gaz łupkowy, gaz ziemny z łupków, emisja, zanieczyszczenie powietrza Marcin MAZURCZAK, Izabela SÓWKA, Łukasz PACHURKA, Piotr SOBCZYŃSKI * CHARAKTERYSTYKA EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ DO POWIETRZA PODCZAS ROZPOZNANIA ZŁÓŻ GAZU ZIEMNEGO Z ŁUPKÓW Celem pracy było dokonanie charakterystyki źródeł emisji w trakcie rozpoznania złóż gazu ziemnego z łupków z jednoczesnym uwzględnieniem etapów tego działania. Dokonano opisu źródeł emisji podczas prac montażowych, wiertniczych oraz w trakcie szczelinowania hydraulicznego. W artykule szczególną uwagę poświęcono emisjom powstającym podczas spalania oleju napędowego w silnikach spalinowych oraz metanowi pojawiającemu się na powierzchni ziemi w trakcie odbioru cieczy powrotnej. 1. WSTĘP Analizy poziomu zanieczyszczenia powietrza, w tym stężeń pyłów, NO 2, SO 2, CO, H 2 S oraz niektórych węglowodorów alifatycznych i aromatycznych w trakcie rozpoznania gazu ziemnego z łupków można wykonać w Polsce zgodnie z metodyką referencyjną zawartą załączniku do Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 roku w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu [12]. Określenie poziomu zanieczyszczenia, m.in. na podstawie wyznaczonej wartości emisji, na konkretnym obszarze jest niezbędne w ramach procedury oceny oddziaływania przedsięwzięcia na środowisko. Według Rozporządzenia Rady Ministrów w sprawie przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko działania, które są poszukiwaniem lub rozpoznawaniem złóż kopalin wykonywanym metodą otworów wiertniczych o głębokości większej niż 1000 m, są klasyfikowane jako prace mogące * Zakład Ekologistyki, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, Politechnika Wrocławska, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, marcin.mazurczak@pwr.wroc.pl
398 M.MAZURCZAK i in. potencjalnie znacząco oddziaływać na środowisko i wymagają przygotowania stosownych analiz [13]. W przypadku rozpoznania złóż gazu ziemnego z łupków emisja do powietrza są ściśle związane z etapem prowadzonych prac. Można zatem wyróżnić następujące fazy realizowanych działań: badania sejsmiczne, prace montażowe, prace wiertnicze, szczelinowanie hydrauliczne w odcinku poziomym i pionowym złoża, testy produkcyjne. W pracy przedstawiono charakterystyka emisji zanieczyszczeń dla kluczowych - dla całego procesu wydobycia gazu ziemnego z łupków - etapów, tj. prac montażowych wiertniczych oraz szczelinowania hydraulicznego. 2. EMISJA ZANIECZYSZCZEŃ PODCZAS PRAC MONTAŻOWYCH I WIERTNICZYCH Działania montażowe są pierwszym etapem prac składających się na wykonanie otworu badawczego. Na tym etapie budowane są drogi dojazdowe oraz wykonywane są niwelacje terenu wiertni. Następuje zdjęcie warstwy humusu i wyłożenie obszaru płytami betonowymi oraz folią PEHD. Jeżeli jest to możliwe, wykonywane są podłączenia do linii energetycznej lub sieci wodociągowej. W ramach prac montażowych instalowane jest urządzenie wiertnicze wraz z instalacją paliwową, powietrzną i elektryczną, a także lokalizowane jest zaplecze magazynowo - techniczne [16]. Kopalnia gazu