CCS, CCUS EP5 Reservoir Engineering ep3

CCS, CCUS EP5 Reservoir Engineering ep3 – CCS, CCUS ตอนที่ 5 อนาคตเทคโนโลยี CCS, CCUS กับพื้นฐานวิศวกรรมแหล่งกักเก็บ (reservoir engineering) 3/4

สวัสดีครับพี่ๆ น้องๆ เพื่อนๆ สำหรับใครที่ติดตามการอ่านซีรี่ย์ CCS ของผมก็ขอขอบคุณทุกท่านจากใจจริงนะครับ ในตอนที่แล้วเราได้พูดคุยกันไปถึงประเภทของแหล่งกักเก็บที่มีทั้งหมด 3 ประเภทซึ่งก็มีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันไปถูกไหมครับ?

CCS, CCUS EP4 Reservoir Engineering ep2

สำหรับในบทความตอนนี้ผมจะพาทุกท่านมาโฟกัสกันที่ตัวก๊าซ CO₂ กันครับผม ถ้าพร้อมแล้วเรามาเริ่มกันเลยครับ

CCS, CCUS EP5 Reservoir Engineering ep3

ในงาน CCS หากใครจำบทความตอนแรกได้ว่าทำไมเราต้องดักจับ CO₂ ก็คงจะรู้แล้วใช่ไหมครับว่ามันปรากฏตัวในทุกๆ กิจกรรมของมนุษย์อย่างเราๆ กันเลยทีเดียว

ถ้าจะซื้อของใน shopee อยู่แล้ว เข้าทางนี้เลยครับ ผมจะได้ค่าคอมฯ ถือว่าช่วยผมจ่ายค่าเช่า host server ไม่ใช่คลิ๊กดูดเงินแน่นอนครับ ไม่ต้องกังวล

ทีนี้ก๊าซ CO₂ ที่เรารู้จักกันเนี่ย มันสามารถเปลี่ยนสถานะได้ทั้งในรูปของแข็ง (solid) เช่นน้ำแข็งแห้ง ของเหลว (liquid) และ ก๊าซ (gas)

ซึ่งไอสิ่งที่จะตัดสินว่า CO₂ของเราจะอยู่ในสถานะไหนนั้น คือสภาพแวดล้อมที่มันอยู่ ณ ตอนนั้นครับ ซึ่งว่าง่ายๆก็คือ ความดัน (pressure) กับ อุณหภูมิ (temperature) นั้นแหละ

ซึ่งแต่ละสถานะก็จะมีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันไปครับ รูปนี้เป็นภาพจำลองพฤติกรรมของโมเลกุลของสารทุกตัวในโลกแบบเอาฮาและเห็นภาพได้ชัดนะครับ ฮ่า

จากรูปเราจะเห็นได้ว่า โมเลกุลของสารในสถานะก๊าซเนี่ยมันค่อนข้างกระจัดกระจาย ทำให้ก๊าซมีข้อดีคือน้ำหนักเบา และ เคลื่อนที่ได้ง่ายกว่าสถาะของเหลว และ ของแข็งครับ ในสถานะของเหลว

-------------------------------------------------------

ไม่พลาด ข่าวสาร บทความ ความรู้ ประกาศตำแหน่งงานว่าง และ อื่นๆ

กรอก ชื่อ และ อีเมล์ ในแบบฟอร์มข้างล่าง จะมีอีเมล์กลับมาให้ "ยืนยัน" นะครับ การสมัครจึงจะสมบูรณ์ ... อ้อ ... อย่าลืมดูใน junk, trash, spam box นะครับ บางทีระบบมันเอาอีเมล์ตอบกลับไปไว้ที่นั่น

จะมีอีเมล์กลับมาให้ "ยืนยัน" นะครับ การสมัครจึงจะสมบูรณ์ … อ้อ … อย่าลืมดูใน junk, trash, spam box นะครับ บางทีระบบมันเอาอีเมล์ตอบกลับไปไว้ที่นั่น แล้วอย่าลืม mark as not junk or spam ด้วยนะครับ เวลาส่งเตือนคราวหน้า จะได้ไปอยู่ใน in box :)

โมเลกุลจะจับกลุ่มกันแน่นยิ่งขึ้นทำให้พอมีน้ำหนักอยู่บ้าง แต่จะเคลื่อนที่ได้ช้ากว่าก๊าซเพราะของเหลวเวลาไหลมักจะมีแรงต้านซึ่งก็คือความหนืดจากตัวมันเอง

ส่วนของแข็งโมเลกุลรวมตัวกันได้เยอะสุดได้น้ำหนักมากที่สุด แต่เคลื่อนที่ไปไหนไม่ได้ (เว้นเสียแต่ว่าจะมีคนมาหยิบแล้วปาออกไปนะครับ ฮ่าๆ 555)

ซึ่งการเปลี่ยนสถานะของสารบริสุทธิ์ (pure) ใดๆ จะอธิบายได้ด้วยเครื่องมือที่เรียกว่า “แผนภูมิเฟส” (Phase diagram) ซึ่งแผนภูมิที่อธิบายพฤติกรรมสถานะของก๊าซ CO₂ จะแสดงดังรูปด้านล่างครับ

อันนี้ผมพยายามจะหากราฟที่แสดงถึงค่าความหนาแน่น (density) มาประกอบด้วยเพราะอยากให้เห็นมิติของน้ำหนักที่เปลี่ยนไปเมื่ออุณหภูมิและความดันเปลี่ยนแปลงครับ ซึ่งปกติเราหายใจกันจะอยู่ที่ความดันประมาณ 0.1 MPa อุณหภูมิประมาณ 40 C (แดดเมืองไทยมันร้อนอะเนอะ 555)

