niedziela, 2 września 2012

Szczelinowanie i sekwestracja dwutlenku węgla - dwa w jednym

Pomysł wykorzystania skroplonego dwutlenku węgla do zabiegów szczelinowania wydaje się posunięciem rozwiązującym dwa, a nawet trzy problemy za jednym zamachem. Z jednej strony uzyskujemy dostęp do pokładów gazu uwięzionego w łupkach, z drugiej strony pozbywamy się nadmiaru CO2, a z trzeciej strony nie musimy obawiać się o dostęp do wody używanej do tej pory do szczelinowania.

O szczelinowaniu pisałem już wcześniej i chyba każdy, komu choć trochę obiło się o uszy hasło gaz łupkowy wie mniej więcej na czym to polega. Jednak jak wspomniałem idea szczelinowania dwutlenkiem węgla rozwiązuje jeszcze problem jego sekwestracji.

Sekwestracja CO2 to nic innego jak wtłaczanie dwutlenku węgla pochodzącego głównie z emisji związanej ze spalaniem węglowodorów z powrotem pod ziemię. Skoro człowiek uwolnił spore ilości tego gazu cieplarnianego do atmosfery, i póki co nie zanosi się na jakieś drastyczne zmniejszenie emisji, to dobrze byłoby COwyłapywać i wtłaczać z powrotem do skał. Tworzylibyśmy coś w rodzaju takich podziemnych śmietników na dwutlenek węgla. Skały wykorzystane do sekwestracji muszą być odpowiednio porowate, żeby przyjąć gaz wtłaczany do siebie i muszą też być odpowiednio odizolowane od atmosfery, żeby CO2 nie ulatniało się do niej. Na takie podziemne zbiorniki idealnie nadają się pokłady gazu łupkowego, np. sylurskie łupki w Polsce. Dlaczego?
Idea sekwestracji dwutlenku węgla (wg LeJean Hardin i Jamie Payne CC-BY-SA)
Przede wszystkim wynika to z właściwości samego dwutlenku węgla. Na powierzchni i w atmosferze występuje w stanie gazowym, ale pod pewnym ciśnieniem i w odpowiedniej temperaturze można go skroplić. Dla CO2 wartości punktu krytycznego ciśnienia i temperatury, w którym występuje jako ciecz, wynoszą ok. 300o K dla temperatury i ok. 100 atm dla ciśnienia. Powyżej tych wartości CO2 występuje w stanie cieczy nadkrytycznej (ang. supercritical fluid). I takie właśnie warunki panują na głębokościach większych od 1000 m. Przypomnę tylko, że w Polsce łupki sylurskie zalegają z reguły znacznie głębiej, ok. 3 km, a więc tam CO2 byłby utrzymywany w stanie płynnym. Głównie za sprawą ciśnienia. Na powierzchni, aby skroplić CO2, lepiej go schłodzić, żeby nie wytwarzać zbyt dużych ciśnień.
Właściwości dwutlenku węgla w zależności od ciśnienia i temperatury (wg Benn Finney i Mark Jacobs CC)
Jak widać samo przechowywanie czyli sekwestracja CO2 głęboko pod ziemią teoretycznie wygląda dość fajnie. Jednak wykorzystanie dwutlenku węgla do szczelinowania zamiast wody to już inny, poważniejszy problem. Głównie za sprawą lepkości skroplonego CO2, która jest o rząd wielkości mniejsza od wody. Sprawą zajęli się Japończycy, którzy na Uniwersytecie w Kioto laboratoryjnie sprawdzili możliwość wykorzystania CO2 do szczelinowania. Całość badań prowadzono na kostkach granitowych o boku 17 cm. Okazało się, że płynny CO2 rozszczelnia skałę bardziej niż woda. Mało tego, siatka spękań dla CO2 w stanie cieczy nadkrytycznej jest bardziej przestrzenna niż w przypadku szczelinowania płynnym CO2. Zatem wtłoczony CO2 na pewnej głębokości zyskuje na wartości jako środek szczelinujący. Zresztą w przypadku szczelinowania wodą, siatka spękań ma też tendencję do układania się w równoległe pasy, zgodne z uwarstwieniem. CO2 pozwoliłoby tę siatkę bardziej rozprzestrzenić. Do tego Japończycy stwierdzili, że dwutlenek węgla wymaga mniejszych ciśnień do szczelinowania niż roztwór wodny.