ziemnego z łupków jest lokalizowana na terenach niezurbanizowanych, znajdujących się od kilkudziesięciu do kilkuset metrów od gospodarstw domowych. W trakcie prac montażowych na teren wiertni przywożony jest sprzęt, woda oraz substancje chemiczne, które będą wykorzystywane podczas dalszych działań. W związku z tym może dochodzić do zwiększonych emisji tlenków siarki i azotu oraz pyłów głównie w wyniku transportu materiałów budowlanych i urządzeń, prac ziemnych i pracy silników spalinowych sprzętu budowlanego. Według szacunków prace w ramach jednego odwiertu generują od 300 do ok. 650 przejazdów samochodów ciężarowych w obie strony. Ich liczba może być znacznie zmniejszona w wyniku zastosowania alternatywnych metod transportu materiałów i potrzebnego sprzętu. Według szacunków wykorzystanie rurociągów do transportu na teren wiertni wody potrzebnej w trakcie szczelinowania hydraulicznego może ograniczyć ilość przejazdów o ok. 30% [2]. Emisja zanieczyszczeń w trakcie wykonywania robót wiertniczych są związane przede wszystkim z pracą silników spalinowych agregatów prądotwórczych zasilających urządzenie wiertnicze oraz z magazynowaniem i przeładunkiem paliwa. Właściwy etap prac
Charakterystyka emisji zanieczyszczeń do powietrza podczas rozpoznania złóż gazu ziemnego... 399 trwa ok. 60 dni. W tym czasie wykonywane jest wiercenie, zarurowanie i cementowanie odwiertu oraz badania i pomiary przepływu gazu ziemnego. Z terenu działań wiertniczych do atmosfery mogą być zatem emitowane następujące zanieczyszczenia: gaz ziemny z ewentualnych rozszczelnień strefy przyotworowej, dwutlenek siarki, powstający w trakcie spalania oleju napędowego w silnikach spalinowych, dwutlenek azotu, powstający w trakcie spalania oleju napędowego w silnikach spalinowych, tlenek węgla, towarzyszący produktom spalania oleju w silnikach wysokoprężnych, benzen, jako produkt niepełnego spalania paliwa w silnikach wysokoprężnych, inne węglowodory, jako produkt niepełnego spalania paliwa w silnikach wysokoprężnych, węgiel elementarny w postaci sadzy, jako produkt niezupełnego spalania paliwa w silnikach wysokoprężnych [7]. Zarówno na etapie prac montażowych, jak i wiertniczych emisja są związane głównie z pracą silników spalinowych pracujących na obszarze wiertni. W tabeli 1 zestawiono zużycie paliw i energii podczas działań prowadzonych na obszarze koncesji Markowola. Tabela 1. Zużycie paliw i energii podczas działań prowadzonych przy odwiercie Markowola - 1 [16] Rodzaj nośnika energii Urządzenie wiertnicze o napędzie spalinowym elektrycznym olej napędowy 4 600 kg/dobę 690 kg/dobę olej silnikowy 40 dm 3 /dobę 7 dm 3 /dobę olej przekładniowy 20 dm 3 /dobę 20 dm 3 /dobę olej hydrauliczny 15 dm 3 /dobę 12 dm 3 /dobę smary 2 kg/dobę 1 dm 3 /dobę szacunkowe zapotrzebowanie na energię elektryczną 1,2 MW/h 7,2 MW/h W niektórych przypadkach w celu ograniczenia emisji zanieczyszczeń wykorzystywane są agregaty prądotwórcze zasilane bezpośrednio z sieci energetycznej. Warto jednak zwrócić uwagę, że ze względu na sposób lokalizowania wiertni takie rozwiązanie nie jest zawsze możliwe.