ซึ่งผมได้ตีเส้นจากแกนแต่แกนมาชนกันเพื่อเช็คสถานะก็จะตกที่โซนแก๊สพอดี ซึ่งตรงกับความเป็นจริง (แหง่แหละ ถ้าไม่ตกคือผมก็มั่วมา 555)

ทีนี้มาถึงฉากสำคัญและเป็นประเด็นของเราครับ ในงาน CCS จุดประสงค์คือเราต้องการอัด CO₂ ให้ได้ปริมาณมากที่สุด คำถามคือเราจะอัดยังไงให้ได้มากที่สุดครับ??? คิดๆ

เฉลยครับ เราจะอัด CO₂ ให้อยู่ในสถานะพิเศษแทนครับซึ่งภาษาไทยเรียกเท่ห์ๆ ว่า “ของไหลวิกฤตยิ่งยวด” หรือ ภาษาอังกฤษเรียกว่า supercritical fluid ซึ่งตัวย่อของมันคือ sc และ ต่อจากนี้ผมก็เรียกมันว่า sc นะครับ

แล้วไอเจ้าสถานะ sc มันดียังไง?

สถานะ sc เนี่ยมันเป็นการรวมข้อดีของคุณบัติโมเลกุลที่ผมได้กล่าวไปทั้งของแก๊สและของเหลวครับ แปลง่ายๆคือ มันไหลได้ง่ายเหมือนแก๊ส แต่มีความหนาแน่นเหมือนของเหลวนะจ๊ะ

นี่แหละครับคือคำตอบว่าทำไมเราถึงสนใจอัดมันในสถานะ sc ถ้าผมควบคุมอุณหภูมิโดยเพิ่มความดันไปเรื่อยๆ จุดตัดของเส้นแดงผมจะไปตกอยู่ในโซน sc ซึ่งมีเส้นโค้งๆ สีดำวิ่งผ่านตามความดันที่ค่อยๆเพิ่มขึ้นครับ

ถ้าคุณสังเกตตัวเลขด้านขวาของกราฟจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นในทิศทวนเข็มนาฬิกาซึ่งมันคือค่าความหนาแน่นของ CO₂ ตามอุณหภูมิและแรงดันที่เปลี่ยนไปครับ ตัวอย่างตามกราฟด้านล่างเลยครับ

สังเกตจากกราฟดูครับว่าผมควบคุมอุณหภูมิที่ 40 องศา และเพิ่มความดันไปเรื่อยๆ ตั้งแต่ 10, 15, และ 30 MPa ตามลำดับคุณจะเห็นว่าค่าความหนาแน่นของ CO₂ ก็เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เหมือนกัน

สำหรับงาน CCS เค้ามักจะแนะนำให้แหล่งกักเก็บที่คุณพิจารณามีความลึกมากกว่า 800 เมตรเป็นต้นไปเพราะว่า อุณหภูมิและความดันที่จุดลึก 800 เมตรนั้นจะทำให้ CO₂ คงอยู่ในสภาวะ sc พอดีครับ

คุณลองกดคำนวณไวๆ ก็ได้ สมมุติอุณภูมิบนผิวดินที่ 35 องศา temperature gradient ของแหล่ง = 3C / 100 m และ pressure gradient = 9.8 kPa/m ที่ความลึก 800 เมตรจะได้ T= 35 + 24 = 59 องศา, P= 7.84 MPa (ผมแปลงหน่วยมาให้แล้ว)

คุณลองเอาค่าที่ได้กลับไปเช็คในกราฟดูครับว่า CO₂ ของคุณยังเป็น sc อยู่หรือไม่

ประเด็นถัดมาคือเมื่อ CO₂(sc) ที่อยู่ในสถานะ sc เนี่ยอุปกรณ์ต่างๆไม่ว่าจะเป็น casing, tubing, o-ring หรือ พวก gasket ต่างๆ ที่เราใช้กันมันสามารถรองรับการใช้งานได้หรือไม่โดยเฉพาะ อุปกรณ์จำพวกยางอย่างเช่น sleeve

จากที่ผมเจอมาในงานการทดลองเวลาเจอ CO₂ ในสถานะ sc มักจะบวมขยายทำให้เกิด damage กับอุปกรณ์หรือ failure ได้ครับหากออกแบบมาไม่ได้รองรับการทำงาน ไอเจ้าหน้าตาของสถานะต่างๆของ CO₂ มีพี่ฝรั่งท่านนี้ได้ทำอุปกรณ์คล้ายๆ ตาแมวที่ใช้เติมน้ำยาล้างแอร์ เพื่อสังเกตพฤติกรรมครับท่านใดสนใจลองตามไปดูได้แกบอกวิธีการทำไว้ด้วยนะเออ A close look at supercritical carbon dioxide CO2

Ep นี้ผมก็ขอจบแต่เพียงเท่านี้ครับผมหวังว่าบทความจะเป็นประโยชน์ให้กับพี่ๆ เพื่อนๆ ทุกท่านครับ ep หน้าผมจะพาไปรู้จักกับ 4 จตุรอาชา (กลไก การกักเก็บ CO₂ อย่าง secure และ permanent แบบของจริง รับรองเข้มข้นและลึกซึ้งครับ ฮ่าๆ)

Nautilus (Tuna) – nattirut.ys@gmail.com

Special thanks to PEwoF team

CCS, CCUS EP6 Reservoir engineering EP4