Szczelinowanie CO2 ma jeszcze jeden aspekt, o którym nie wspomniałem. Pozwala wywołać większy wypływ metanu ze skały niż w przypadku wody. Wynika to z tego, że łupki chętniej wchłaniają, na drodze reakcji chemicznej, dwutlenek węgla niż metan czy wodę. Tak więc, otwory byłyby bardziej produktywne, zwiększając opłacalność wydobycia.

Po prostu nic, tylko przyklasnąć projektowi. Będziemy mogli wyciągnąć z łupków więcej metanu, a jednocześnie będziemy mogli pozbyć się nadmiaru CO2. Na zakończenie jeszcze wspomnę, że w Polsce działa Krajowy Program Rozpoznanie formacji i struktur do bezpiecznego geologicznego składowania CO2 wraz z ich programem monitorowania. Ciekawe czy rozważane są w nim pomysły mózgowców z Kioto?

ps. Dziękuję Maciejowi Ćwikowi, Mateuszowi Orzechowskiemu i Karolowi Jewule za dyskusję i motywację do napisania tego postu.

Źródła:
Ishida, T., K. Aoyagi, T. Niwa, Y. Chen, S. Murata, Q. Chen, & Y. Nakayama (2012). Acoustic emission monitoring of hydraulic fracturing laboratory experiment with supercritical and liquid CO2 Geophys. Res. Lett, 39 DOI: 10.1029/2012GL052788

fot. w nagłówku: Skroplony dwutlenek węgla w temperaturze pokojowej, fot. Mu6 CC-BY-SA

20 komentarze:

Tylko kiedy taka technologia mogłaby być wprowadzona, skoro dopiero trwają pierwsze doświadczenia? Ale pomysł ciekawy.

Myślę, że Amerykanie mogliby "poświęcić" kilka otworów na wypróbowanie tej metody dość szybko. Może nawet w przyszłym roku? Z tego co widziałem w artykule (Open Access) Japończycy dość dokładnie narysowali schematy układu aparatury szczelinującej.

Z sekwestracją CO2 wiąże się niestety również ryzyko które nie do końca jeszcze zostało rozpoznane. Kharka et al. 2006 zauważyli gwałtowne rozpuszczanie niektórych minerałów (głównie węglanów, czy tlenków w wyniku powstania kwasu węglowego), które uwalniają Ca, Mn oraz substancję organiczną (i inne pierwaistki) do solanki, która może migrować wzdłuż uskoków. Poza tym zwiększone ciśnienie CO2 może wpływać na wyżej ległe formacje. Ci sami autorzy, o których wspomniałem wyżej,zaobserwowali że nawet niewielki wyciek CO2 w system wód gruntowych może zwiększyć lokalnie zawartośc arsenu w wodach pitnych. Dodatkowo nie do końca jest rozpoznana kinematyka reakcji CO2 ze skałami formacji. Myślę, że problemem mogą być także właściwości CO2 jako płynu samego w sobie - nie jest to woda, w której można rozproszyć/rozpuścić różne dodatki które wspomagają proces frackingu. Poza tym o ile rozumiem wtłaczamy gaz i do przemiany fazowej dochodzi dopiero w formacji?
[1] Kharka, YK, Cole DR, Hovorka SD, Gunter WD, Knauss KG i Freifeld BM, 2006. Gas-water-rock interaction in Frio Formation following C)2 injection: Implications for the storage of greenhouse gases in sedimentary basins. Geology 217, 339-350. http://geology.gsapubs.org/content/34/7/577.full?gca=34%252F7%252F577&sendit=Get+All+Check&
[2] Friedmann, S.J., 2007, Geological Carbon Dioxide Sequestration. Elements 3(3): 179-184.

@Kajor - Dzięki za komentarz! Tak też zrozumiałem pomysł: wtłaczamy gaz z stanie płynnym, ale do przemiany w ciecz nadkrytyczną dochodzi na odpowiedniej głębokości. To właśnie właściwości tej cieczy badane były przez Japończyków. Prawdę mówiąc, jeśli zabezpieczymy cały otwór do poziomu szczelinowania, to nie ma znaczenia w jakie reakcje chemiczne będzie wchodzić płynny dwutlenek. Niech sobie tam robi co chce. Dla nas ważne jest wypchnięcie metanu i zatłoczenie CO2. Tak to rozumiem, podobnie jak pozbywanie się radioaktywnych odpadów.

