Sekwestacja dwutlenku węgla jest jednym ze sposóbów ograniczenia emisji gazów cieplarnianych przez zawosową energetykę.

Problem emisji gazów cieplarnianych, głównie dwutlenku węgla do atmosfery staje się w ostatnim czasie jednym z najpoważniejszych i najpilniejszych do rozwiązania. Choć wpływ antropogenicznej emisji dwutlenku węgla na globalne ocieplenie nie został do końca potwierdzony to dane uzyskane m.in. z rdzeni lodowych ze stacji Wostok na Antarktydzie potwierdzają bardzo ścisłą korelację pomiędzy zawartością CO2 w atmosferze, a temperaturą panującą na ziemi w ciągu ostatnich ponad 400 tys. lat.

Struktura światowej emisji dwutlenku węgla, z podziałem na rodzaj używanego paliwa oraz źródło emisji ukazana jest na rysunku 2. Największymi emitentami CO2 są energetyka, przemysł oraz transport. W energetyce oraz przemyśle wciąż przeważającym paliwem jest węgiel, natomiast w transporcie zdecydowanie dominuje ropa naftowa, przy czym w dwóch pierwszych sektorach gospodarki emisja pochodzi z dużych, stacjonarnych źródeł, a w transporcie jest bardzo rozproszona. Pierwszym celem działań, mających na celu zmniejszenie emisji CO2 powinny się zatem stać elektrownie i duże zakłady przemysłowe, ponieważ o wiele łatwiej jest ograniczyć emisje lub przechwycić i składować gazy cieplarniane z dużych, stacjonarnych źródeł niż z setek tysięcy drobnych emitentów, występujących w sektorze transportowym.

Struktura antropogenicznej emisji dwutlenku węgla z podziałem na rodzaj paliwa i źródło emisji

Przykładowo, średnia emisja roczna CO2 z elektrociepłowni Gorzów w 2001r. wynosiła ok. 462 000 ton CO2, co daje średnią wydajność rzędu 646 000 Nm3/d.


Sekwestracja geologiczna dwutlenku węgla

Spośród wielu propozycji rozwiązania problemu emisji dwutlenku węgla jedną z najbardziej popularnych i najłatwiejszych do zrealizowania jest jego wtłaczanie do głębokich warstw geologicznych. Składowanie geologiczne to proces, w którym CO2 jest kompresowany, transportowany w stanie ciekłym i wtłaczany pod ziemię. Miejscem składowania mogą być m.in. wyeksploatowane złoża gazu ziemnego i ropy naftowej, głębokie pokłady węgla oraz pokłady węgla zawierające metan. W tym przypadku wtłaczanie CO2 może być uważane za metodę eksploatacji której celem jest zwiększenie wydobycia gazu ziemnego, ropy naftowej lub metanu.

Koncepcja sekwestracji CO2 w wyeksploatowanych złożach gazu ziemnego i ropy naftowej jest logicznym następstwem techniki zwiększania wydobycia, która wykorzuje płynny CO2 do wtłaczania do złóż.
Geologiczne składowanie CO2 składa się z:

• separacji (np. z gazów spalinowych)

• transportu (zwykle rurociągami) na miejsce składowania,

• rekompresji w celu utrzymania odpowiedniego ciśnienia w rurociągu lub osiągnięcia odpowiedniego ciśnienia dla wtłaczania,

• wtłaczania

• monitorowania ruchu CO2 w złożu w czasie i po wtłaczaniu.

Dokonując wyboru warstwy chłonnej przeznaczonej do składowania CO2 należy szczegółowo rozpatrzyć uwarunkowania geologiczne i hydrogeologiczne.

W procesie zatłaczania korzystne (chociaż nie konieczne) jest utrzymywanie CO2 w fazie nadkrytycznej, stąd biorąc pod uwagę typowe wartości gradientu ciśnienia i temperatury, w literaturze często spotyka się warunek, że wtłaczanie sprężonego CO2 pod ziemię może odbywać się do miejsc położonych na głębokości co najmniej 800 m. Kryterium to jest nieścisłe gdyż wynika ono z dążenia do utrzymywania CO2 w fazie nadkrytycznej (gęsta faza gazowa). Stąd biorąc pod uwagę typowe (dla konkretnych warunków geologicznych) wartości gradientu ciśnienia i temperatury, można oszacować gęstość CO2 w funkcji głębokości. Przy założeniach: gradient ciśnienia hydrostatycznego na poziomie 10 MPa/ km, gradient geotermalny na poziomie 30°C/km,  średnia temperatura na powierzchni wynosząca 15°C, gęstość CO2 gwałtownie wzrasta na głębokości między 500 a 1000 m. Wynik ten wymaga weryfikacji indywidualnie dla danych warunków złożowych.

