Zatłaczanie (magazynowanie lub składowanie) gazów cieplarnianych do górotworu.

Rozwój ludzki oraz związane z nim zmiany powodują zanieczyszczenie środowiska naturalnego. Ponadto, w ostatnich latach obserwuje się wzrost temperatury powierzchni ziemi, który spowodowany jest tzw. „efektem cieplarnianym” lub „efektem szklarniowym”. Przyczyną efektu cieplarnianego są gazy cieplarniane, a w szczególności dwutlenek węgla, które powodują zatrzymanie promieniowania podczerwonego w atmosferze, co w efekcie powoduje zwiększenie temperatury powierzchni ziemi.

Dwutlenek węgla odpowiedzialny jest w 80% za efekt cieplarniany (pozostałe gazy to metan, tlenki azotu, ozon i freony). Jego stężenie w atmosferze na przestrzeni ostatnich 150 lat zwiększyło się z 290 ppm do ponad 375 ppm w 2004 roku. Zwiększenie stężenia dwutlenku węgla w atmosferze spowodowane jest przede wszystkim spalaniem paliw kopalnych (ropa, węgiel, gaz), a także wycinaniem lasów, które pochłaniają ten gaz w procesie fotosyntezy.

Według prognoz zużycie energii w przeciągu następnych 30 lat zwiększy się ponad dwukrotnie, co wobec braku alternatyw dla tradycyjnych źródeł wytwarzania energii będzie powodować zwiększenie emisji CO2 do atmosfery. Szacuje się, że do roku 2030 globalna emisja CO2 zwiększy się do poziomu około 40 miliardów ton rocznie, która jest ilością ponad dwukrotnie większą w porównaniu z rokiem 1990.

Wobec zmian spowodowanych emisją CO2 postanowiono przeciwdziałać m.in. poprzez badania nad procesami sekwestracji CO2. Bazą prawną dla prowadzenia badań w tej dziedzinie może być protokół z Kioto, w którym państwa ratyfikujące to postanowienie w 1997 roku zobowiązały się do redukcji emisji w latach 2008-2012 średnio o 5,2% względem roku bazowego 1990. Unia Europejska zobowiązała się do ograniczenia emisji średnio o 8%, natomiast Polska o 6% względem przyjętego roku bazowego 1988 (477 594 Mt). Dodatkowym czynnikiem mającym w przyszłości zachęcić do wdrażania nowych technologii mających na celu redukcje emisji CO2 jest wprowadzony z początkiem 2005 roku w Unii Europejskiej handel emisjami.

W celu unieszkodliwienia (sekwestracji) CO2 należy kolejno wykonać trzy etapy czynności, które mają na celu: separację CO2 ze strumienia gazów spalinowych, transport do miejsca składowania oraz trwałe zdeponowanie lub unieszkodliwienie CO2.

Składowanie CO2 można podzielić na kilka zasadniczych grup:

Składowanie CO2 w formacjach geologicznych (sekwestracja geologiczna);

Składowanie CO2 w oceanach (morzach) ;

Karbonizacja CO2 (trwałe wiązanie) .

Rys. 2.Przedstawia koncepcje sekwestracji CO

Sekwestracja geologiczna CO2:

Istnieje wiele koncepcji składowania dwutlenku węgla w skorupie ziemskiej. Dotychczas jedynym miejscem składowania dwutlenku węgla w celu zapobieżenia jego emisji do atmosfery jest formacja solanki Utsira w Norwegii (rys). Dwutlenek węgla, który zatłaczany jest do tej warstwy pochodzi z separacji z gazu ziemnego ze złoża Sleipner. Gaz ziemny wydobywany ze złoża zawiera od 4 do 9,5% CO2, jednakże przeznaczony do sprzedaży powinien zawierać do 2,5%. Odseparowany nadmiar CO2 zatlaczany jest na głębokość 1000m do utworów piaszczystych zawierających solankę o miąższości do 200m. Proces odbywa się kierunkowymi otworami wiertniczymi o długości około 4000m. Podziemny magazyn CO2 jest oddzielony od powierzchni warstwami nieprzepuszczalnych łupków i mułowców, które doskonale izolują składowisko od powierzchni. W ten sposób rocznie magazynowane jest 1 Mt CO2, co pozwala na uniknięcie płacenia wysokich kar za emisję tego gazu (35€/t CO2).