Szczelinowanie dwutlenkiem wegla calkiem ciekawy pomysl, ale firma je wykonujaca musi miec w tym okreslona korzysc, czyli albo CO2 bedzie od wody duzo tansze albo bedzie dawalo duuuzo lepsze wyniki przy produkcji gazu. Wazne jest tez jak CO2 wniesie proppant do szczeliny, i czy bedzie mozna uzywac dalej dodatkow chemicznych. Ale temat jak najbardziej perspektywiczny. Ale polaczenie szczelinowania lupkow z magazynowaniem CO2 to jakas mrzonka. Po szczelinowaniu plyn szczelinujacy wraca na powierzchnie podczas wywolywanie produkcji, tak samo byloby z CO2. A lupek w ogole nie nadaje sie do magazynowania, ma porowatosc calkiem dobra ale zerowa przepuszczalnosc. W takim dajmy na to zczerpanym zlozu gazu w lupkach moznaby wtloczyc CO2 do szczeliny i co dalej? Amerykanie juz uzywaja CO2 do utrzymywania energii w niektorych zlozach, otwory iniekcyjne wtlaczaja CO2 ktore wypycha rope. Nawet istnieja instalacje specjalnie do jego produkcji. To moze byc calkiem dobry kierunek.

W pewnym miejscu musiało dojść do niezrozumienia sposobu wydobycia gazu łupkowego. To nie jest tak, że wtłaczany byłby CO2 i on "wypychałby" gaz łupkowy zajmując jego miejsce w skałach. Szczelinowanie jest procesem jednorazowym (choć kilkuetapowym) przeprowadzanym PRZED rozpoczęciem eksploatacji złoża gazu i mającym na celu "udrożnienie" kanałów wypływowych, zwiększenie możliwości migracji gazu ze skały do odwiertu. Ponadto taki płyn na bazie CO2 musiałby posiadać odpowiednie własności reologiczne, aby móc transportować do odwiertu materiał podsadzkowy. To nie koniec potencjalnych problemów. CO2 mieszałby się z wydobywanym gazem, co nie jest korzystne. Na powierzchni trzeba by było oczyszczać gaz z dwutlenku węgla, co oczywiście wiąże się z dodatkowymi kosztami. Zatem nie widzę realnych szans magazynowania CO2 w złożach na etapie wydobywania gazu ziemnego. Co innego po zakończeniu eksploatacji złoża.

Fajny wpis, ciągle pozostaje jednak kwestia tych komponentów, które obecnie są tak niezbędne przy szczelinowaniu. Nie znam na pamięć zadań jakie spełnia każdy z tych dodatków, ale moim zdaniem takie doświadczenia powinny być kolejnym krokiem wykonanym przez japończyków. Woda jest rozpuszczalnikiem uniwersalnym natomiast tutaj już wchodzi w grę ciekły CO2, który nie jest obojętny, tak jak napisał Kajor, nie tylko na struktury geologiczne ale pewnie też na niektóre dodatki przez co trzeba będzie opracować nową mieszankę. Trzeba poczekać na kolejne doświadczenia.

Dzięki za fajne komentarze :) Tak jak napisałem, szczelinowanie CO2 w stanie cieczy nadkrytycznej pokazało, że siatka spękań jest bardziej przestrzenna niż w przypadku wody. Reszta to kwestia chemii, czyli komponentów, które trzeba by dodać do skroplonego gazu, tak myślę. Zobaczymy co tam jeszcze wymyślą.

@Anonimowy - No właśnie o to chodzi, żeby miejsce po szczerpanym złożu wykorzystać i zmagazynować w nim zbędne CO2. Tak jak napisałeś łupki mają prawie zerową przepuszczalność, ale po szczelinowaniu hydraulicznym ta przepuszczalność wzrasta i wtedy łupki nadają się do magazynowania CO2 jak najbardziej, bo dlaczego nie? I tutaj znowu pojawia się problem z komponentami, gdyż w przypadku standardowej metody szczeliny nie zamykały się ze względu na piasek zawarty w płynie do szczelinowania. Jeżeli uda się zapobiec zamknięciu nowo powstałych szczelin i tym razem to magazynowanie CO2 jest jak najbardziej możliwe.

Tak się zastanawiam, czy w Polsce już są podjęte próby sekwastracji CO2 na poziomie "przemysłowym" ? Bo jak wiadomo przy wydobyciu metanu główne znaczenie na czynnik ekonomiczny, jeżeli rzeczywiście CO2 mógł by zastąpić wodę, a przy okazji było by to tańsze to technologia szybko wejdzie do użytku.