400 M.MAZURCZAK i in. 3. EMISJA ZANIECZYSZCZEŃ W TRAKCIE SZCZELINOWANIA HYDRAULICZNEGO Wykonanie szczelinowania hydraulicznego jest niezbędne do wydobycia gazu ziemnego z łupków. Jest to proces, który polega na zatłoczeniu na określoną głębokość specjalnie przygotowanego płynu w celu wygenerowania odpowiednio rozległej sieci spękań, którą węglowodór będzie mógł swobodnie wydostać się na powierzchnię. W trakcie szczelinowania hydraulicznego generowane jest ciśnienie, które jest większe od granicy wytrzymałości skały na rozrywanie. Ciśnienie szczelinowania jest dobierane indywidualnie w zależności od właściwości i rodzaju skały, jej wytrzymałości, porowatości, szczelinowatości oraz głębokości zalegania złoża [15]. Obecnie szczelinowanie hydrauliczne pozwala na wydobycie od 15 do 40% gazu ziemnego znajdującego się w złożu. Warto jednak zwrócić uwagę, że w trakcie nieco ponad 20 lat rozwoju technologicznego poprawiono sprawność wydobycia z poziomu 6% [1]. Szczelinowanie hydrauliczne jest procesem wieloetapowym, który trwa ok. dwa tygodnie. W tym czasie odpowiednio duże ciśnienie szczelinowania jest generowane na skutek pracy pomp wysokoprężnych. W przypadku tego procesu, podobnie jak na etapie prac montażowych i wiertniczych, może nastąpić zwiększona emisja do atmosfery: tlenków węgla, azotu, lotnych związków organicznych, pyłu zawieszonego PM10 oraz benzenu wyniki pomiarów wskaźników zanieczyszczenia atmosfery po zabiegu szczelinowania hydraulicznego odwiertu Łebień LE 2H zestawiono w tabeli 2. W przypadku prac na tym odwiercie nie wykazano przekroczenia stężenia referencyjnego dwutleneku siarki, dwutleneku azotu oraz benzen [7]. Tabela 2. Stężenia wybranych zanieczyszczeń oznaczonych metodą pasywną po zbiegu szczelinowania hydraulicznego odwiertu Łebień LE-2H [7] Okres ekspozycji sierpień wrzesień 2011 r. Zanieczyszczenie Średnie stężenie μg/m 3 dwutlenek siarki 5,54 dwutlenek azotu 9,61 benzen 0,70 W tracie 14 dni po wykonanym zabiegu szczelinowania hydraulicznego na powierzchnię ziemi powraca od 15 do 80% wpompowanej cieczy [8]. Płyn do szczelinowania w trakcie penetracji górotworu reaguje z materiałem skalnym. Zatłaczana ciecz ulega wymieszaniu z naturalnie występującymi wodami złożowymi, wypełniającymi część porów skalnych. Ponadto roztwór tłoczony do górotworu może być pochłaniany przez materiały ilaste [4], co powoduje, że skład płynu powrotnego różni się od zatłoczonego pierwotnie. Ciecz szczelinująca składa się głównie z wody, materiału podsadzkowego (ok.
Charakterystyka emisji zanieczyszczeń do powietrza podczas rozpoznania złóż gazu ziemnego... 401 99,5%) i substancji chemicznych (0,5%) [1]. Płyn zwrotny może zawierać śladowe ilości pierwiastków radioaktywnych, gazy (m.in. metan, etan, ditlenek węgla), metale ciężkie oraz substancje organiczne [6]. Ciecz po wykonanym szczelinowaniu, po wstępnym podczyszczeniu, jest magazynowana w otwartych basenach pierwotnie wykorzystywanych do gromadzenia wody technologicznej. Do tej pory w literaturze przedmiotu nie przedstawiono charakterystyki emisji zanieczyszczeń pochodzących z tego źródła. Odbiorowi cieczy powrotnej towarzyszy emisja węglowodorów. Według Amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska nieprzetworzony gaz ziemny z łupków zawiera: 78,3% metanu, 17,8% węglowodorów niemetanowych, 1,8% tlenku azotu, 1,5% ditlenku węgla, 0,5% tlenków siarki i 0,1% wody [14]. Firmy zajmujące