Estrategias de monitorización de CO2 y otros gases en los estudios de análogos naturales

La Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y la Università degli Studi di Firenze (UniFi), bajo la coordinación técnica de AMPHOS21, participan desde 2009 en el proyecto de investigación “Estrategias de Monitorización de CO2 y otros gases en el estudio de Análogos Naturales”, financiado por la Fundación Ciudad de la Energía (CIUDEN) en el marco del Proyecto Compostilla OXYCFB300 (http://www.compostillaproject.eu), del Programa “European Energy Program for Recovery - EEPR”. El objetivo principal del proyecto fue el desarrollo y puesta a punto de metodologías de monitorización superficiales para su aplicación en el seguimiento y control de los emplazamientos donde se realice el almacenamiento geológico de CO2, analizando técnicas que permitan detectar y cuantificar las posibles fugas de CO2 a la atmósfera. Los trabajos se realizaron tanto en análogos naturales (españoles e italianos) como en la Planta de Desarrollo Tecnológico de Almacenamiento de CO2 de Hontomín. Las técnicas analizadas se centran en la medición de gases y aguas superficiales (de escorrentía y manantiales). En cuanto a la medición de gases se analizó el flujo de CO2 que emana desde el suelo a la atmósfera y la aplicabilidad de trazadores naturales (como el radón) para la detección e identificación de las fugas de CO2. En cuanto al análisis químico de las aguas se analizaron los datos geoquímicos e isotópicos y los gases disueltos en las aguas de los alrededores de la PDT de Hontomín, con objeto de determinar qué parámetros son los más apropiados para la detección de una posible migración del CO2 inyectado, o de la salmuera, a los ambientes superficiales. Las medidas de flujo de CO2 se realizaron con la técnica de la cámara de acúmulo. A pesar de ser una técnica desarrollada y aplicada en diferentes ámbitos científicos se estimó necesario adaptar un protocolo de medida y de análisis de datos a las características específicas de los proyectos de captura y almacenamiento de CO2 (CAC). Donde los flujos de CO2 esperados son bajos y en caso de producirse una fuga habrá que detectar pequeñas variaciones en los valores flujo con un “ruido” en la señal alto, debido a actividad biológica en el suelo. La medida de flujo de CO2 mediante la técnica de la cámara de acúmulo se puede realizar sin limpiar la superficie donde se coloca la cámara o limpiando y esperando al reequilibrio del flujo después de la distorsión al sistema. Sin embargo, los resultados obtenidos después de limpiar y esperar muestran menor dispersión, lo que nos indica que este procedimiento es el mejor para la monitorización de los complejos de almacenamiento geológico de CO2. El protocolo de medida resultante, utilizado para la obtención de la línea base de flujo de CO2 en Hontomín, sigue los siguiente pasos: a) con una espátula se prepara el punto de medición limpiando y retirando el recubrimiento vegetal o la primera capa compacta de suelo, b) se espera un tiempo para la realización de la medida de flujo, facilitando el reequilibrio del flujo del gas tras la alteración provocada en el suelo y c) se realiza la medida de flujo de CO2. Una vez realizada la medición de flujo de CO2, y detectada si existen zonas de anomalías, se debe estimar la cantidad de CO2 que se está escapando a la atmósfera (emanación total), con el objetivo de cuantificar la posible fuga. Existen un amplio rango de metodologías para realizar dicha estimación, siendo necesario entender cuáles son las más apropiadas para obtener el valor más representativo del sistema. En esta tesis se comparan seis técnicas estadísticas: media aritmética, estimador insegado de la media (aplicando la función de Sichel), remuestreo con reemplazamiento (bootstrap), separación en diferentes poblaciones mediante métodos gráficos y métodos basados en criterios de máxima verosimilitud, y la simulación Gaussiana secuencial. Para este análisis se realizaron ocho campañas de muestreo, tanto en la Planta de Desarrollo Tecnológico de Hontomón como en análogos naturales (italianos y españoles). Los resultados muestran que la simulación Gaussiana secuencial suele ser el método más preciso para realizar el cálculo, sin embargo, existen ocasiones donde otros métodos son más apropiados. Como consecuencia, se desarrolla un procedimiento de actuación para seleccionar el método que proporcione el mejor estimador. Este procedimiento consiste, en primer lugar, en realizar un análisis variográfico. Si existe una autocorrelación entre los datos, modelizada mediante el variograma, la mejor técnica para calcular la emanación