Aspekty prawne i merytoryczne związane z bezpieczeństwem składowania CO 2 w strukturach geologicznych Autorzy: Adam Wójcicki - Państwowy Instytut Geologiczny - Państwowy Instytut Badawczy, Stanisław Nagy - Akademia Górniczo-Hutnicza ( Energetyka styczeń 2014) CCS to wychwytywanie i geologiczne składowanie dwutlenku węgla pochodzącego ze spalania paliw kopalnych (ang. Carbon Capture and Storage). Wychwytywanie CO2 wykorzystuje technologie stosowane w przemyśle naftowym i chemicznym, natomiast transport CO2 prowadzi się najczęściej rurociągami wysokociśnieniowymi. Składowanie odbywa się w głęboko położonych formacjach geologicznych, gwarantujących bezpieczne i stabilne składowanie na długi czas. Rys. 1 Projekt badawczo-rozwojowy, potem komercyjny w Borzęcinie (1995-2010; PGNiG & INIG), dotyczący zatłaczania tzw. gazu kwaśnego (60% CO2, 15% H2S), będącego produktem oczyszczania gazu ziemnego z eksploatowanego złoża gazu, celem uniknięcia niepożądanych emisji do atmosfery, przy czym najistotniejsze było pierwotnie uniknięcie emisji siarkowodoru.
Historia CCS w Polsce obejmuje eksperymenty zatłaczania CO2 na niewielką skalę (Lubaś, 2007) do złoża gazu (od 1995 roku - Borzęcin rys. 1) i złóż węgla (2004-2005 Kaniów rys. 2). W obu przypadkach prace realizowano w ramach koncesji na wydobycie surowców energetycznych (odpowiednio gazu ziemnego i metanu pokładów węgla). W ciągu ostatniego dziesięciolecia powstały także liczne opracowania naukowe i badawczorozwojowe nt. geologicznego składowania CO2, realizowane w ramach projektów krajowych i międzynarodowych od 2002 roku (np. [7-10,12]). Rys. 2 Międzynarodowy (5PR) projekt badawczo-rozwojowy RECOPOL w Kaniowie (2001-2005; koordynator - TNO, polski partner - GIG), dotyczący zatłaczania CO2 do głębokich, nieeksploatowanych pokładach węgla ze wspomaganiem wydobycia metanu. PROGRAM FLAGOWY UE (ETP ZEP), PAKIET KLIMATYCZNY i DYREKTYWA CCS Prace te nabrały tempa po akcesji naszego kraju do UE w 2004 roku, a następnie po ogłoszeniu przez UE w 2007 roku tzw. Programu Flagowego, proponującego uruchomienie do 2015 roku 10-12 instalacji energetycznych CCS o charakterze przedkomercyjnym
(demonstracyjnym), celem przetestowania wszystkich elementów technologii CCS w skali zbliżonej do przemysłowej. W dniach 11-12 grudnia 2008 roku przedstawiciele państw członkowskich zasiadający w Radzie Europejskiej uzgodnili przyjęcie tzw. pakietu klimatycznego, zobowiązującego je do roku 2020 do redukcji przemysłowych emisji dwutlenku węgla o minimum 20% w stosunku do emisji z 1990 roku, podniesienie efektywności energetycznej oraz udziału OZE o 20% (uzgodnienia opublikowano jako Konkluzje Prezydencji Francuskiej 1721/08/1 z dnia 13 lutego 2009r., zatwierdzone 17 grudnia 2008 roku przez Parlament Europejski). Rys. 3 Transpozycja Dyrektywy CCS do prawa polskiego
W Pakiecie Klimatycznym wymieniono następujące sposoby osiągnięcia tego celu: podniesienie efektywności energetycznej o 20%, podniesienie udziału OZE w bilansie energii do 20% oraz CCS. Zagadnienia CCS reguluje stosowna dyrektywa Parlamentu i Rady (2009/31/EC z dnia 23.04.2009), wdrażana przez państwa członkowskie, będąca również częścią wspomnianego pakietu, z tym że wpływ jej wdrożenia na redukcję emisji byłby odczuwalny dopiero w perspektywie roku 2030. Uzgodniono wtedy także finansowanie projektów CCS i OZE w ramach programu EEPR (Europejski Program Energetyczny na Rzecz Naprawy Gospodarczej), a Parlament Europejski przyjął modyfikację Europejskiego Systemu Handlu Emisjami (ETS), polegającą na stopniowej likwidacji darmowych uprawnień do emisji, począwszy od roku 2013. W roku 2008 złożono wstępne aplikacje dla dwóch polskich projektów CCS PGE Bełchatów i PKE&ZAK Kędzierzyn, wspierane przez rząd RP. Projektowi PGE Bełchatów przyznano dofinansowanie z programu EEPR (2009). Państwa Członkowskie zostały