6.1. Etapy sekwestracji CO

2

6.2. Separacja CO

2

ze strumienia spalin

6.3. Trwałe zdeponowanie lub unieszkodliwienie CO

2

(deponowanie w morzach i

oceanach, mineralizacja CO

2

, sekwestracja geologiczna )

6.4. Monitoring – minimalizacja ryzyka sekwestracji geologicznej

1

2

Sekwestracja CO

2

oznacza czynności mające na celu wychwycenie, transport oraz
unieszkodliwienie lub trwałe zdeponowanie i odizolowanie od biosfery
dwutlenku węgla.

Najprostszym i najtańszym etapem sekwestracji jest transport. Skroplony dwutlenek węgla
transportuje się najczęściej rurociągami. Najdłuższy dotychczas uruchomiony rurociąg to
McElmo Dome w USA (800 km).

SEPARACJA CO

2

ZE STRUMIENIA

SPALIN

DEPOZYCJA

W IZOLACJI OD

BIOSFERY

TRANSPORT

3

Wysokie koszty realizacji tego etapu (60-70 % kosztów całkowitych sekwestracji) w
znacznym stopniu wynikają ze zwykle niskiej zawartości CO

2

w gazach odlotowych.

W energetyce spaliny odlotowe, w zależności od rodzaju spalanego paliwa, zawierają od 3
do 15% CO

2

. Nowoczesne technologie produkcji energii umożliwiają ograniczenie ładunku

CO

2

wprowadzanego do atmosfery przy równoczesnym wzroście jego udziału w spalinach:

• zgazowanie węgla - udział rośnie do 40 %
• oxy - fuel – udział przekracza 80 %

metody separacji

• absorpcja chemiczna
• absorpcja fizyczna (np. na węglu aktywnym, zeolitach),
• adsorpcja fizyczna w metanolu, glikolu etylenowym,
• filtracja na membranach,
• procesy kriogeniczne.

6.2. Metody separacji CO

2

– absorpcja

chemiczna

•absorpcja w wodnym roztworze (15-30 %) monoetanoloaminy (MEA)

2HO-C

2

H

4

-NH

2

+ CO

2

+ H

2

O



(HO-C

2

H

4

-NH

3

)2CO

3

• absorpcja pod ciśnieniem w gorącym wodnym roztworze (25-35 %)

węglanu potasu (metoda Bensona-Fielda)

w absorberze powstaje kwaśny węglan potasu

CO

2

+ H

2

O



HCO

-

3

+ H

+

K

2

CO

3

+ HCO

-

3



2KHCO

3

w desorberze wskutek

rozprężania (0,15 MPa) z kwaśnego węglanu

potasu wydziela

się mieszanina CO

2

i H

2

0, a po oddzieleniu wody

uzyskuje

się CO

2

(99 %), natomiast zregenerowany

węglan potasu

kierowany jest ponownie do absorbera

6.2. Metody separacji CO

2

– filtracja na

membranach

Duże nadzieje wiąże się z metodami membranowymi, które zapewniają
największą skuteczność i ciągłość procesu, nie generując przy tym
wtórnych odpadów.

W inżynierii membran wykorzystuje się nanotechnologię w procesie
szeregowania i polimeryzacji pojedynczych cząsteczek na
powierzchniach półprzepuszczalnych błon. W efekcie uzyskuje się
jednorodne, ultracienkie błony. W porównaniu z konwencjonalnymi
membranami wymagają one znacznie mniejszej energii separacji przy
równocześnie większej selektywności.

Jedna z metod - SLIP (solventless vapor deposition combined with in situ
polimerization

– depozycja pary o niskiej zawartości rozpuszczalnika w

układzie kombinowanym z polimeryzacją na miejscu) - rozwijana w
laboratorium Livermore.

6

• deponowanie CO

2

w morzach o oceanach -

jest bezprawne

konwencje międzynarodowe - zakaz składowania odpadów na i pod dnem morskim (Konwencja Londyńska –
wyjątek dla platform wiertniczych prowadzących poszukiwania lub eksploatację złóż, natomiast kategorycznie
zabrania deponowania CO

2

, który powstał na lądzie na skutek zupełnie innych procesów technologicznych)

• sekwestracja geologiczna –

najwięcej możliwości i największy zasób doświadczeń

•wyczerpane lub eksploatowane złoża gazu ziemnego i ropy naftowej
•głębokie wyeksploatowane pokłady węgla
•głębokie nie eksploatowane pokłady węgla
•wyeksploatowane kawerny solne
•głębokie poziomu wodonośne

• mineralizacja CO

2

–

trwałe i neutralne dla środowiska związanie CO

2

w węglanach

reakcja CO

2

z minerałami lub odpadami mineralnymi:

• glinokrzemiany magnezu - serpentyn oraz oliwin
• odpady betonowe, popioły lotne, odpady azbestowe, żużle hutnicze

Prowadzone są m.in. prace nad określeniem możliwości utylizacji CO

2

w zawiesinach popiołowo-wodnych

deponowanych w wyeksploatowanych kopalniach węgla kamiennego.