total y su intervalo de confianza es la simulación Gaussiana secuencial (sGs). Si los datos son independientes se debe comprobar la distribución muestral, aplicando la media aritmética o el estimador insesgado de la media (Sichel) para datos normales o lognormales respectivamente. Cuando los datos no son normales o corresponden a una mezcla de poblaciones la mejor técnica de estimación es la de remuestreo con reemplazamiento (bootstrap). Siguiendo este procedimiento el máximo valor del intervalo de confianza estuvo en el orden del ±20/25%, con la mayoría de valores comprendidos entre ±3,5% y ±8%. La identificación de las diferentes poblaciones muestrales en los datos de flujo de CO2 puede ayudar a interpretar los resultados obtenidos, toda vez que esta distribución se ve afectada por la presencia de varios procesos geoquímicos como, por ejemplo, una fuente geológica o biológica del CO2. Así pues, este análisis puede ser una herramienta útil en el programa de monitorización, donde el principal objetivo es demostrar que no hay fugas desde el reservorio a la atmósfera y, si ocurren, detectarlas y cuantificarlas. Los resultados obtenidos muestran que el mejor proceso para realizar la separación de poblaciones está basado en criterios de máxima verosimilitud. Los procedimientos gráficos, aunque existen pautas para realizarlos, tienen un cierto grado de subjetividad en la interpretación de manera que los resultados son menos reproducibles. Durante el desarrollo de la tesis se analizó, en análogos naturales, la relación existente entre el CO2 y los isótopos del radón (222Rn y 220Rn), detectándose en todas las zonas de emisión de CO2 una relación positiva entre los valores de concentración de 222Rn en aire del suelo y el flujo de CO2. Comparando la concentración de 220Rn con el flujo de CO2 la relación no es tan clara, mientras que en algunos casos aumenta en otros se detecta una disminución, hecho que parece estar relacionado con la profundidad de origen del radón. Estos resultados confirmarían la posible aplicación de los isótopos del radón como trazadores del origen de los gases y su aplicación en la detección de fugas. Con respecto a la determinación de la línea base de flujo CO2 en la PDT de Hontomín, se realizaron mediciones con la cámara de acúmulo en las proximidades de los sondeos petrolíferos, perforados en los ochenta y denominados H-1, H-2, H-3 y H-4, en la zona donde se instalarán el sondeo de inyección (H-I) y el de monitorización (H-A) y en las proximidades de la falla sur. Desde noviembre de 2009 a abril de 2011 se realizaron siete campañas de muestreo, adquiriéndose más de 4.000 registros de flujo de CO2 con los que se determinó la línea base y su variación estacional. Los valores obtenidos fueron bajos (valores medios entre 5 y 13 g•m-2•d-1), detectándose pocos valores anómalos, principalmente en las proximidades del sondeo H-2. Sin embargo, estos valores no se pudieron asociar a una fuente profunda del CO2 y seguramente estuvieran más relacionados con procesos biológicos, como la respiración del suelo. No se detectaron valores anómalos cerca del sistema de fracturación (falla Ubierna), toda vez que en esta zona los valores de flujo son tan bajos como en el resto de puntos de muestreo. En este sentido, los valores de flujo de CO2 aparentemente están controlados por la actividad biológica, corroborado al obtenerse los menores valores durante los meses de otoño-invierno e ir aumentando en los periodos cálidos. Se calcularon dos grupos de valores de referencia, el primer grupo (UCL50) es 5 g•m-2•d-1 en las zonas no aradas en los meses de otoño-invierno y 3,5 y 12 g•m-2•d-1 en primavera-verano para zonas aradas y no aradas, respectivamente. El segundo grupo (UCL99) corresponde a 26 g•m-2•d- 1 durante los meses de otoño-invierno en las zonas no aradas y 34 y 42 g•m-2•d-1 para los meses de primavera-verano en zonas aradas y no aradas, respectivamente. Flujos mayores a estos valores de referencia podrían ser indicativos de una posible fuga durante la inyección y posterior a la misma. Los primeros datos geoquímicos e isotópicos de las aguas superficiales (de escorrentía y de manantiales) en el área de Hontomín–Huermeces fueron analizados. Los datos sugieren que las aguas estudiadas están relacionadas con aguas meteóricas con un circuito hidrogeológico superficial, caracterizadas por valores de TDS relativamente bajos (menor a 800 mg/L) y una fácie hidrogeoquímica de Ca2+(Mg2+)-HCO3 −. Algunas aguas de manantiales se caracterizan por concentraciones elevadas de NO3 − (concentraciones de hasta 123 mg/l), lo que sugiere una contaminación antropogénica. Se obtuvieron concentraciones