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 CO₂ wyłapywać 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. 300^o 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

Czytaj więcej