Dokładne oceny ilościowe, zwłaszcza ocena ilości CO2 możliwej do zatłoczenia oraz wpływu zatłaczania na inne kopaliny, możliwe są wyłącznie na podstawie wyników modelowania komputerowego przy użyciu specjalistycznych modeli symulacyjnych.


Doświadczenia w zakresie deponowania gazów w warstwach geologicznych

Główne doświadczenia światowe w zatłaczaniu CO2 związane są ze stosowaniem metod wtórnych w eksploatacji złóż ropy naftowej. Idea przechwytywania CO2 nie powstała w związku z zagrożeniem efektem cieplarnianym. W latach 70 powstało w USA kilka fabryk, mających na celu produkcję czystego dwutlenku węgla, który miał być wtłaczany do złóż ropy naftowej w celu zwiększenia jej wydobycia. Spadek cen ropy w połowie lat 80 uczynił to przedsięwzięcie nieopłacalnym. W ostatnich latach na świecie ponownie podejmuje się projekty tego typu, gdyż ze względu na wzrastające ceny ropy naftowej zaczynają one być znowu opłacalne. W Polsce istnieją w tym zakresie pewne, niewielkie doświadczenia, związane z zatłaczaniem do złóż ropy naftowej i gazu ziemnego kwaśnych gazów pochodzących z instalacji odsiarczania gazu lub separacji zasiarczonej ropy naftowej na złożach Borzęcin i Kamień Pomorski. Znacznie większe doświadczenia istnieją w podziemnym magazynowaniu gazów wysokometanowych. Doświadczenia te mogą być wykorzystane w projektach sekwestracji CO2 z uwzględnieniem jednak istotnych różnic jak: większa objętość zatłaczanych gazów, rozpuszczalność w płynach złożowych, specyficzne właściwości termodynamiczne oraz oddziaływania fizykochemiczne CO2 ze składnikami skał i płynami złożowymi. Zachodzące zjawiska będą miały charakter w dużym stopniu indywidualny, zależny od składu mineralogicznego skał, ciśnienia i temperatury.


Ekonomika sekwestracji CO2

Aktualnie podstawowym problemem ograniczającym zastosowania praktyczne metody sekwestracji jest wysoki koszt separacji, transportu oraz wtłaczania CO2 do struktur geologicznych. Istnieje wiele propozycji rozwiązania tego problemu. Z jednej strony system opłat za emisję gazów cieplarnianych, a z drugiej plany obłożenia wykorzystywanych paliw podatkami i opłatami, mającymi pokryć koszty sekwestracji dwutlenku węgla. Istotnym czynnikiem staje się jednak nieuchronne zwiększenie kosztów produkcji energii elektrycznej oraz wpływ na konkurencyjność surowców energetycznych. Zagadnienia te zostały szerzej przedstawione we wcześniejszych pracach. W przypadku elektrowni węglowych, koszt samej tylko separacji dwutlenku węgla ze spalin wynosi dla kotłów pyłowych od 60 do 210 USD na tonę spalonego paliwa w zależności od typu elektrowni. W przypadku kotłów gazowych koszty separacji dwutlenku węgla powstałego ze spalenia jednej tony gazu ziemnego zawierają się w przedziale od 96 do 140 USD. Po uwzględnieniu kosztów transportu i wtłaczania, koszt w przeliczeniu na tonę spalonego paliwa rośnie o ok. 30 USD dla węgla i 27 USD dla gazu ziemnego. Może to spowodować wzrost kosztu wytwarzania energii elektrycznej na poziomie od 150% do 400% dla elektrowni węglowych oraz od 60% do 83% w elektrowniach gazowych. Tak duży wzrost kosztów wytwarzania energii w olbrzymim stopniu wpłynie na konkurencyjność paliw energetycznych, zwłaszcza węgla oraz zwiększy atrakcyjność innych źródeł energii, uznawanych obecnie za mniej opłacalne.

dr hab. inż. Jerzy Stopa, prof. dr hab. inż. Stanisław Rychlicki
Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, Kraków


Cały artykuł – GLOBEnergia 2/2007