anómalas de of Cl−, SO4 2−, As, B y Ba en dos manantiales cercanos a los sondeos petrolíferos y en el rio Ubierna, estos componentes son probablemente indicadores de una posible mezcla entre los acuíferos profundos y superficiales. El estudio de los gases disueltos en las aguas también evidencia el circuito superficial de las aguas. Estando, por lo general, dominado por la componente atmosférica (N2, O2 y Ar). Sin embargo, en algunos casos el gas predominante fue el CO2 (con concentraciones que llegan al 63% v/v), aunque los valores isotópicos del carbono (<-17,7 ‰) muestran que lo más probable es que esté relacionado con un origen biológico. Los datos geoquímicos e isotópicos de las aguas superficiales obtenidos en la zona de Hontomín se pueden considerar como el valor de fondo con el que comparar durante la fase operacional, la clausura y posterior a la clausura. En este sentido, la composición de los elementos mayoritarios y traza, la composición isotópica del carbono del CO2 disuelto y del TDIC (Carbono inorgánico disuelto) y algunos elementos traza se pueden considerar como parámetros adecuados para detectar la migración del CO2 a los ambientes superficiales. ABSTRACT Since 2009, a group made up of Universidad Politécnica de Madrid (UPM; Spain) and Università degli Studi Firenze (UniFi; Italy) has been taking part in a joint project called “Strategies for Monitoring CO2 and other Gases in Natural analogues”. The group was coordinated by AMPHOS XXI, a private company established in Barcelona. The Project was financially supported by Fundación Ciudad de la Energía (CIUDEN; Spain) as a part of the EC-funded OXYCFB300 project (European Energy Program for Recovery -EEPR-; www.compostillaproject.eu). The main objectives of the project were aimed to develop and optimize analytical methodologies to be applied at the surface to Monitor and Verify the feasibility of geologically stored carbon dioxide. These techniques were oriented to detect and quantify possible CO2 leakages to the atmosphere. Several investigations were made in natural analogues from Spain and Italy and in the Tecnchnological Development Plant for CO2 injection al Hontomín (Burgos, Spain). The studying techniques were mainly focused on the measurements of diffuse soil gases and surface and shallow waters. The soil-gas measurements included the determination of CO2 flux and the application to natural trace gases (e.g. radon) that may help to detect any CO2 leakage. As far as the water chemistry is concerned, geochemical and isotopic data related to surface and spring waters and dissolved gases in the area of the PDT of Hontomín were analyzed to determine the most suitable parameters to trace the migration of the injected CO2 into the near-surface environments. The accumulation chamber method was used to measure the diffuse emission of CO2 at the soil-atmosphere interface. Although this technique has widely been applied in different scientific areas, it was considered of the utmost importance to adapt the optimum methodology for measuring the CO2 soil flux and estimating the total CO2 output to the specific features of the site where CO2 is to be stored shortly. During the pre-injection phase CO2 fluxes are expected to be relatively low where in the intra- and post-injection phases, if leakages are to be occurring, small variation in CO2 flux might be detected when the CO2 “noise” is overcoming the biological activity of the soil (soil respiration). CO2 flux measurements by the accumulation chamber method could be performed without vegetation clearance or after vegetation clearance. However, the results obtained after clearance show less dispersion and this suggests that this procedure appears to be more suitable for monitoring CO2 Storage sites. The measurement protocol, applied for the determination of the CO2 flux baseline at Hontomín, has included the following steps: a) cleaning and removal of both the vegetal cover and top 2 cm of soil, b) waiting to reduce flux perturbation due to the soil removal and c) measuring the CO2 flux. Once completing the CO2 flux measurements and detected whether there were anomalies zones, the total CO2 output was estimated to quantify the amount of CO2 released to the atmosphere in each of the studied areas. There is a wide range of methodologies for the estimation of the CO2 output, which were applied to understand which one was the most representative. In this study six statistical methods are presented: arithmetic mean, minimum variances unbiased estimator, bootstrap resample, partitioning of data into different populations with a graphical and a maximum likelihood procedures, and