@Maciek: Osobiście nie słyszałem, ale jestem pewien, że Państwowy Instytut Geologiczny na pewno ma to w swoim programie badawczym. Projekt raczej będzie rządowy (jeżeli odpowiednie traktaty międzynarodowe dot. emisji, limitów CO2 itd. wejdą w życie), bo generalnie składowanie CO2 poza względami "ekologicznymi" nie ma chyba żadnego uzasadnienia ekonomicznego.
http://skladowanie.pgi.gov.pl/twiki/pub/CO2/CelProjektu/mapaco2_big.jpg

Zdecydowana większość emiterów CO2 to zupełnie inne tereny niż miejsca występowania łupków gazonośnych. jak to sobie wyobrażacie? gigantyczny kolektor przez całą Polskę, a może dowóz cysternami?
Poza tym wciąż nie stwierdzono czy poprzez "unieszkodliwianie dwutlenku węgla" nie wywołamy przyspieszonej epoki lodowcowej.

To w sumie jest ciekawe zagadnienie. Inna sprawa to skala samego projektu, żeby było to sensowne. Według Friedmann'a (2007) rocznie człowiek wydziela około 25Gt CO2. Żeby zmagazynować 1GtC (tj ok. 3.6Gt CO2) wymagałoby dwutlenku węgla z około 600 dużych elektorwni węgla (o mocy około 1000 MW każda) i około 3600 otworów wprowadzajacych (inientorów - injection wells). Dodatkowo koszty: Srednie koszty złapania CO2 z elektrowni to ok. 20 - 95$/t CO2; rurociągi ok. 1-10$ za każdą przetransportowaną tonę CO2 plus około 0.5 - 10$ za każdą tonę dostarczoną do formacji. Plus dodatkowo koszty budowy infrastruktury (już nie mówiąc o samych kosztach samego wiercenia). Nie trudno wykazać, że będzie to dość drogie przedsięwzięcie (dane za Oelekers & Cole, 2008)
[1] Friedmann, S.J., 2007, Geological Carbon Dioxide Sequestration. Elements 3(3): 179-184.
[2] Oelkers, E. H. and Cole, D. R. (2008) Carbon dioxide sequestration: An introduction. Elements 4 (5)

Myślę, że nie można sekwestracji CO2 nazwać ekonomicznie nieopłacalną. W sensie powstrzymania efektu cieplarnianego to jest nie tylko opłacalne, ale także konieczne. Ostatnio przekroczyliśmy wartość graniczną stężenia CO2 dla zlodowacenia Arktyki i pędzimy w stronę wartości krytycznej dla Antarktyki (coś ok. 500-600 ppm, jak znajdę ten artykuł to napisze na blogu). Cała rewolucja przemysłowa dostosowana jest do działania w określonych warunkach. Gwałtowne zmiany klimatyczne, może nie zmiotą życia na Ziemi, ale mogą sprawić, że nagle przemysł ugrzęźnie w martwym punkcie. Pewnym pocieszeniem może być założenie wynikające z teorii wzrostu wykładniczego. Wraz z rozwojem technologii powinno być nas stać na rozwiązania techniczne kompensujące zmiany przez ten rozwój wywołane tzw. discount rate. Takim właśnie przykładem może być sekwestracja CO2. Z pewnością jest to bardziej uzasadnione ekonomicznie niż obecna wyprawa na Marsa lub Księżyc. Fajnym przykładem discount rate jest choćby klimatyzacja czy zamknięte wyciągi narciarskie gdzieś tam w Dubaju albo tropikalna wyspa pod Berlinem. Szkoda, że nie mam ostatnio kompletnie czasu na pisanie na blogu, bo już dawno chciałem przedyskutować ten temat. Po ostatnich wpisach widzę, że dyskusje są naprawdę bardzo ciekawe!

Mariusz - "Myślę, że nie można sekwestracji CO2 nazwać ekonomicznie nieopłacalną. W sensie powstrzymania efektu cieplarnianego to jest nie tylko opłacalne, ale także konieczne." - po pierwsze nie ma dowodów na to że efekt cieplarniany w ogóle występuje, po drugie ocieplenie klimatu jest naturalnym procesem który zachodzi cyklicznie. Po trzecie, nie ma żadnych dowodów że ten dziś uwięziony dwutlenek węgla, nie będzie potrzebny do życia przyrodzie w przyszłości - w końcu ten węgiel który spalamy nie powstał z niczego!


"Gwałtowne zmiany klimatyczne, może nie zmiotą życia na Ziemi, ale mogą sprawić, że nagle przemysł ugrzęźnie w martwym punkcie.' - ależ one wcale nie są gwałtowne (bo liczone w skali stu letniej - więc dla człowieka to bardzo wiele czasu)

"Z pewnością jest to bardziej uzasadnione ekonomicznie niż obecna wyprawa na Marsa lub Księżyc." - przemawia przez Ciebie ideologia a nie rozsadek. Wciskanie pieniędzy pod ziemię to nie jest najlepszy sposób ich inwestowania.