zobowiązane do wprowadzenia w życie przepisów ustawowych, wykonawczych i administracyjnych niezbędnych do wykonania Dyrektywy CCS do dnia 25 czerwca 2011 roku (w tym CCS ready ), a do dnia 30 czerwca 2011 do przedstawienia pierwszego sprawozdania z wprowadzania jej w życie. W Polsce prace te trwały do chwili obecnej (rys. 3) i odpowiedzialne za nie było Ministerstwo Środowiska. W dniu 30 sierpnia 2013 ustawa została uchwalona przez Sejm, ale następnie Senat (komisje senackie) wniósł poprawki w dniu 20 września 2013. Ustawa wejdzie w życie w zasadniczej części w terminie 30 dni od jej ogłoszenia (wg informacji na stronie Sejmu; www.sejm.gov.pl). Implementacja Dyrektywy CCS do polskiego prawa obejmuje następujące zagadnienia: - możliwość składowania CO2 wyłącznie w ramach projektów demo CCS, i to do końca 2024(2026) roku; - przyszłe składowiska CO2 (a także infrastruktura transportu) mogą być traktowane jako inwestycje celu publicznego; - do uzyskania koncesji na poszukiwanie/ rozpoznanie będzie potrzebny m.in. projekt robót geologicznych a wynikiem tego etapu będzie dokumentacja hydrogeologiczna i geologicznoinżynierska a podstawą do uzyskania koncesji na składowanie będzie plan zagospodarowania składowiska (WUG); opłaty za składowanie; - zarówno udzielenie koncesji na rozpoznanie jak i składowanie będzie wymagać decyzji o środowiskowych uwarunkowaniach i nie będzie możliwe bez wcześniejszego uzgodnienia z wójtem/burmistrzem/prezydentem miasta. W tej chwili jedynym krajem UE, w którym nie wdrożono dotąd w pełni dyrektywy CCS, pozostaje Polska (komunikat Komisji Europejskiej z dnia 27.03.2013).
W USA i Kanadzie zatłaczanie i składowanie CO2 odbywa się na podstawie prawa górniczego poszczególnych stanów i zwykle jest związane z eksploatacją węglowodorów. W Australii natomiast rząd federalny reguluje składowanie pod dnem morza, pozostawiając projekty badawcze na lądzie w gestii poszczególnych stanów (strona IEA - www.iea.org). BEZPIECZEŃSTWO SKŁADOWANIA CO2 - WYBÓR SKŁADOWISK Studium wyboru struktury do składowania CO2 jest przedmiotem wielodyscyplinarnych badań. Proces badania przydatności struktury jest wykonywany przez zespół ekspertów, który ściśle współpracuje oraz wymienia dane i wyniki. Jest to proces podobny do sytuacji w zakresie poszukiwania ropy naftowej i gazu, chociaż szczegóły badań w odniesieniu do procesów CCS są inne. W inżynierii złóż gazu i ropy badania ukierunkowane są na własności zbiornikowe, z kolei w studium wykonalności magazynowania CO2 istotne są parametry związane z pojemnością, wykonalnością zatłaczania i bezpieczeństwem składowania CO2. W stosunku do składowania CO2 zdolność geologicznych struktur do pułapkowania CO2 musi zostać wykazana na tysiące lat. W rzeczywistości biorąc pod uwagę geologiczną niepewność, celem procesu badania charakterystyki składowiska jest oszacowanie prawdopodobieństwa bezpiecznego przechowywania CO2 w danej strukturze złożowej. Jeśli prawdopodobieństwo nieszczelności struktury spadnie poniżej apriori w stosunku do określonego progu, to struktura taka może być wykorzystana do składowania. Akademia Górniczo-Hutnicza jest m.in. odpowiedzialna za współprzygotowanie pełnej metodyki badawczej do oceny struktur magazynowych w ramach projektu 7 Programu Ramowego Unii Europejskiej SITECHAR pod kierunkiem IFPEN (http://www.sitechar-co2.eu). Obszary badawcze, które muszą być rozpatrzone przez zespół obejmują: -geologię strukturalną, -inżynierię złożową, -modelowanie geomechaniczne, -modelowanie geochemiczne, -inżynierię procesu transportu i zatłaczania CO2, -ocenę ryzyka. Poza tymi obszarami następujące dodatkowe analizy mogą być wymagane do potwierdzenia przydatności struktury do składowania: -analiza ekonomiczna, -analizy społeczne, -inżynieria i projektowanie infrastruktury powierzchniowej do transportu i zatłaczania CO2.
