Uwięzić dwutlenek węgla

Image Co zrobić z nadmiarem dwutlenku węgla emitowanym przez wielkie instalacje przemysłowe? Geolodzy uważają, że najlepiej wtłoczyć go pod ziemię - do głębokich struktur i poziomów wodonośnych, gdzie bez ryzyka zostanie przechowany przez setki, a nawet tysiące lat...

 

 

To rozwiązanie, zwane sekwestracją geologiczną, sprowadza się do wyłączenia z obiegu znacznych ilości dwutlenku węgla na bardzo długi czas, co może ograniczyć skutki globalnego ocieplenia. Sekwestracja geologiczna uważana jest za jeden z najważniejszych środków pozwalających na spełnienie wymagań protokołu z Kioto, a jest to szczególnie istotne w przypadku naszego kraju, opierającego swą energetykę głównie na spalaniu węgla kamiennego i brunatnego.

Wdrożenie sekwestracji na skalę przemysłową wymaga jednak gruntownego rozpoznania geologicznego potencjalnych składowisk oraz zbadania ich wpływu na środowisko i określenie związanych z tym zagrożeń. Jest to jedno z najważniejszych zadań, jakie stoi obecnie przed Państwowym Instytutem Geologicznym. Jego realizacja, rozłożona na wiele lat, wymagać będzie współpracy interdyscyplinarnej z wieloma krajowymi i zagranicznymi ośrodkami naukowo-badawczymi.

 

Powstało konsorcjum

W odpowiedzi na potrzeby gospodarki narodowej w zakresie przyszłego wdrożenia technologii geologicznej sekwestracji CO2 na skalę przemysłową Ministerstwo Środowiska uruchomiło krajowy program „Rozpoznanie formacji i struktur do bezpiecznego geologicznego składowania CO2 wraz z ich programem  monitorowania”, jako jedno z nowych zadań państwowej służby geologicznej, której funkcję pełni w Polsce Państwowy Instytut Geologiczny.

Celem realizacji krajowego programu powołano w maju 2008 roku Konsorcjum w następującym składzie:
• Państwowy Instytut Geologiczny (lider)
• Akademia Górniczo-Hutnicza 
• Główny Instytut Górnictwa
• Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią
• Instytut Nafty i Gazu
• Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych sp. z o.o.


strona projektu "Rozpoznanie formacji i struktur do bezpiecznego geologicznego składowania CO2 wraz z ich programem monitorowania">>>


W ramach tego przedsięwzięcia, zaplanowanego na lata 2008-2012, przewidziano także współpracę z zagranicznymi partnerami badawczymi, w tym zwłaszcza ze służbami geologicznymi (np. niemiecką BGR). Prace ruszyły z początkiem października 2008 roku, a w dniu 14 listopada 2008 roku odbyło się w PIG spotkanie inauguracyjne i pierwsze spotkanie robocze projektu.

Przedsięwzięcie ma charakter badawczo-rozwojowy. Jego jego wynikiem będzie wskazanie potencjalnych składowisk CO2, spełniających wymogi wykonalności oraz bezpieczeństwa i wpływu na środowisko, określone w projekcie "Dyrektywy unijnej w sprawie geologicznego składowania dwutlenku węgla". Dla wybranych składowisk zostanie opracowany program monitoringu składowiska przed rozpoczęciem składowania gazu oraz założenia dla monitoringu w czasie eksploatacji składowiska i po jej zakończeniu. W zależności od zainteresowania podmiotów przemysłowych (firm energetycznych), prace mogą być kontynuowane w ramach krajowych projektów demonstracyjnych przewidzianych do realizacji w polskiej części Programu Flagowego UE.