sequential Gaussian simulation. Eight campaigns were carried out in the Hontomín CO2 Storage Technology Development Plant and in natural CO2 analogues. The results show that sequential Gaussian simulation is the most accurate method to estimate the total CO2 output and the confidential interval. Nevertheless, a variety of statistic methods were also used. As a consequence, an application procedure for selecting the most realistic method was developed. The first step to estimate the total emanation rate was the variogram analysis. If the relation among the data can be explained with the variogram, the best technique to calculate the total CO2 output and its confidence interval is the sequential Gaussian simulation method (sGs). If the data are independent, their distribution is to be analyzed. For normal and log-normal distribution the proper methods are the arithmetic mean and minimum variances unbiased estimator, respectively. If the data are not normal (log-normal) or are a mixture of different populations the best approach is the bootstrap resampling. According to these steps, the maximum confidence interval was about ±20/25%, with most of values between ±3.5% and ±8%. Partitioning of CO2 flux data into different populations may help to interpret the data as their distribution can be affected by different geochemical processes, e.g. geological or biological sources of CO2. Consequently, it may be an important tool in a monitoring CCS program, where the main goal is to demonstrate that there are not leakages from the reservoir to the atmosphere and, if occurring, to be able to detect and quantify it. Results show that the partitioning of populations is better performed by maximum likelihood criteria, since graphical procedures have a degree of subjectivity in the interpretation and results may not be reproducible. The relationship between CO2 flux and radon isotopes (222Rn and 220Rn) was studied in natural analogues. In all emissions zones, a positive relation between 222Rn and CO2 was observed. However, the relationship between activity of 220Rn and CO2 flux is not clear. In some cases the 220Rn activity indeed increased with the CO2 flux in other measurements a decrease was recognized. We can speculate that this effect was possibly related to the route (deep or shallow) of the radon source. These results may confirm the possible use of the radon isotopes as tracers for the gas origin and their application in the detection of leakages. With respect to the CO2 flux baseline at the TDP of Hontomín, soil flux measurements in the vicinity of oil boreholes, drilled in the eighties and named H-1 to H-4, and injection and monitoring wells were performed using an accumulation chamber. Seven surveys were carried out from November 2009 to summer 2011. More than 4,000 measurements were used to determine the baseline flux of CO2 and its seasonal variations. The measured values were relatively low (from 5 to 13 g•m-2•day-1) and few outliers were identified, mainly located close to the H-2 oil well. Nevertheless, these values cannot be associated to a deep source of CO2, being more likely related to biological processes, i.e. soil respiration. No anomalies were recognized close to the deep fault system (Ubierna Fault) detected by geophysical investigations. There, the CO2 flux is indeed as low as other measurement stations. CO2 fluxes appear to be controlled by the biological activity since the lowest values were recorded during autumn-winter seasons and they tend to increase in warm periods. Two reference CO2 flux values (UCL50 of 5 g•m-2•d-1 for non-ploughed areas in autumn-winter seasons and 3.5 and 12 g•m-2•d-1 for in ploughed and non-ploughed areas, respectively, in spring-summer time, and UCL99 of 26 g•m-2•d-1 for autumn-winter in not-ploughed areas and 34 and 42 g•m-2•d-1 for spring-summer in ploughed and not-ploughed areas, respectively, were calculated. Fluxes higher than these reference values could be indicative of possible leakage during the operational and post-closure stages of the storage project. The first geochemical and isotopic data related to surface and spring waters and dissolved gases in the area of Hontomín–Huermeces (Burgos, Spain) are presented and discussed. The chemical and features of the spring waters suggest that they are related to a shallow hydrogeological system as the concentration of the Total Dissolved Solids approaches 800 mg/L with a Ca2+(Mg2+)-HCO3 − composition, similar to that of the surface waters. Some spring waters are characterized by relatively high concentrations of NO3 − (up to 123 mg/L), unequivocally suggesting an anthropogenic