Przegląd lokalizacji W trakcie przeglądu lokalizacje, które posiadają jedną lub więcej z następujących cech nie powinny być brane pod uwagę jako składowiska CO2: a) techniczne: brak koniecznej pojemności i iniekcyjności brak, na podstawie istniejących danych, uszczelnienia odpowiedniego pod względem wymaganego okresu czasu (który może zostać określony przez odpowiedni organ regulacyjny), składającego się z co najmniej jednej warstwy uszczelniającej o zasięgu regionalnym; położenie w strefach, w których istnieje możliwość uszkodzenia uszczelnienia przez aktywność sejsmiczną i tektoniczną, chociaż obecność aktywności sejsmicznej sama w sobie nie powinna wykluczać struktury z rozważań; lokalizacja w strefach o rozległej i gęstej sieci uskoków i szczelin podlegających reaktywacji; lokalizacja w systemach o anomalnie wysokim ciśnieniu, tj. takich gdzie ciśnienie pierwotne jest znacznie wyższe od hydrostatycznego, z gradientami większymi niż 15-16 kpa/m, a czasami zbliżającymi się do ciśnienia geostatycznego; lokalizacja w krótkich systemach hydrodynamicznych, tj. systemach o względnie krótkich dystansach migracji; brak odpowiednich możliwości monitoringu w odniesieniu do ewolucji i efektów zatłoczonego CO2; brak możliwości potwierdzenia mechanicznej integralności odwiertów penetrujących podstawową skałę uszczelniającą, lub brak tej integralności i możliwości jej przywrócenia. b) prawne lokalizacja w głębokościach zalegania chronionych wód gruntowych zgodnie z obowiązującą jurysdykcją; lokalizacja w głębokościach gdzie komunikacja z wodami gruntowymi i wpływ na nie może być wykazany; lokalizacja w głębokościach gdzie komunikacja i wpływ na inne zasoby naturalne (energetyczne, geotermalne i mineralne) mogą zostać wykazane; lokalizacja w strefach chronionych, np. parki narodowe, oraz strefach wrażliwych pod względem środowiska naturalnego wyznaczonych przez odpowiednie władze, które mogą zostać naruszone przez prowadzenie w nich działań i utratę szczelności;
lokalizacja w strefach, w których nie ma możliwości nabycia praw do terenu i przestrzeni porowej lub uzyskania pozwoleń na prowadzenie działań bez zatwierdzenia odpowiednich władz, np. bazy militarne, rezerwaty. Ocena struktur w tej wstępnej fazie zawiera elementy charakteryzacji struktury, ale powin-na ona być oparta na łatwo dostępnych danych i informacjach i nie powinna wymagać zdobywania nowych danych i znacznego nakładu pracy. W pewnych przypadkach struktury uznane za nieodpowiednie na podstawie tych kryteriów, mogą zostać uznane za odpowiednie, kiedy uwzględnione zostaną dodatkowe informacje lub kiedy zastosowane zostaną alternatywne schematy zatłaczania (np. odwiertu poziome lub odbiór wody), lub zmiany w ustawodawstwie umożliwią zagospodarowanie. Wybór struktury Wybór lokalizacji opiera się na wykonanej ocenie geologicznej i zagospodarowania przestrzennego w trakcie fazy wstępnego przeglądu i eliminacji. Dane, informacje i wiedza zdobyte w trakcie procesu przeglądu powinny być włączone do procesu wyboru