 

Geologiczna sekwestracja dwutlenku węgla a redukcja emisji

Uważa się, że redukcja antropogenicznej emisji dwutlenku węgla pochodzącej ze spalania paliw kopalnych może być zrealizowane zasadniczo za pomocą trzech środków:

  • poprawy efektywności energetycznej i zmniejszenia zapotrzebowania na energię (nie tylko w przemyśle, także w transporcie samochodowym, rolnictwie, budownictwie, usługach, gospodarce odpadami oraz w gospodarstwach domowych)
  • wykorzystania odnawialnych oraz alternatywnych źródeł energii (energia wiatru, słoneczna, biomasy, geotermalna etc.)
  • CCS – wychwytywania i geologicznego składowania CO2 (inaczej geologicznej sekwestracji)

 

Image
Geologiczna sekwestracja CO2 to bezpieczne składowanie emisji CO2, pochodzących ze spalania paliw kopalnych w instalacjach przemysłowych, w głębokich formacjach i strukturach geologicznych docelowo na setki i tysiące lat. Proces ten obejmuje wychwytywanie CO2 ze strumienia spalin, transport i zatłaczanie do wytypowanego składowiska;
a) składowanie w głębokich poziomach wodonośnych solankowych (mają największy potencjał i są dotąd bezużyteczne dla człowieka),
b) składowanie w sczerpanych złożach węglowodorów (z możliwością wspomagania wydobycia ropy -
Enhanced Oil Recovery, ewentualnie też gazu ziemnego),
c) składowanie w głębokich, nieeksploatowanych pokładach węgla ze wspomaganiem wydobycia metanu (ECBM)


Geologiczne przechowalnie już działają

Składowanie dwutlenku węgla w głębokich strukturach geologicznych nie jest niczym nowym. Stosuje się je od dziesiątków lat do wspomagania wydobycia ropy (EOR - enhanced oil recovery), przodują tutaj Stany Zjednoczone. Aktualnie na największą skalę technologię EOR stosuje się na złożu Weyburn, na pograniczu Kanady i USA, gdzie od roku 2000 zatłoczono ponad 20 mln ton CO2, otrzymując dzięki temu dodatkowe miliony ton ropy.

Od roku 1996 na złożu gazu Sleipner w sektorze norweskim Morza Północnego zatłoczono ponad 12 mln ton dwutlenku węgla pochodzącego z oczyszczania eksploatowanego tam gazu ziemnego. Zamiast uwalniać dwutlenek do atmosfery, wtłacza się go do poziomu wodonośnego zawierającego silnie zasoloną wodę, zalegającego ponad kolektorem gazonośnym. Podobne prace są prowadzone na złożu gazu Snohvit na Morzu Barentsa, zaś na złożu In Salah w Algierii (w głębi lądu) zatłacza się dwutlenek węgla do poziomu wodonośnego solankowego zalegającego poniżej poziomu gazonośnego.

Wspomaganie wydobycia metanu z głębokich, nieeksploatowanych pokładów węgla (ECBMR - enhanced coal bed methane recovery) prowadzono w USA na złożu Allison w basenie węglowym San Juan w Nowym Meksyku, gdzie zatłoczono 400 tys. ton dwutlenku.

W ramach projektu badawczego CO2SINK w Ketzin koło Poczdamu prowadzi się eksperyment zatłaczania dwutlenku węgla do poziomów wodonośnych solankowych, na obszarach zamieszkałych. Składowane będzie tam około 60 tys. ton CO2. Podobne przedsięwzięcie rozpoczęto w Otway w południowo-wschodniej Australii.

Image
Eksploatacja gazu i zatłaczanie odpadowego CO2 na złożu podmorskim Sleipner (za STATOIL)

 

W Polsce zrealizowano dotychczas dwa przedsięwzięcia związane z zatłaczaniem CO2 do głębokich formacji i struktur geologicznych. Do złoża Borzęcin zatłacza się od 1995 roku odpadowy gaz kwaśny - produkt oczyszczania eksploatowanego tu gazu ziemnego, zawierający 60% CO2 oraz siarkowodór i węglowodory. Wtłaczany gaz kwaśny służy jednocześnie do wspomagania wydobycia gazu ziemnego (EGR - enhanced gas recovery). Do chwili obecnej pod ziemię wprowadzono kilka tysięcy ton dwutlenku węgla.

W ramach międzynarodowego projektu badawczo-rozwojowego RECOPOL w Kaniowie na Górnym Śląsku przeprowadzono eksperyment zatłaczania dwutlenku węgla do głębokich, nieeksploatowanych pokładów węgla połączony z uzyskiem metanu. Nasze Górnośląskie Zagłębie Węglowe nie ma, niestety, tak korzystnych warunków geologiczno-złożowych jakie występują w USA, ale uzyskane wyniki wyglądają zachęcająco. W Kaniowie zatłoczono około 700 ton CO2 do pokładów węgla, obecnie prowadzi się monitoring produkcji metanu i oddziaływania na środowisko (międzynarodowy projekt badawczy MOVECBM).
Ponadto w Polsce planowane są prace doświadczalne w zakresie wspomagania wydobycia ropy (EOR) z wykorzystaniem zatłaczania dwutlenku węgla.