Rys.3. Przedstawia zatłaczanie CO na złożu Sleipner:

Osobnym zagadnieniem jest zatłaczanie CO2 w celu intensyfikacji wydobycia ropy naftowej (Enhanced Oil Recovery), które jest technologią znaną i stosowaną. Prowadzona jest obecnie na 74 złożach ropy w USA. Pozwala to na zmagazynowanie 32 Mt CO2/rok, który pochodzi ze zbiorników naturalnych i antropogenicznych.

Zatłaczanie do pozabilansowych pokładów węgla z jednoczesnym odzyskiem metanu ECBM (Enhanced Coal Bed Methane)

Węgiel kamienny jest doskonałym adsorbentem dwutlenku węgla. Ze względu na swoją duża powierzchnię właściwą jest świetnym naturalnym magazynem dwutlenku węgla. Ponadto, dwutlenek węgla „wypycha” cząsteczki metanu umożliwiając jednoczesny odzysk tego gazu.Na Świecie istnieją obecnie dwie instalacje próbne mające na celu głębsze zbadanie procesu zatłaczania CO2 do pokładów węglowych. Jedna instalacja jest zlokalizowana w Niecce San Juan na granicy stanu Nowy Meksyk i Colorado (USA). Do pokładów węgla kamiennego tłoczony jest CO2 oraz w drugiej instalacji N2, który jest głównym składnikiem gazów spalinowych i równie dobrze adsorbuje się na węglu. Drugą instalacja zlokalizowana jest w Polsce i wykorzystuje otwory wiertnicze kopalni Silesia (projekt RECOPOL). Obydwa eksperymenty polowe mają na celu dokładniejsze poznanie procesu zatłaczania CO2 i odzysku CH4 oraz opracowanie modelu zatłaczania tego gazu do pokładów węglowych. W celu symulacji procesów zatłaczania CO2 stosowanie są symulatory złożowe (np. COMET3, SIMED II, GEM), które pozwalają na oszacowanie ilości wydobycia CH4 i zatłoczonego CO2 oraz przebiegu zatłaczania i eksploatacji w czasie.

Składowanie w kawernach solnych:

Znanymi magazynami gazu są wyeksploatowane kawerny solne. Pojemność oraz budowa tego typu magazynów jest dobrze znana. Ponadto, są to pułapki bardzo szczelne i dobrze zbadane. Jednakże, aby idea sekwestracji mogła być zrealizowana należy mieć na uwadze bardzo długi czas magazynowania liczony w setkach a nawet tysiącach lat. Złoża soli takiej pewności nie dają. 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 CO2 do atmosfery. Z tego też powodu, kawerny solne wydają się być wątpliwymi składowiskami CO2.

Składowanie w zamkniętych kopalniach podziemnych:

Ponieważ eksploatacja kopalin w Europie jest znacznie ograniczona ze względu na wyczerpanie bazy surowcowej oraz ze względu na istnienie wielu zamkniętych kopalń, pojawiła się koncepcja zatłaczania CO2 do pustek poeksploatacyjnych. Dwutlenek węgla w kopalniach może być składowany zarówno w pustych przestrzeniach poeksploatacyjnych jak i sorbowany w resztkach pokładów węgla. Przestrzeń magazynowa przeciętnej kopalni węgla kamiennego pozwoliłaby na zatłoczenie około 300,000 t CO2/rok przez okres około 25 lat (dane zaczerpnięte z projektu GESTCO). Istnieje wiele problemów, z jakimi należy się zmierzyć, aby możliwe stało się wprowadzenie tej koncepcji w życie. Do najistotniejszych należą m.in.:

– problem szczelności warstw nadległych zruszonych eksploatacją górniczą,

– zalewanie kopalń wodą, które w konsekwencji powoduje „wypychanie” gazu do góry,

• dgnieszczelności w zasypanych połączeniach wyrobisk dołowych z powierzchnią.

Zatłaczanie kwaśnych gazów do złóż w Polsce

W połowie lat dziewięćdziesiątych uruchomiono w Polsce dwie przemysłowe

instalacje powrotnego zatłaczania gazów kwaśnych do stref złożowych.