@Makroman - nawet jeśli założymy, że emisja CO2 przez przemysł nie wpływa na efekt cieplarniany, to zmniejszenie jej wpływu, tym bardziej. Nikt nie zaprzecza, że człowiek spala węglowodory uwięzione w skałach od milionów lat w tempie, którego przyroda w procesach naturalnych nie jest w stanie osiągnąć. Zmiany może na razie nie są gwałtowne (myślę o ostatnich dziesięcioleciach), ale epizody typu wylanie się wód jeziora Agassiz mogą trwać kilka-kilkanaście lat. A znamy to z przeszłości geologicznej Ziemi.
A co do ideologii, to nie wiem, o co Ci chodzi? Myślałem, że przemawia przeze mnie rozsądek. Historia cywilizacji ludzkiej pokazuje jak wielki wpływ na nas ma klimat. Wojny, najazdy, upadki wielkich mocarstw bardzo często mają u podłoża zmiany klimatyczne. Dlaczego mamy się tego nie obawiać, a wierzyć, że uda nam się skolonizować Marsa w niedalekiej przyszłości?

Mariusz - ale jeśli emisja CO2 nie wpływa na klimat, lub wpływa z sposób mało znaczący - to jaki sens ma wpychanie go pod ziemię kosztem ogromnych nakładów finansowych, recesji i ryzyka nieprzewidzianych zajść w przyszłości?

"Nikt nie zaprzecza, że człowiek spala węglowodory uwięzione w skałach od milionów lat w tempie, którego przyroda w procesach naturalnych nie jest w stanie osiągnąć." - prawdopodobnie tzw "wymieranie Permskie" było spowodowane erupcja wulkanów w strefie pokładów węglowych na Syberii - załatwiło większą emisje niż cała ludzkość od początku istnienia - ale to akurat argument za twoją tezą ;-)

"Zmiany może na razie nie są gwałtowne (myślę o ostatnich dziesięcioleciach), ale epizody typu wylanie się wód jeziora Agassiz mogą trwać kilka-kilkanaście lat." - dwa stopnie średniej rocznej w ciągu stu lat to nie jest katastrofa - to coś z czym sobie spokojnie poradzimy, przyroda też. A Agassiz ... póki co jest bardzo barwną hipotezą, równie barwną jak ta o wielkim meteorycie który zabił dinozaury...

"A co do ideologii, to nie wiem, o co Ci chodzi?" - tezy globalnego ocieplenia to tezy jak najbardziej ideologiczne nie racjonalne. Podchodzę do tego tak samo jak do obrony ludzkości przed czarownicami - szanując szczerą postawę ludzi którzy wierzyli że czynią dobro, dostrzegam też ogrom niesprawiedliwości, nieprawidłowości i zwykłych aktów przestępczych.


"Historia cywilizacji ludzkiej pokazuje jak wielki wpływ na nas ma klimat." - bez dwóch zdań, ale z drugiej strony ileż to miast starożytności leży teraz głęboko pod wodami mórz a historia człowieka trwa nadal.

"a wierzyć, że uda nam się skolonizować Marsa w niedalekiej przyszłości?" - a czy ktoś w to wierzy? to równie nieracjonalne, tyle ze poznawczo bardziej owocne.

Czy kacapy pozwolą nam na chociażby próby wydobywania tą metodą? Nigdy , tylko czekać jak ci z WAT ,,poślizną się na skórce od banana".

Wtłaczamy pod ziemię CO2, aby wydobyć gaz, którego spalanie jest źródłem jeszcze większej ilości CO2. Możemy sobie pogratulować głupoty. A właściwie możemy pogratulować korporacjom chciwości i egoistycznego zachowania.

a href=http://finanse.wp.pl/kat,104122,title,Polscy-naukowcy-patentuja-ekologiczna-metode-wydobywania-gazu-lupkowego,wid,15118201,wiadomosc.html?ticaid=1f94c dzis sie natknalem na taka rewelacje...

Prześlij komentarz

Szanowni Czytelnicy!
Zachęcam Was gorąco do komentowania wpisów na blogu i jednocześnie zachęcam równie gorąco do korzystania z tagów HTML, szczególnie przy wklejaniu linków do stron internetowych.

Oto kilka przykładów tagów HTML obsługiwanych przez bloggera:
link - a href=
wytłuszczenie - b
kursywa - i