lokalizacji. W obszarach, gdzie odpowiednie dane (bezpośrednie i / lub przez analogię) są dostępne, modele mogą być rozwijane w trakcie wyboru lokalizacji. Modele te mogą być przydatne do identyfikacji brakujących danych i do określania niepewności w odniesieniu do wstępnych szacunków. Podczas wyboru miejsc, które przeszły proces przeglądu, powinny być oceniane: a) kryteria wgłębne pojemność dalsze precyzowanie wartości pojemności struktury w miarę zdobywania nowych informacji i lepszego określenia potencjału zatłaczania. Można to osiągnąć po- przez ocenę istniejących logów odwiertowych oraz rdzeni dla określenia miąższości zbiornika, ciągłości, porowatości, stopnia heterogeniczności i nasycenia wodą; iniekcyjność wpływa na liczbę odwiertów, konstrukcję odwiertów (poziome/ pionowe) i ciśnienie zatłaczania. Iniekcyjność można określić na podstawie historii wydobycia w strukturach eksploatowanych, analizy rdzeni i testów odwiertowych; bezpieczeństwo składowania, z uwzględnieniem możliwości migracji CO2 przez: - słabe uszczelnienie uskoków i szczelin, którego ocena może zawierać: - interpretacje i reprocessing sejsmiki 2D i 3D, - przegląd pomiarów aeromagnetycznych, logów i analiz geochemicznych wody; - identyfikacja uszczelnień podstawowych i wtórnych; - zapewnienie, że uszczelnienie podstawowe ma zasięg regionalny; - istniejące odwierty, których rozpoznanie powinno uwzględniać:
- ilość odwiertów penetrujących strukturę magazynową w obrębie obszaru zaintereso-wania; - wieki konstrukcja odwiertów; - status odwiertu (eksploatowany, zamknięty, zlikwidowany); - historia interwencji odwiertowych w strefie; prawa własności przestrzeni porowej (identyfikacja właścicieli) bliskość i potencjalny wpływ na cenne zasoby naturalne, energetyczne i mineralne, np. eksploatowane złoża węglowodorów, wody gruntowe, energetyka geotermalna, ropa lub gaz z łupków, minerały rozpuszczone i baseny sedymentacyjne; zagospodarowanie solanki wydobytej w ramach operacji składowania (jeżeli wydobycie solanki jest częścią strategii kontroli ciśnienia w trakcie składowania CO2) b) kryteria powierzchniowe istnienie i bliskość praw do drogi pomiędzy (potencjalnymi) źródłami CO2 a składowiskiem; istnienie infrastruktury, np. rurociągów, dróg dojazdowych i linii energetycznych; rozmieszczenie ludności w obszarze położonym nad składowiskiem i wzdłuż prognozowanej ścieżki migracji chmury CO2; prawa własności gruntów w rozpatrywanej strefie; bliskość innych obiektów przemysłowych i działalności rolniczej; bliskość i ekspozycja na ruch kołowy, drogi, linie kolejowe itp.; odległości do chronionych siedlisk przyrodniczych (w tym gatunków zagrożonych wygi- nięciem) i obszarów wrażliwych ekologicznie; sąsiedztwo rzek i innych zbiorników słodkiej wody; bliskość parków narodowych i innych obszarów zarezerwowanych (np. baz wojskowych i rezerwatów); obecny i przewidywany rozwój sąsiednich nieruchomości; topografia miejsca i zmienność warunków pogodowych; zasoby kulturowe i historyczne; warunki społeczno-ekonomiczne.