source. Anomalous concentrations of Cl−, SO4 2−, As, B and Ba were measured in two springs, discharging a few hundred meters from the oil wells, and in the Rio Ubierna. These contents are possibly indicative of mixing processes between deep and shallow aquifers. The chemistry of the dissolved gases also evidences the shallow circuits of the Hontomín– Huermeces, mainly characterized by an atmospheric source as highlighted by the contents of N2, O2, Ar and their relative ratios. Nevertheless, significant concentrations (up to 63% by vol.) of isotopically negative CO2 (<−17.7‰ V-PDB) were found in some water samples, likely related to a biogenic source. The geochemical and isotopic data of the surface and spring waters in the surroundings of Hontomín can be considered as background values when intra- and post-injection monitoring programs will be carried out. In this respect, main and minor solutes, the isotopic carbon of dissolved CO2 and TDIC (Total Dissolved Inorganic Carbon) and selected trace elements can be considered as useful parameters to trace the migration of the injected CO2 into near-surface environments.

Conductancia del mesófilo en especies forestales: implicaciones en la respuesta fotosintética a la disponibilidad de agua y luz

La fotosíntesis es el proceso biológico que permite la producción primaria y, por tanto, la vida en nuestro planeta. La tasa fotosintética viene determinada por la ‘maquinaria’ bioquímica y las resistencias difusivas al paso del CO2 desde la atmósfera hasta su fijación en el interior de los cloroplastos. Históricamente la mayor resistencia difusiva se ha atribuido al cierre estomático, sin embargo ahora sabemos, debido a las mejoras en las técnicas experimentales, que existe también una resistencia grande que se opone a la difusión del CO2 desde los espacios intercelulares a los lugares de carboxilación. Esta resistencia, llamada normalmente por su inversa: la conductancia del mesófilo (gm), puede ser igual o incluso superior a la resistencia debida por el cierre estomático. En la presente tesis doctoral he caracterizado la limitación que ejerce la resistencia del mesófilo a la fijación de CO2 en diversas especies forestales y en distintos momentos de su ciclo biológico. En la fase de regenerado, hemos estudiado tres situaciones ambientales relevantes en el mayor éxito de su supervivencia, que son: el déficit hídrico, su interacción con la irradiancia y el paso del crecimiento en la sombra a mayor irradiancia, como puede suceder tras la apertura de un hueco en el dosel forestal. En la fase de arbolado adulto se ha caracterizado el estado hídrico y el intercambio gaseoso en hojas desarrolladas a distinta irradiancia dentro del dosel vegetal durante tres años contrastados en pluviometría. Para cada tipo de estudio se han empleado las técnicas ecofisiológicas más pertinentes para evaluar el estado hídrico y el intercambio gaseoso. Por su complejidad y la falta de un método que permita su cuantificación directa, la gm ha sido evaluada por los métodos más usados, que son: la discriminación isotópica del carbono 13, el método de la J variable, el método de la J constante y el método de la curvatura. Los resultados más significativos permiten concluir que la limitación relativa a la fotosíntesis por la conductancia estomática, del mesófilo y bioquímica es dependiente de la localización de la hoja en el dosel forestal. Por primera vez se ha documentado que bajo estrés hídrico las hojas desarrolladas a la sombra estuvieron más limitadas por una reducción en la gm, mientras que las hojas desarrolladas a pleno sol estuvieron más limitadas por reducción mayor de la conductancia estomática (gsw). Encontramos buena conexión entre el aparato fotosintético foliar y el sistema hídrico debido al alto grado de correlación entre la conductancia hidráulica foliar aparente y la concentración de CO2 en los cloroplastos en distintas especies forestales. Además, hemos mostrado diferentes pautas de regulación del intercambio gaseoso según las particularidades ecológicas de las especies estudiadas. Tanto en brinzales crecidos de forma natural y en el arbolado adulto como en plántulas cultivadas en el invernadero la ontogenia afectó a las limitaciones de la fotosíntesis producidas por estrés hídrico, resultando que las limitaciones estomáticas fueron dominantes en hojas más jóvenes mientras que las no estomáticas en hojas más maduras. La puesta en luz supuso un gran descenso en la gm durante los días siguientes a la transferencia, siendo este efecto mayor según el grado de sombreo previo en el que se han desarrollado las hojas. La aclimatación de las hojas a la alta