelde praktische capaciteit van 625 Mt berekend, en de Neeroeteren Formatie wordt het meest waarschijnlijk ontwikkeld voor CO2 opslag. Voor Oostenrijk is de gemiddelde praktische capaciteit 118 Mt, en het Shönkirchen Übertief reservoir is het meest prospectief.

Drie olievelden in de Noordzee worden geanalyseerd in een CO2-EOR case study: Buzzard, Claymore en Scott. Door het toevoegen van een CO2-opslagfase wanneer de olieproductie stopt wordt de flexibiliteit binnen het project verhoogd en het investeringsrisico verlaagd onder onzekerheid. Mede hierdoor is er een lagere hurdle rate nodig, die toegepast wordt op het rendement van de investering als risicobeheer in de evaluatiefase, in vergelijking met wat doorgaans wordt toegepast om het hoge risico van deze investeringen te compenseren.

Flexibiliteit en onzekerheid moeten op elkaar afgestemd worden opdat projecten gestart worden en de opslag van CO2 in Europa mogelijks versneld kan worden. Winstgevende CO2-EOR projecten zijn mogelijk bij olieprijzen van minder dan 50 €/bbl, maar een relatief hoge CO2-prijs is nodig. Het zijn voornamelijk de techno-economische omstandigheden die de haalbaarheid van een project bepalen, maar tegen deze economische grenzen wordt ook geologische onzekerheid een bepalende factor.