czyli krótki wykład na temat:
Geologiczna sekwestracja CO2
W ostatnich latach wiele uwagi poświęca się wpływowi działalności człowieka, w tym wykorzystywanych przez ludzkość źródeł energii, na klimat Ziemi. Uważa się, że głównym winowajcą obserwowanych zmian klimatycznych jest tzw. antropegeniczny dwutlenek węgla uwalniany do atmosfery m.in. w trakcie spalania paliw kopalnych. W związku z tym podejmowane są starania mające doprowadzić do ograniczenia emisji tego gazu cieplarnianego. Działania te prowadzone są pod szyldem szeroko pojętej transformacji energetycznej i dekarbonizacji gospodarki. Rozwijana jest energetyka oparta na odnawialnych źródłach energii (OZE) i ogranicza się wykorzystanie węgla. Mówi się również o konieczności zwiększania efektywności energetycznej i zmniejszaniu śladu węglowego różnych procesów przemysłowych. Istnieją jednak procesy, w których emisja \(CO_2\) nie jest związana wyłącznie ze spalaniem węgla czy innych paliw kopalnych, więc przejście na czyste źródła energii nie rozwiązuje problemu. Przykładem jest produkcja cementu.
W kontekście transformacji energetycznej duże nadzieje wiąże się z wodorem. Wytwarzany z wykorzystaniem energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych „czysty” wodór nazywany jest wodorem zielonym. Jednak aktualnie ogromna część używanego wodoru pochodzi z reformingu metanu - głównego składnika gazu ziemnego. Taki wodór otrzymuje etykietę wodoru szarego, a to ze względu na drugi produkt reformingu - dwutlenek węgla. Aby zmienić etykietę z szarej na niebieską (a niebieski to już prawie zielony ;) generowany \(CO_2\) nie może zostać uwolniony do atmosfery. W roku 2022 wodór wytwarzany przy niskiej emisji stanowił mniej niż 1% światowej produkcji.
Dwutlenek węgla generowany w procesie technologicznym należy więc wychwycić (capture) i „coś” z nim zrobić, tak, aby nie trafił do atmosfery. Proponowanym rozwiązaniem jest geologiczna sekwestracja, czyli magazynowanie w skorupie ziemskiej (storage). Mówimy więc o technologii CCS - Carbon Capture and Storage, która uważana jest za jeden z filarów szeroko pojętej dekarbonizacji gospodarki. Geologiczna sekwestracja \(CO_2\) jest elementem technologii CCS i polega na zatłoczeniu wychwyconego u źródła emisji \(CO_2\) do głębokich warstw geologicznych i zatrzymaniu go tam. W tym miejscu może nasuwać się pytanie - jakie warstwy nadają sie na magazyny, jak głęboko powinny być zlokalizowane, co dzieje się z \(CO_2\) pod ziemią i czy takie magazynowanie jest bezpieczne? O tym w dalszej części.
Podziemne magazynowanie płynów
Magazynowanie płynów pod ziemią, w górotworze, tak naprawdę nie jest niczym nowym. Pierwszy podziemny magazyn gazu ziemnego powstał w Kanadzie w 1915 r. - niemal 110 lat temu. Pierwszy PMG w Polsce - w roku 1954. Obecnie na całym świecie magazynuje się z powodzeniem setki miliardów normalnych metrów sześciennych (\(nm^3\)) gazu ziemnego. W Polsce funkcjonuje kilka PMG o łącznej pojemności czynnej na poziomie ok. 3,5 mld \(nm^3\) i prowadzone są prace zmierzające do zwiększenia dostępnej pojemności czynnej.
Sama koncepcja magazynowania gazu w skorupie ziemskiej opiera się na fakcie istnienia naturalnych podziemnych „magazynów” węglowodorów, które nazywamy złożami ropy i gazu, a które są przedmiotem intensywnej eksploatacji od drugiej połowy XIX w. Konwencjonalne złoża ropy i gazu powstały w wyniku wtórnej migracji wygenerowanych w skałach macierzytych węglowodorów, które zostały zatrzymane i zakumulowane w tzw. pułapkach geologicznych.