irradiancia estuvo ligada a las modificaciones anatómicas foliares y al estado de desarrollo de la hoja. El ratio entre la gm/gsw determinó la mayor eficiencia en el uso del agua y un menor estado oxidativo durante la fase de estrés hídrico y su posterior rehidratación, lo cual sugiere el uso de este ratio en los programas de mejora genética frente al estrés hídrico. Debido a que la mayoría de modelos de estimación de la producción primaria bruta (GPP) de un ecosistema no incluye la gm, los mismos están incurriendo en una sobreestimación del GPP particularmente bajo condiciones de estrés hídrico, porque más de la mitad de la reducción en fotosíntesis en hojas desarrolladas a la sombra se debe a la reducción en gm. Finalmente se presenta un análisis de la importancia en las estimas de la gm bajo estrés hídrico de la refijación del CO2 emitido en la mitocondria a consecuencia de la fotorrespiración y la respiración mitocondrial en luz. ABSTRACT Photosynthesis is the biological process that supports primary production and, therefore, life on our planet. Rates of photosynthesis are determined by biochemical “machinery” and the diffusive resistance to the transfer of CO2 from the atmosphere to the place of fixation within the chloroplasts. Historically the largest diffusive resistance was attributed to the stomata, although we now know via improvements in experimental techniques that there is also a large resistance from sub-stomatal cavities to sites of carboxylation. This resistance, commonly quantified as mesophyll conductance (gm), can be as large or even larger than that due to stomatal resistance. In the present PhD I have characterized the limitation exerted by the mesophyll resistance to CO2 fixation in different forest species at different stages of their life cycle. In seedlings, we studied three environmental conditions that affect plant fitness, namely, water deficit, the interaction of water deficit with irradiance, and the transfer of plants grown in the shade to higher irradiance as can occur when a gap opens in the forest canopy. At the stage of mature trees we characterized water status and gas exchange in leaves developed at different irradiance within the canopy over the course of three years that had contrasting rainfall. For each study we used the most relevant ecophysiological techniques to quantify water relations and gas exchange. Due to its complexity and the lack of a method that allows direct quantification, gm was estimated by the most commonly used methods which are: carbon isotope discrimination, the J-variable, constant J and the curvature method The most significant results suggest that the relative limitation of photosynthesis by stomata, mesophyll and biochemistry depending on the position of the leaf within the canopy. For the first time it was documented that under water stress shaded leaves were more limited by a reduction in gm, while the sun-adapted leaves were more limited by stomatal conductance (gsw). The connection between leaf photosynthetic apparatus and the hydraulic system was shown by the good correlations found between the apparent leaf hydraulic conductance and the CO2 concentration in the chloroplasts in shade- and sun-adapted leaves of several tree species. In addition, we have revealed different patterns of gas exchange regulation according to the functional ecology of the species studied. In field grown trees and greenhouse-grown seedlings ontogeny affected limitations of photosynthesis due to water stress with stomatal limitations dominating in young leaves and nonstomatal limitations in older leaves. The transfer to high light resulted in major decrease of gm during the days following the transfer and this effect was greater as higher was the shade which leaves were developed. Acclimation to high light was linked to the leaf anatomical changes and the state of leaf development. The ratio between the gm/gsw determined the greater efficiency in water use and reduced the oxidative stress during the water stress and subsequent rehydration, suggesting the use of this ratio in breeding programs aiming to increase avoidance of water stress. Because most models to estimate gross primary production (GPP) of an ecosystem do not include gm, they are incurring an overestimation of GPP particularly under conditions of water stress because more than half of An decrease in shade-developed leaves may be due to reduction in gm. Finally, we present an analysis of the importance of how estimates of gm under water stress are affected by the refixation of CO2 that is emitted from mitochondria via photorespiration and mitochondrial respiration in light.