5. SEKWESTRACJA DWUTLENKU WĘGLA

Transkrypt

1 5. SEKWESTRACJA DWUTLENKU WĘGLA 5.1. Etapy sekwestracji CO Separacja CO 2 ze strumienia spalin 5.3. Trwałe zdeponowanie lub unieszkodliwienie CO 2 (deponowanie w morzach i oceanach, mineralizacja CO 2, sekwestracja geologiczna ) 5.4. Monitoring minimalizacja ryzyka sekwestracji geologicznej 1

2 5. 1. Sekwestracja i jej etapy Sekwestracja CO 2 oznacza czynności mające na celu wychwycenie, transport oraz unieszkodliwienie lub trwałe zdeponowanie i odizolowanie od biosfery dwutlenku węgla. SEPARACJA CO 2 ZE STRUMIENIA SPALIN TRANSPORT DEPOZYCJA W IZOLACJI OD BIOSFERY Najprostszym i najtańszym etapem sekwestracji jest transport. Skroplony dwutlenek węgla transportuje się najczęściej rurociągami. NajdłuŜszy dotychczas uruchomiony rurociąg to McElmo Dome w USA (800 km). 2

3 5.2. Systematyka metod separacji CO 2 (Capture CO 2 ) ze strumienia spalin 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 zaleŝności od rodzaju spalanego paliwa, zawierają od 3 do 15% CO 2. Nowoczesne technologie produkcji energii umoŝliwiają 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. 3

4 5.2. 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 H+ K 2 CO 3 + HCO - 3 2KHCO 3 w desorberze wskutek rozpręŝania (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

5 5.2. Metody separacji CO 2 filtracja na membranach DuŜe nadzieje wiąŝe się z metodami membranowymi, które zapewniają największą skuteczność i ciągłość procesu, nie generując przy tym wtórnych odpadów. W inŝynierii 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 5.3. Systematyka metod trwałego zdeponowania lub unieszkodliwienia CO 2 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 złóŝ, natomiast kategorycznie zabrania deponowania CO 2, który powstał na lądzie na skutek zupełnie innych procesów technologicznych) 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, ŜuŜle hutnicze Prowadzone są m.in. prace nad określeniem moŝliwości utylizacji CO 2 w zawiesinach popiołowowodnych deponowanych w wyeksploatowanych kopalniach węgla kamiennego. sekwestracja geologiczna najwięcej moŝliwości i największy zasób doświadczeń wyczerpane lub eksploatowane złoŝa gazu ziemnego i ropy naftowej głębokie wyeksploatowane pokłady węgla głębokie nie eksploatowane pokłady węgla wyeksploatowane kawerny solne głębokie poziomu wodonośne 6

7 5.3. Trwałe zdeponowanie lub unieszkodliwienie CO 2 przegląd metod sekwestracji geologicznej Wyjątek dla morskich platform wiertniczych deponowanie w morzach i oceanach Źródło:Marcin Lutyński, Wydział Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej 7

8 5.3. Warunki realizacji sekwestracji geologicznej Warunki lokalizacji stabilny tektonicznie teren, na którym występują skały osadowe o duŝej miąŝszości, znacznym rozprzestrzenieniu, o dobrych właściwościach kolektorskich, posiadające izolujący nadkład skalny Takie warunki spełniają duŝe baseny sedymentacyjne, w których występują złoŝa 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 takŝe mniej ruchliwy i ma większą rozpuszczalność, co zwiększa skuteczność sekwestracji. Podstawy prawne sekwestracji geologicznej: CO 2 zatłaczany do złóŝ naftowych czy gazowych z punktu widzenia prawa nie jest odpadem tylko elementem powszechnie praktykowanej zgodnie z zasadami sztuki górniczej technologii TakŜe w przypadku zatłaczania do złóŝ na Morzu Północnym jest medium, które wraca tam skąd wyszło a więc teŝ 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 naleŝy zdeponowany gaz, kto będzie ponosił koszty i konsekwencje potencjalnych awarii i katastrof, kto będzie zobowiązany do nadzoru i monitorowania tego depozytu) 8