7

Źródło:Marcin Lutyński,
Wydział Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej

Wyjątek dla
morskich platform
wiertniczych –
deponowanie w
morzach i oceanach

8

Warunki lokalizacji

stabilny tektonicznie teren, na którym występują skały osadowe o dużej miąższości, znacznym
rozprzestrzenieniu, o dobrych właściwościach kolektorskich, posiadające izolujący nadkład skalny

Takie warunki spełniają duże baseny sedymentacyjne, w których występują złoża surowców energetycznych
(ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel kamienny).

Wymagania techniczne

aby przechowywanie CO

2

było bezpieczne i długotrwałe musi być on wtłoczony pod powierzchnię ziemi na

głębokość ponad 800 m; na tej głębokości CO

2

staje się nadkrytycznym płynem, o gęstości większej od

gazowego CO

2

, a przez to wymaga mniejszej pojemności do przechowywania; jest także mniej ruchliwy i ma

większą rozpuszczalność, co zwiększa skuteczność sekwestracji.

6.3. Warunki realizacji sekwestracji geologicznej

Podstawy prawne sekwestracji geologicznej:

CO

2

zatłaczany do złóż naftowych czy gazowych z punktu widzenia prawa nie jest odpadem tylko elementem

powszechnie praktykowanej – zgodnie z zasadami sztuki górniczej – technologii

Także w przypadku zatłaczania do złóż na Morzu Północnym jest medium, które wraca tam skąd wyszło – a
więc też nie jest traktowane jako odpad.

W innych przypadkach (spaliny kotłowe) – jako wychwycony i skroplony gaz cieplarniany jest odpadem – brak
uregulowań prawnych (m.in. do kogo należy zdeponowany gaz, kto będzie ponosił koszty i konsekwencje
potencjalnych awarii i katastrof, kto będzie zobowiązany do nadzoru i monitorowania tego depozytu)

9

Są to naturalne pułapki, które więziły ropę i gaz przez wiele milionów lat o dobrze
poznanej budowie i istniejącej infrastrukturze technicznej

Zatłaczanie dwutlenku węgla pod ziemię nie jest czymś nowym. Od dziesięcioleci ta
technologia wykorzystywana jest przez górnictwo naftowe celem intensyfikacji
wydobycia ropy naftowej. W II poł ubiegłego wieku latach kryzysu energetycznego w
USA uruchomiono także specjalne instalacje do produkcji czystego dwutlenku węgla.
Technologia EOC (Enhanced Oil Recovery) stosowana obecnie w ponad 70 złożach
ropy w USA pozwala na zmagazynowanie CO

2

pochodzącego ze źródeł naturalnych i

antropogenicznych w ilości 32 Mt CO

2

/rok.

Metodę gazodźwigu od co najmniej ćwierć wieku stosuje się także do wspomagania
eksploatacji „słabych odwiertów” wód mineralnych np. w uzdrowisku Krynica.

6.3. Sekwestracja geologiczna - wyczerpane lub
eksploatowane złoża gazu ziemnego i ropy naftowej

10

Dwutlenkiem węgla wypełnia się puste przestrzenie poeksploatacyjne. Zachodzą także
procesy adsorpcji w resztkach pokładów węgla.

Zalety to bliska lokalizacja od źródeł emisji oraz znana przestrzeń magazynowa (do
przeciętnej kopalni węgla kamiennego można zatłoczyć ok. 0,3 mln ton CO

2

/rok przez

około 25 lat)

Wadą jest konieczność rozwiązania problemów związanych z ograniczeniem
nieszczelności tych struktur geologicznych (a zwłaszcza warstw nadległych oraz
zasypanych połączeń wyrobisk dołowych z powierzchnią) spowodowanych
eksploatacją górniczą oraz „wypychaniem” gazu do góry przez wodę w zalewanych
kopalniach.

11

Ze względu na swoją dużą powierzchnię właściwą i zdolności adsorpcyjne węgiel
kamienny jest świetnym naturalnym magazynem dwutlenku węgla.
W przypadku zatłaczania go do pokładów węgla zawierających metan, CO

2

będzie go

zastępował, umożliwiając jednoczesny odzysk tego gazu
( ECBM - Enhanced Coal Bed Methane – wspomagane odzyskiwanie metanu z pokładów
węgla).