Technologia pozwala w efekcie na selektywne wydobycie ze złóż

węglowodorów kierując do niego powrotnie składniki w postaci H2S i CO2,

szkodliwe dla biosfery. Głównym zadaniem jest ochrona środowiska naturalnego,

równocześnie zatłaczane gazy kwaśne w pierwszym przypadku

zwiększają stopień odropienia złoża a drugim wypierają z wód podścielających

złoże gazu ziemnego rozpuszczone w niej węglowodory lekkie. Wystarczająco

długi okres eksploatacji pozwala na przedstawienie wyników

ilustrujących zmiany głównych parametrów procesu dotyczących zarówno

zjawisk wgłębnych jak i powierzchniowych. Polska więc już od samego

początku znalazła się w grupie krajów wdrażających procesy sekwestracji

gazów kwaśnych.

Pierwsza z instalacji zatłacza gaz ziemny zawierający ok. 15 % H2S i 4 % CO do strefy ropnej, ilość zatłaczanego gazu jest niewielka i wynosi w skali miesiąca średnio 250 tys. nm3, niemniej zachodzące w złożu procesy mogą

ilustrować skalę zachodzących zjawisk. Prace studialne wykazały, że odsiarczanie gazu towarzyszącego wydobywanej

ropie naftowej jest nieopłacalne, ze względu na niewielką już ilość

wydobywanego gazu, bardzo wysoką zawartość H2S i węglowodorów ciężkich

oraz dużą odległość od potencjalnych użytkowników. Wcześniej gazy

te spalano w pochodni, w okresie 20 letniej eksploatacji złoża spalono 0.3

mld nm3 gazu oraz 80 tys. ton siarki, która w postaci SO2 przedostała się do

atmosfery.

Pokaźne ilości ropy pozostającej w złożu skłaniały do wdrożenia metod

oddziaływania na złoże, np. z wykorzystaniem procesu wypierania ropy

zatłoczonym gazem.

Wyróżnić należy dwie metody zatłaczania gazów do złóż ropy:

• zatłaczanie gazów nie mieszających się z ropą naftową dla podtrzymania

ciśnienia złożowego (immiscible process)

• zatłaczanie gazów rozpuszczających się w ropie (miscible process).

Druga spośród instalacji realizuje proces powrotnego zatłaczania kwaśnych

gazów zawierających ponad 60 % CO2 i 15 % H2S do strefy wody podścielającej

bezpośrednio złoże gazu zasiarczonego. Gazy kwaśne są produktem

odpadowym z procesu aminowego odsiarczania wydobywanego gazu ziemnego.

Przed przystąpieniem do projektowania instalacji opracowano komputerowe

modele symulacyjne zatłaczania gazów kwaśnych do struktur złożowych.

Zadaniem modelowania było prognozowanie rozpływu gazów kwaśnych w

złożu oraz ewentualnych zmian składu gazu wydobywanego ze złoża.

Zalety zatłaczania gazów:

Podstawową zaletą zatłaczania kwaśnych gazów do złóż węglowodorów

według Alberta Energy and Utility Board jest mniejszy koszt przeprowadzania

zabiegu w porównaniu z neutralizacją agresywnych składników. Ponadto

kwaśne gazy rozpuszczają się w ropie naftowej i mogą być wykorzystane

podczas prowadzenia zabiegu wypierania ropy naftowej. Powoduje to

zwiększenie współczynnika odropienia złoża a także podtrzymuje wartość

ciśnienia złożowego. Inną możliwością jest magazynowanie gazów

w naturalnych, zawodnionych strukturach wgłębnych z możliwością

ewentualnej ich eksploatacji w przyszłości, gdy odzyskiwanie czystej siarki.

i dwutlenku węgla będzie bardziej opłacalne.

Wady zatłaczania gazów:

Głównym zagrożeniem mogącym

wystąpić podczas zatłaczania kwaśnych gazów jest skażenie wód gruntowych

oraz przedostanie się tłoczonych gazów do eksploatowanych złóż węglowodorów.

Dlatego proces deponowania gazów kwaśnych jest prowadzony

zwykle w złożach ropy naftowej lub w wyodrębnionych strukturach zawodnionych

nie kontaktujących się bezpośrednio ze złożem gazu.

Źródła:

http://www.min-pan.krakow.pl/Wydawnictwa/GSM231/tarkowski-stopa.pdf

http://www.min-pan.krakow.pl/~radek/abstract31.html

http://www.inig.pl/hercules/reports/Firstyear/files/WP3-3.pdf

http://rg6.polsl.pl/sekwestr/

http://journals.bg.agh.edu.pl/WIERTNICTWO/2005-01/W_22_1_2005_41.pdf