9 5.3. Sekwestracja geologiczna - wyczerpane lub eksploatowane złoŝa gazu ziemnego i ropy naftowej 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 takŝe specjalne instalacje do produkcji czystego dwutlenku węgla. Technologia EOC (Enhanced Oil Recovery) stosowana obecnie w ponad 70 złoŝach 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 takŝe do wspomagania eksploatacji słabych odwiertów wód mineralnych np. w uzdrowisku Krynica. 9

10 5. 3. Sekwestracja geologiczna głębokie wyeksploatowane i pokłady węgla Dwutlenkiem węgla wypełnia się puste przestrzenie poeksploatacyjne. Zachodzą takŝe procesy adsorpcji w resztkach pokładów węgla. Zalety to bliska lokalizacja od źródeł emisji oraz znana przestrzeń magazynowa (do przeciętnej kopalni węgla kamiennego moŝna 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. 10

11 5. 3. Sekwestracja geologiczna głębokie nie eksploatowane pokłady węgla Ze względu na swoją duŝą 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, umoŝliwiając jednoczesny odzysk tego gazu ( ECBM - Enhanced Coal Bed Methane wspomagane odzyskiwanie metanu z pokładów węgla). Zaletą jest obniŝenie 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, ) 11

12 5. 3. Sekwestracja geologiczna wyeksploatowane kawerny solne 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 złoŝa 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. 12

13 5. 3. Sekwestracja geologiczna głębokie poziomy wodonośne Zbudowane z porowatych i przepuszczalnych skał osadowych, głębokie poziomy wodonośne nadają się dobrze do podziemnego składowania CO 2. Występują one powszechnie na obszarach duŝych basenów sedymentacyjnych. W odróŝnieniu od złóŝ węglowodorów, stopień ich rozpoznania jest bardzo zróŝnicowany, zwykle duŝo gorszy. Zatłaczanie CO2 do poziomów wodonośnych ma cel czysto środowiskowy i w przeciwieństwie do intensyfikacji wydobycia ropy naftowej czy teŝ wspomaganego odzyskiwania metanu z pokładów węgla, nie wpływa na obniŝenie kosztów operacji sekwestracji. Pojemność składowania w poziomach wodonośnych, znacznie większa niŝ w złoŝach ropy naftowej i gazu ziemnego, wpływa na większe nimi zainteresowanie. Opcja ta wymaga jednak dalszych badań i zgromadzenia nowych doświadczeń. 13

14 5.3. Sekwestracja geologiczna złóŝe Sleipner pierwsza i największa na świecie komercyjna instalacja do geologicznej sekwestracji CO 2 w solankowym poziomie wodonośnym (eksploatowana przez koncern Statoil od 1996) Gaz ziemny wydobywany ze złoŝa zawiera 4-9,5 % CO 2. Przeznaczony do sprzedaŝy nie więcej niŝ 2,5 %. Aby uniknąć opłat za emisję (w Norwegii 35 /t CO 2 ) odseparowany nadmiar CO 2 zatłaczany jest na głębokość około 1 km do zawierających solankę utworów piaszczystych o miąŝszości 200 m, oddzielonych od dna morskiego warstwą nieprzepuszczalnych łupków i mułowców. Źródło:Marcin Lutyński, Wydział Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej Ilość sekwestrowanego CO 2 = emisji z elektrowni węglowej 150 MW (~1mln t/rok) Oddziaływanie CO 2 : z łupkowym nadkładem węglany magnezu, Ŝelaza, wapnia, z piaskowcem węglany sodu i glinu (dawsonit), ale do takich interakcji dochodzi bardzo powoli W budowie kolejna instalacja przemysłowa Snøhvit na Morzu Barentsa. 14

15 5. 4. Monitoring minimalizacja ryzyka sekwestracji geologicznej 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 wyposaŝone w hyperspektralne kamery) 15