W żadnym z powyższych przedsięwzięć nie prowadzi się jednak jeszcze sekwestracji w pełnej skali, czyli przechowywania w podziemnych strukturach geologicznych gazu, pochodzącego ze spalania paliw kopalnych w instalacjach energetycznych, połączonych specjalnymi rurociągami ze składowiskami. Tego rodzaju infrastruktura na świecie zacznie powstawać dopiero za kilka lat. W Europie będzie to 12-15 tzw. demonstracyjnych instalacji energetycznych o obniżonej emisji CO2, uruchomionych w ramach Programu Flagowego UE, z czego przynajmniej jedna będzie zlokalizowana w Polsce. Instalacje te, o mocy nie mniejszej niż 300 MW, posłużą do przetestowania technologii wychwytywania, transportu i geologicznego składowania CO2 .

Zasadniczo, główna różnica pomiędzy dotychczas realizowanymi projektami badawczymi i komercyjnymi a planowanymi na najbliższe lata przemysłowymi zastosowaniami geologicznej sekwestracji CO2 polega na ilości dwutlenku węgla przewidzianego do zatłaczania. Elektrownie węglowe o mocy kilkuset megawatów emitują kilka milionów ton dwutlenku węgla rocznie, co daje sumaryczną emisję w okresie eksploatacji instalacji wynoszącą 100-200 mln ton CO2. Tego rzędu pojemnością (albo nawet większą) powinny charakteryzować się potencjalne składowiska.

 

Image
Schemat instalacji energetycznej o obniżonej emisji CO2 (wg konsorcjum projektu CO2SINK)


Krajowy Program  „Rozpoznanie formacji i struktur do bezpiecznego geologicznego składowania CO2 wraz z ich programem  monitorowania”
W ramach programu krajowego przewiduje się wykonanie gruntownego rozpoznania potencjalnych składowisk CO2 w poziomach wodonośnych solankowych dla ośmiu rejonów kraju, wybranych zarówno ze względu na potrzeby gospodarki narodowej (głównie energetyki), jak i znane w chwili obecnej możliwości geologicznego składowania (w tym także występowanie sczerpanych złóż węglowodorów).

Trzy rejony (I – sfera zainteresowania elektrowni BOT Bełchatów, II – na potrzeby instalacji PKE i ZA Kędzierzyn oraz III, który zostanie wybrany w trakcie realizacji projektu) zostaną scharakteryzowane w stopniu umożliwiającym bezpośrednie wykorzystanie wyników tych prac na potrzeby planowanych na najbliższe lata projektów demonstracyjnych elektrowni o obniżonej emisji. Ponadto przedmiotem szczegółowych analiz będą opcje geologicznego składowania CO2 w złożach węglowodorów (z możliwością wspomagania wydobycia) i głębokich, nieeksploatowanych pokładów węgla z odzyskiem metanu. Dla obydwu tych opcji wybierze się po jednym obiekcie, które następnie przebada się pod kątem wykonalności geologicznego składowania CO2 oraz jego bezpieczeństwa i wpływu na środowisko.

Do ukierunkowania tych prac wykorzystano w szczególności wyniki badań realizowanych w ostatnich latach w ramach projektów unijnych (CASTOR WP1.2 – Scholtz et al., 2006; EU GeoCapacity – Lojka et al., 2007 i Willscher et al., 2007/2008), a także krajowych projektów badawczych. Wyniki te zestawiono na mapie poniżej, gdzie zostały wstępnie scharakteryzowane znane możliwości geologicznej sekwestracji w Polsce w przypadku poziomów wodonośnych solankowych, sczerpanych złóż węglowodorów oraz głębokich, nieeksploatowanych pokładów węgla zawierających metan. Na mapie zaznaczono też przemysłowe źródła emisji o wielkości minimum 100 tys. ton CO2 rocznie, zasięgi jednostek geologicznych ważnych z punktu widzenia geologicznej sekwestracji, elementy infrastruktury (rurociągi, obszary zurbanizowane) oraz obszary chronione NATURA 2000 wraz z parkami narodowymi.