Rys. 4 Schemat decyzyjny wyboru struktury proponowany przez konsorcjum SiteChar (2011)
W dostępnej literaturze przedmiotowej w tym zakresie dominuje kilka pozycji wzajemnie się uzupełniających: 1. STANDARD CSAZ741:Geological storage of carbon dioxide (2011-10-27); 2. Best Practice: Site Screening, Selection, and Initial Characterization for Storage of CO2 in Deep Geologic Formations DOE/NETL-401/090808, Nov2010; 3. AUSTRALIAN REGULATORY GUIDING PRINCIPLES: CARBONDIOXIDE CAPTURE AND GEOLOGICAL STORAGE, The Ministerial Council on Mineral and Petroleum Resources (2005) 4. DET NORSKE VERITAS: CO2QUALSTORE - Guideline for Selection and Qualification of Site and Projects for Geological Storage of CO2(2010-20-29) Wspomniane prace w ramach projektu Site-Char opierają się na dokumentach metodologicznych opracowanych przez DET NORSKE VERITAS (2010). Na rys.4 przedstawiono schemat logiczny podejmowania decyzji wyboru struktury. Warta polecenia jest również metodyka DOE USA(2010), zawarta również w normie CSA Z741 (2011), dotycząca pełnej analizy trzech typów danych: geologiczno-technicznych, zagospodarowania terenu oraz socjologicznych. Norma CSA Z741 jest pierwszą normą regulującą proces CCS na świecie. LITERATURA [1] AUSTRALIAN REGULATORY GUIDING PRINCIPLES: CARBON DIOXIDE CAPTURE AND GEOLOGICAL STORAGE, The Ministerial Council on Mineral and Petroleum Resources (2005) [2] Best Practice: Site Screening, Selection, and Initial Characterization for Storage of CO2 in Deep Geologic Formations DOE/NETL-401/090808, Nov 2010; [3] DET NORSKE VERITAS: CO2QUALSTORE- Guideline for Selection and Qualification of Site and Projects for Geological Storage of CO2 (2010-20-29) [4] Dyrektywa 2009/31/WE PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO i RADY z dnia 23 kwietnia 2009 w sprawie geologicznego składowania dwutlenku węgla oraz zmieniająca Dyrektywy Rady 85/337/EWG, 96/61/WE, Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2000/60/WE, 2001/80/WE, 2004/35/WE,2006/12/WE i Rozporządzenie (WE) nr 1013/2006 oraz Accompanying document to the proposal for a DIRECTIVE OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL on the geological storage of carbon dioxide Impact Assessment.
[5] Geological storage of carbon dioxide CSA Z741-2012 Z741-12 Standard ANSI (www.ansi.org) [6] Lubaś J. 2007 - Spotkanie konsultacyjne w sprawie udziału Polski w międzynarodowym programie sekwestracji CO2 Wrocław i Borzęcin, 13 14.06.2007: Przegląd Geologiczny vol. 55, nr 8, pp 647-649. [7] Tarkowski R., Uliasz - Misiak B., 2002 Możliwości podziemnego składowania CO2 w Polsce w głębokich strukturach geologicznych (ropo-, gazo- i wodonośnych): Przegląd Górniczy, 12, pp. 25-29. [8] Tarkowski R., 2008 - CO2 storage capacity of geological structures located within Polish Lowlands' Mesozoic formations. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, T24/nr 4/1, p. 101-112. [9] 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: Konferencja GHGT-8 [8th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies], Trondheim, 19-22 czerwca 2006. [10] Wójcicki A., 2012 - Postępy realizacji Krajowego Programu "Rozpoznanie formacji i struktur do bezpiecznego geologicznego składowania CO2 wraz z ich programem monitorowania". Biuletyn PIG 442, pp. 9-16. [11] www.sitechar-co2.eu [12] Vangkilde-Pedersen T., Anthonsen K. L., Smith N., Kirk K., Neele F., van der Meer B., Le Gallo Y., Bossie-Codreanu D., Wojcicki A., Le Nindre Y.-M., Hendriks C., Dalhoff F., Peter Christensen N. P., 2009 GHGT-9 Assessing European capacity for geological storage of carbon dioxide the EU GeoCapacity project: Elsevier - Energy Procedia, 1, pp. 2663-2670.