Można więc powiedzieć, że tworząc podziemne magazyny gazu ziemnego czy dwutlenku węgla naśladujemy naturalne zjawiska występujące w skorupie ziemskiej, a w geologicznej sekwestracji \(CO_2\) najbardziej nowatorskie jest wykorzystanie technologii podziemnego składowania w celach pro-klimatycznych. Warto w tym miejscu podkreślić, że: 1) gaz ziemny jest palny i wybuchowy - dwutlenek węgla nie jest; 2) podziemny magazyn gazu pracuje cyklicznie - gaz jest zatłaczany do magazynu w sezonie zimowym i odbierany w sezonie letnim, a sekwestracja \(CO_2\) polega na zatłoczeniu i pozostawieniu go w górotworze.
Warstwy geologiczne, które można wykorzystać do magazynowania \(CO_2\) to porowate skały osadowe, najlepiej piaskowce. Skała porowata zawiera w swej strukturze przestrzenie wolne od materii stałej, tzw. pory. Połączone ze sobą pory stanowią objętość, która może akumulować płyny i umożliwia ich przepływ. Naturalnymi kandydatami są wyeksploatowane złoża gazu czy ropy; możliwe jest również łączenie sekwestracji \(CO_2\) ze wspomaganiem wydobycia węglowodorów. Jednak główny potencjał magazynowy stanowią warstwy nasycone wodą, tzw. akifery.
Skałę zbiornikową charakteryzuje szereg parametrów, przy czym dwa z nich możemy określić jako kluczowe. Pierwszym jest porowatość efektywna, czyli stosunek objętości połączonych porów do całkowitej objętości skały. W przypadku konwencjonalnych złóż gazu czy ropy mówimy o porowatościach rzędu 10-30% (taką część objętości skały stanowią połączone pory). Drugim parametrem jest przepuszczalność - miara zdolności skały do przewodzenia (czy też przepuszczania) płynu poprzez swoje przestrzenie porowe. Miarą przepuszczalności jest milidarcy (\(1mD = 10^{-15}m^2\)).
Zatem formację skalną przydatną pod kątem geologicznego składowania \(CO_2\) powinna charakteryzować:1) wysoka porowatość - aby mogła zatrzymać znaczne ilości płynu; niższą objętość porową w pewnym stopniu może kompensować wielkość struktury - jej powierzchnia i miąższość (grubość warstwy);
2) wysoka przepuszczalność umożliwiająca efektywny przepływ płynów.
Co należy rozumieć przez określenie efektywny przepływ? Przepływ płynów ośrodkach porowatych (i nie tylko) „napędzany” jest różnicą ciśnień na drodze przepływu, czyli gradientem ciśnienia (mowa jest tutaj o dominującym mechaniźmie przepływu). Im większa przepuszczalność, tym mniejsza różnica ciśnień potrzebna do wywołania przepływu określonej ilości danego płynu, lub większa wydajność przepływu przy danej różnicy ciśnień. Jeżeli weźmiemy pod uwagę, że różnicę ciśnień potrzebną do zatłoczenia dwutlenku węgla generują pompy, w największym uproszczeniu można powiedzieć, że większa przepuszczalność pozwoli ograniczyć moc tych pomp, a więc i koszty zatłaczania. Przepuszczalność będzie też determinować ilość odwiertów potrzebnych do zatłaczania \(CO_2\), co również wpływa na koszty inwestycji.