Zaletą jest obniżenie kosztów sekwestracji dzięki pozyskiwaniu metanu.

Na świecie istnieją obecnie dwie instalacje próbne:
• w Niecce San Juan na granicy stanu Nowy Meksyk i Colorado (USA) - do
pokładów węgla kamiennego tłoczony jest CO2 oraz w drugiej instalacji N2,
• w Polsce, gdzie wykorzystując otwory wiertnicze kopalni Silesia, zatłacza
się CO2 z zakładów azotowych (projekt RECOPOL– Redukcja emisji CO2
poprzez składowanie w pokładach węgla w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym
w Polsce, 5PR UE, 2003-2005

)

6. 3. Sekwestracja geologiczna – głębokie nie
eksploatowane pokłady węgla

12

Zalety to:
znana pojemność i budowa geologiczna oraz bardzo dobra szczelność, ale
w znanej nam perspektywie czasowej.

Wady:
idea sekwestracji wymaga, aby czas magazynowania liczony był w setkach
a nawet tysiącach lat, a złoża soli takiej pewności nie dają i z tego powodu

kawerny solne wydają się być wątpliwymi składowiskami CO

2

.

Sól jest plastyczna i pełza pod wpływem ciśnienia i temperatury powodując
zaciskanie komory. Pojemność magazynowa kawern solnych jest ograniczona i
wydaje się być niewystarczająca, aby w znaczący sposób zmniejszyć emisję CO

2

do

atmosfery.

6. 3. Sekwestracja geologiczna –wyeksploatowane
kawerny solne

13

Zbudowane z porowatych i przepuszczalnych skał osadowych, głębokie poziomy
wodonośne nadają się dobrze do podziemnego składowania CO

2

. Występują one

powszechnie na obszarach dużych basenów sedymentacyjnych.

W odróżnieniu od złóż węglowodorów, stopień ich rozpoznania jest bardzo
zróżnicowany, zwykle dużo gorszy. Zatłaczanie CO2 do poziomów wodonośnych
ma cel czysto środowiskowy i w przeciwieństwie do intensyfikacji wydobycia ropy
naftowej czy też wspomaganego odzyskiwania metanu z pokładów węgla, nie
wpływa na obniżenie kosztów operacji sekwestracji.

Pojemność składowania w poziomach wodonośnych, znacznie większa niż w
złożach ropy naftowej i gazu ziemnego, wpływa na większe nimi zainteresowanie.
Opcja ta wymaga jednak dalszych badań i zgromadzenia nowych doświadczeń.

6. 3. Sekwestracja geologiczna – głębokie poziomy
wodonośne

14

Ilość sekwestrowanego CO

2

=

emisji z elektrowni węglowej
150 MW (~1mln t/rok)

Oddziaływanie CO

2

:

z łupkowym nadkładem – węglany
magnezu, żelaza, wapnia,
z piaskowcem – węglany sodu i glinu
(dawsonit),
ale do takich interakcji dochodzi
bardzo powoli

W budowie kolejna instalacja
przemysłowa Snøhvit na Morzu
Barentsa.

Gaz ziemny wydobywany ze złoża zawiera 4-9,5 % CO

2

. Przeznaczony do sprzedaży – nie

więcej niż 2,5 %. Aby uniknąć opłat za emisję (w Norwegii 35€/t CO

2

) odseparowa- ny nadmiar

CO

2

zatłaczany jest na głębokość około 1 km do zawierających solankę utworów piaszczystych

o miąższości 200 m, oddzielonych od dna morskiego warstwą nieprzepuszczalnych łupków i
mułowców.

Źródło:Marcin Lutyński, Wydział Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej

15

Cele i metody monitoringu:
• kontrola ilości zatłaczanego pod ziemię CO

2

i parametrów zatłaczania

• śledzenie losów (lokalizacji)CO

2

• tradycyjne obrazowanie sejsmiczne
• elektromagnetyczne (EM) obrazowanie sekwestracji w poprzek otworu
wiertniczego
• tomografia elektrycznej rezystywności (ERT-electrical resistivity tomography)
– przestrzenny rozkład podpowierzchniowej rezystywności elektrycznej

• kontrola szczelności otworów, którymi zatłacza się CO

2

– w trakcie

zatłaczania i po jego zakończeniu

•

znaczenie CO

2

izotopami gazów szlachetnych rozpuszczalnych w CO

2

(np. ksenonem)
• teledetekcja (samoloty a w przyszłości umieszczone w przestrzeni
wokółziemskiej platformy wyposażone w hyperspektralne kamery)

6. 4. Monitoring – minimalizacja ryzyka
sekwestracji geologicznej