się rozpoznaniem złóż w Stanach Zjednoczonych stosują trzy sposoby zarządzania pojawiającą się na powierzchni mieszaniną gazów. Są to: zrzut do atmosfery (venting), spalanie w pochodni lub wychwytywanie. Najmniej przyjazną dla środowiska naturalnego metodą zarządzania mieszaniną węglowodorów jest jej zrzut do atmosfery. Według szacunków na 1 m 3 takiej mieszaniny przypada 0,788 m 3 metanu. Dużo bardziej korzystne dla środowiska jest jej spalanie w tzw. pochodni, która ogranicza ilość emitowanego metanu do 0,01-0,02 m 3 na każdy 1 m 3 mieszaniny. Wychwytywanie gazów pojawiających się w trakcie odbioru cieczy powrotnej jest sposobem na potencjalnie całkowite wyeliminowanie emisji metanu. Dane Amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska pokazują jednak, że przy obecnej technologii jest to niemożliwe, ze względu na sprawność procesu wynoszącą ok. 90% [3]. Do tej pory opublikowano kilka szacunków dotyczących poziomu emisji metanu w trakcie rozpoznania złóż i wydobycia gazu ziemnego z łupków. Zdaniem Roberta Howarth a i Renee Santoro w trakcie produkcji gazu ziemnego z łupków do atmosfery emitowane jest 3,6 do 7,9% gazu, który pojawia się na powierzchni [5]. Jest to związane przede wszystkim ze sposobem zarządzania mieszaniną, której emisja następuje głównie na skutek jej zrzucania do atmosfery i z nieszczelności instalacji. Zdaniem ww. autorów emisja metanu ze złóż niekonwencjonalnych jest w skrajnych przypadkach nawet dwa razy większa w porównaniu z emisją ze złóż konwencjonalnych. Nadmierna emisja zanieczyszczeń pojawia się po wykonanym zabiegu szczelinowania hydraulicznego, szczególnie w trakcie odbioru cieczy powrotnej. Według szacunków ok. 1,6% całkowitej produkcji gazu ziemnego jest emitowana wówczas do atmosfery [5]. Odmienne od zaprezentowanych powyżej są dane opublikowane przez Francis a O Sullivan a i Sergey a Paltsev a [11]. Według ich szacunków w 2010 roku całkowita emisja metanu w wyniku zastosowania szczelinowania hydraulicznego wyniosła 216 Gg CH 4. Podczas szczelinowania hydraulicznego nie zwiększyła się w istotny sposób emisja metanu do atmosfery. Zdaniem ww. autorów w przypadku większości złóż działanie to spowodowało to emisje metanu wartości od od 0,4 do 0,6% jego produkcji [11].
402 M.MAZURCZAK i in. 4. PODSUMOWANIE Do tej pory w Polsce wydano 112 koncesji na poszukiwanie i rozpoznanie złóż węglowodorów niekonwencjonalnych w tym gazu ziemnego z łupków. Wykonano 39 odwiertów rozpoznawczych, a 3 kolejne są w trakcie realizacji. W 10 odwiertach wykonano zabieg szczelinowania hydraulicznego (2 w odcinkach poziomych i 8 w pionowych). Do 2020 roku planowanych jest wykonanie kolejnych 270 odwiertów [9]. Tego typu działania mogą spowodować emisję zanieczyszczeń, głównie w postaci: dwutlenku siarki i dwutlenku azotu powstającego w trakcie spalania oleju napędowego w silnikach spalinowych, tlenku węgla towarzyszącego produktom spalania oleju w silnikach wysokoprężnych, benzenu, innych węglowodorów oraz węgla elementarnego jako produktów niepełnego spalania paliwa w silnikach wysokoprężnych, metanu z ewentualnych rozszczelnień strefy przyotworowej, zrzutów do atmosfery, spalania lub niepełnego wychwytywania po wykonanym zabiegu szczelinowania hydraulicznego. Rozpatrując środowiskowe oddziaływania procesu rozpoznania złóż i wydobycia gazu ziemnego z łupków niezbędne jest dokonanie analizy skutków wybranych emisji zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego. Opracowanie metodyki w zakresie oceny i identyfikacji generowanych zanieczyszczeń powinno stać się priorytetem biorąc pod uwagę zapowiedzi rozwoju sektora wydobywczego w Polsce. LITERATURA [1] ALL CONSULTING, The Modern Practices of Hydraulic Fracturing, A Focus on Canadian Resources, LLC, 2012. [2] COOLEY H., DONNELLY K., Hydraulic Fracturing and Water Resources: Separating the Frack from the Fiction, 2012. [3] ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, Greenhouse Gas Emissions Reporting from Petroleum and Natural Gas Industry: Background Technical Supporting Document, Washington DC, 2010. [4] GRZYBEK I., Techniczne i środowiskowe aspekty pozyskania gazu łupkowego, Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, 6 (2011). [5] HOWARTH R, SANTORO R., INGRAFFE A., Methene and greenhouse-gas footprint of natural gas from shale formations, A letter, 2011. [6] JRC SCIENTIFIS AND POLICY REPORTS, Unconventional Gas: Potential Energy Impacts in the European Union, 2012. [7] KONIECZYŃSKA M., WOŹNICKA M., ANTOLAK O., JANICA R., LICHTARSKI G., NIDENTAL M.,, OTWITOWSKI J., STARZYCKA A., WRÓBEL G., POTRYKUS R., GDANIEC ROHLE B., WŁODARSKI T., Badania aspektów środowiskowych procesu szczelinowania hydraulicznego wykonanego w otworze Łebień LE-2H, Warszawa, 2011
Charakterystyka emisji zanieczyszczeń do powietrza podczas rozpoznania złóż gazu ziemnego... 403 [8] MACUDA J., HADRO J., ŁUKAŃKO Ł., Środowiskowe implikacje gazu łupkowego, Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, 6, 2011. [9] MINISTERSTWO ŚRODOWISKA, [w:] http://www.mos.gov.pl/kategoria/3317_niekonwencjonalne_zloza_gazu_ziemnego_w_polsce_gaz_ w_lupkach_shale_gas_i_gaz_zamkniety_tight_gas/ [10] NEW YORK STATE DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL CONSERVATION, Potential Environmental Impacts Draft SGEIS on the Oil, Gas and Solution Mining Regulatory Program, 2009. [11] O SULLIVAN, PALTSEX S., Shale Gas Production: Potential versus Actual. GHG Emissions, 2012. [12] ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA Z DNIA 26 STYCZNIA 2010 ROKU W SPRAWIE WARTOŚCI ODNIESIENIA DLA NIEKTÓRYCH SUBSTANCJI W POWIETRZU, Dz.U.2010.16.87 [13] ROZPORZĄDZENIE RADY MINISTRÓW W SPRAWIE PRZEDSIĘWZIĘĆ MOGĄCYCH ZNACZĄCO ODDZIAŁYWAĆ NA ŚRODOWISKO, Dz.U. 2010 nr 213 poz. 1397 [14] SKONE TJ, LITTLEFIRLD J., MARRIOTT J., Life Cycle of Greenhouse Gas Inventory of Natural Gas Extraction, Delivery and electricity Production, US Department of Energy, Pitsburg, 2011. [15] SIKORA S., SZAFRAN M.M., Szczelinowanie hydrauliczne - intensyfikacja wydobycia gazu ziemnego z łupków ilastych, [w:] http://www.profuturo.agh.edu.pl/pliki/referaty_vi_kkmu/ni/p_49_agh-vi_kkmu.pdf [16] SOJSKI G., Ochrona środowiska w praktyce. Odwiert Markowola-1 - studium przypadku działań prowadzonych z troską o środowisko, [w:] http://www.pgnig.pl/pgnig/gaz-z-lupkow/26052 CHARACTERITICS OF AIR POLLUTANTS EMISSIONS DURING SHALE GAS PRODUCTION The purpose of the paper was to characterize potential emissions during shale gas extraction processes. In the paper there were discussed stages of the operation. Description of the emissions sources was made regarding to installation, drilling and fracking. Particular attention was paid to emissions arising from the combustion of diesel fuel in internal combustion engines and methane occurring with flowback fluid.