Termofizyczna charakterystyka \(CO_2\) a sekwestracja
Substancje chemiczne charakteryzują się określonymi wartościami parametrów termofizycznych jak temperatura wrzenia, temperatura krzepnięcia, parametry krytyczne itd., które nie podlegają zmianie, do których musimy się „dostosować”. Parametry termofizyczne, które determinują stan skupienia substancji to jej temperatura i ciśnienie w odniesieniu do ciśnienia krytycznego i temperatury krytycznej - parametrów specyficznych dla każdej substancji. Tak jest również w przypadku dwutlenku węgla - termofizyczna specyfika tej konkretnej substancji wpływa na pewne aspekty technologii geologicznej sekwestracji. Aby proces był możliwie najbardziej efektywny powinien być realizowany w warunkach nadkrytycznych (superkrytycznych), tj. powyżej temperatury i ciśnienia krytycznego. Takie warunki uzyskać można na głębokości co najmniej 800 m. Zatem to własności dwutlenku węgla dyktują nam jak głębokie muszą być „głębokie warstwy geologiczne”, o których wspomniano na samym początku, a w których realizowane ma być magazynowanie \(CO_2\). W warunkach superkrytycznych \(CO_2\) ma stosunkowo wysoką gęstość, dzięki czemu w określonej objętości można zgromadzić go znacznie więcej niż w „zwykłej” fazie gazowej. Jednocześnie ma stosunkowo niewielką lepkość, dzięki czemu płynie dość łatwo, co jest istotne szczególnie na etapie zatłaczania (z tych samych względów co przepuszczalność skały). Przywołując równanie Darcy'ego: \begin{equation} u = -\frac{k}{\mu}\frac{\partial p}{\partial x} \end{equation} prędkość filtracji (przepływu płynu przez ośrodek porowaty) \(u\) przy danym gradiencie ciśnienia \(\frac{\partial p}{\partial x}\) zależy od ilorazu przepuszczalności skały \(k\) i lepkości płynu \(\mu\). Dokładniej mówiąc - im większa przepuszczalność i mniejsza lepkość, tym większa prędkość filtracji przy danej różnicy ciśnień, lub mniejsza różnica ciśnień potrzebna dla osiągnięcia określonej prędkości filtracji. Dlaczego prędkość filtracji jest istotna? Większa prędkość oznacza większą wydajność czyli ilość płynu jaką można zatłoczyć w jednostce czasu. Z kolei mniejsza różnica ciśnień potrzebna dla osiągnięcia danej wydajności to mniejsze koszty zatłaczania - mniejsza moc pomp potrzebnych do zatłoczenia dwutlenku węgla.Mechanizmy zatrzymywania \(CO_2\)
Głębokie warstwy geologiczne, jeśli nie są nasycone gazem lub ropą, są nasycone wodą o znacznym stopniu zasolenia - tak znacznym, że są nieużyteczne. Dwutlenek węgla, nawet w stanie nadkrytycznym, jest lżejszy od wody, w związku z czym w sposób naturalny będzie przemieszczał się „ku górze”, tj. w kierunku powierzchni Ziemi. Aby uniemożliwić taką migrację zatłoczonego \(CO_2\) warstwa geologiczna wybrana na magazyn musi posiadać uszczelnienie, które zablokuje przepływ ku powierzchni. Takim uszczelnieniem są bardzo zbite i niezwykle słabo przepuszczalne skały jak łupki czy anhydryty. Miąższość (grubość) warstw uszczelnienia może osiągać nawet kilkaset metrów! Dokładnie taki sam mechanizm uszczelnienia działa w przypadku złóż ropy i gazu - bez niego powstanie tych złóż nie byłoby możliwe, a ich istnienie potwierdza możliwośc bezpiecznego zatrzymywania płynów w górotworze.
Przebieg zatłaczania dwutlenku węgla do antyklinalnej struktury wodonośnej zobrazowano na Rys. 2. Na kolejnych przekrojach przedstawiono nasycenie \(CO_2\) po 5, 10 i 30 latach zatłaczania. Odwiert zatłaczający umieszczono na skłonie warstwy, po prawej stronie kulminacji struktury. W efekcie widoczny jest ruch zatłaczanego gazu w jej kierunku. Ruch ten nie ustaje w momencie zakończenia zatłaczania; w dalszym ciągu dwutlenek węgla migruje i akumuluje się w kulminacji pułapki. Tę fazę magazynowania (post-closure) przedstawiono na Rys. 3.
Pułapka strukturalna i stratygraficzna w postaci np. antyklinalnej warstwy zbiornikowej przykrytej warstwą uszczelniającą stanowi główny mechanizm „pułapkowania” dwutlenku węgla w ramach procesu sekwestracji geologicznej - jednak nie jedyny. Zatłoczony dwutlenek węgla zatrzymywany jest w warstwie porowatej również poprzez efekty kapilarne i histerezę przepuszczalności. Jest to tzw. pułapkowanie rezydualne, czyli zamykanie \(CO_2\) w porach o najmniejszych rozmiarach. Na Rys. 3, po prawej stronie modelu (wokół odwiertu zatłaczającego) widoczna jest strefa z resztkowym nasyceniem na poziomie 20%. Zatrzymany gaz nie przemieszcza się, widoczna jest natomiast pewna zmienność na kontakcie ze strefą nasyconą wodą.