Image
Powiększ mapę>>>
Orientacyjna lokalizacja rejonów (I-VIII) gruntownego rozpoznawania potencjalnych składowisk CO2 w formacjach wodonośnych solankowych na tle wyników wstępnego rozpoznania potencjału sekwestracji CO2 w Polsce, prowadzonego w ramach projektów unijnych CASTOR WP1.2 i EU GeoCapacity

 

Zakres rzeczowy prac w ramach krajowego programu obejmuje następujące ramowe zagadnienia:
- charakterystykę formacji i struktur odpowiednich do geologicznego składowania CO2
- określenie (aktualizacja) bilansu sekwestracyjnego dla Polski
- wykonanie przestrzennych modeli facjalnych potencjalnych poziomów zbiornikowych i ekranujących
- analizę stref tektonicznych
- laboratoryjne analizy petrologiczne i petrofizyczne
- charakterystykę hydrogeologiczną formacji wodonośnych i geochemiczną płynów złożowych
- wyznaczenie stref wyłączonych z sekwestracji CO2
- przedstawienie modeli układów sekwestracyjnych, stref i struktur o optymalnych właściwościach
- ocenę rozprzestrzeniania się zatłoczonego CO2 w mediach złożowych dla wytypowanych obszarów
- budowę wielodostępnej bazy danych
- określenie obszarów, na których można będzie lokalizować składowiska CO2
- problematykę akceptacji społecznej
- koordynację prac konsorcjum, kontakty z partnerami zewnętrznymi, rozpowszechnianie wyników, strona projektu, standaryzacja i kontrola jakości wyników
- zebranie szczegółowych informacji geologicznych, geofizycznych, hydrogeologicznych, złożowych, geomechanicznych
- opracowanie szczegółowych statycznych modeli ośrodka geologicznego kolektorów
- modelowania dynamiczne procesów zatłaczania CO2 do składowiska
- zarządzanie ryzykiem geologicznego składowania CO2
- opracowanie programu monitoringu składowiska przed rozpoczęciem składowania CO2 oraz założeń dla monitoringu w czasie eksploatacji składowiska i po jego zamknięciu

Dr inż. Adam Wójcicki
Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa
Zakład Kartografii Geologicznej Struktur Wgłębnych


Więcej informacji ...

Więcej informacji o szeroko pojętej problematyce geologicznej sekwestracji CO2 można znaleźć na polskiej stronie informacyjnej projektu unijnego CO2NET EAST

Warta przeczytania jest broszura informacyjna o CCS „Geologiczny sposób na zmianę klimatu”.

O polityce Unii Europejskiej ws. sekwestracji

O inauguracji prac konsorcjum naukowego ds. sekwestracji


Literatura

Lojka R., Tasaryova Z., Kolejka V., Hladik V., Kotulova J., Kucharic L., Fejdi V., Wójcicki A., Tarkowski R., Uliasz-Misiak B., Sliaupa S., Sliaupiene R.,  Brikmane B., Pomeranceva R., Sadrina T., Shogenova A., The EU GeoCapacity Project – Assessing European Capacity for Geological Storage of Carbon Dioxide – Czech Republic, Slovakia, Poland, Lithuania, Latvia and Estonia (NE Group), CO2NET seminar, Lisbon 6-7th November (referat).

Scholtz P., Falus G., Georgiev G., Saftic B., Goricnik B., Hladik V., Larsen M.,  Christensen N. P., Bentham M., Smith N., Wójcicki A., Sava C. S., Kucharic L., Car M., 2006, Integration of CO2 emission and geological storage data from Eastern Europe – CASTOR WP1.2, GHGT-8 [8th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies], Trondheim, 19-22 June 2006 (poster).

Willscher B., Tarkowski R., Uliasz-Misiak B., Wójcicki A., 2007, EU GeoCapacity – towards a Europe GIS of emittants and storage sites, GEOPOMERANIA conference, Szczecin 24-26th November 2007 (referat i poster oraz artykuł w Zeitschrift für Geologische Wissenschaften w druku – nr 2/2008).