Dwutlenek węgla rozpuszcza się w wodzie złożowej (jak w napojach gazowanych), co jest zjawiskiem korzystnym z punktu widzenia sekwestracji. Rozpuszczony w wodzie tworzy słaby kwas węglowy, który może reagować z minerałami skały, w wyniku czego powstają nowe minerały wiążące węgiel w sposób najbardziej trwały. Jednocześnie woda zawierająca rozpuszczony dwutlenek węgla jest cięższa od wody bez \(CO_2\); różnica gęstości powoduje grawitacyjne przemieszczanie cięższej cieczy w kierunku spągu warstwy zbiornikowej (opadanie w kierunku dolnej części warstwy magazynowej). Na rys. 4 zobrazowano ten proces pokazując zmianę udziału \(CO_2\) rozpuszczonego w wodzie 50, 200, 500 i 1000 lat po zakończeniu zatłaczania.
_50-200-500-1000yr_after.jpg)
Największą zawartość rozpuszczonego gazu obserwujemy w strefie w której w trakcie zatłaczania nasycenie \(CO_2\) było największe oraz w strefie do której \(CO_2\) przemieścił się po zakończeniu zatłaczania (w kulminacji struktury) - kolor czerwony. Następnie, w miarę upływu czasu, wyraźnie widoczne jest rozpuszczanie \(CO_2\) na kontakcie strefy nasyconej tym gazem (również w obszarze z nasyceniem resztkowym, o którym pisałem wyżej) z wodą, oraz ruch wody zawierającej \(CO_2\) „w dół”. Chociaż rozpuszczanie nie jest dominującym mechanizmem zatrzymywania dwutlenku węgla (proszę zwrócić uwagę na skalę po lewej stronie Rys. 4) to jego znaczenie rośnie z upływem czasu.
Podsumowanie
CCS nie jest „lekiem na całe zło” zmian klimatycznych, jednak odpowiednia implementacja tej technologii z pewnością może nie tylko pomóc w wypełnieniu podjętych zobowiązań, ale i umożliwić kontynuację działalności istotnych gałęzi przemysłu. Choć o wielu aspektach zielonej tranformacji można (a nawet należy) dyskutować, faktem jest, że zobowiązania zostały podjęte i - póki co - obowiązują.
Zagadnieniami związanymi z geologicznym magazynowaniem \(CO_2\) zajmujemy się na Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu już od co najmniej kilkunastu lat. Wiedza i wieloletnie doświadczenie z zakresu inżynierii złożowej, wiercenia głębokich otworów poszukiwawczych i eksploatacyjnych (wiertnictwo), udostępniania i eksploatacji złóż gazu i ropy oraz podziemnego magazynowania gazu pozwalają nam na zajmowanie się zagadnieniami geologicznej sekwestracji \(CO_2\) w sposób kompleksowy. Podobnie zresztą wygląda sytuacja po stronie przemysłu. To koncerny zajmujące się eksploatacją złóż gazu i ropy wchodzą w rolę operatorów podziemnych składowisk \(CO_2\).
Inżynierowie złożowi dysponują narzędziami w postaci komputerowych symulatorów złożowych, które umożliwiają modelowanie przepływu płynów w ośrodkach porowatych w przestrzeni trójwymiarowej. Symulatory złożowe przechodzą ciągłą ewolucję począwszy od lat 60 XX wieku. Ich rozwój związany jest z rozwojem zarówno hardwear-u (wzrost mocy obliczeniowych komputerów) jak i algorytmów wykorzystywanych do rozwiązywania równań opisujących procesy zachodzące w złożach. Z drugiej strony twórcy tych narzędzi rozwijają je pod kątem dostosowania do nowych technologii eksploatacji, jak np. w przypadku złóż niekonwencjonalnych. Wzrost zainteresowania branży technologią CCS również znalazł odzwierciedlenie w rozwoju symulatorów w postaci nowych modułów dedykowanych geologicznemu magazynowaniu \(CO_2\).
Dzięki komputerowym symulatorom złożowym możemy oceniać przydatność i szacować pojemność potencjalnych struktur magazynowych, prognozować zachowanie magazynów w długim terminie i oceniać znaczenie poszczególnych mechanizmów zatrzymywania \(CO_2\) dla efektywności sekwestracji. Podobie jak w przpadku eksploatacji złóż ropy i gazu symulator jest narzędziem pozwalającym optymalizować proces sekwestracji. Symulacje komputerowe w połączeniu z monitoringiem struktury magazynowej są również niezwykle istotnymi elementami systemu zapewniania bezpieczeństwa magazynowania dwutlenku wegla w górotworze.