REKLAMA
Skąd CO2 do metody WAT pozyskania gazu z łupków przy użyciu ciekłego dwutlenku węgla
Zespół Katedry Mechaniki i Informatyki Stosowanej Wydziału Mechanicznego WAT pod kierunkiem prof. dr hab. inż. Tadeusza Niezgody opracowuje w ramach projektu DIOX4SHELL wytyczne do zaprojektowania innowacyjnej technologii wydobycia gazu z łupków przy użyciu ciekłego CO 2 - szczegóły projektu przybliża dr inż. Danuta Miedzińska z Wojskowej Akademii Technicznej.
Wstęp
Parę miesięcy temu pisałam o innowacyjnej, krajowej technologii wydobycia gazu z polskich skał łupkowych, której podstawą jest metoda sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO2 w otworach poziomych, która została objęta ochroną patentową w październiku bieżącego roku.
Przypomnijmy, że przedmiotem proponowanego przez WAT wynalazku jest metoda sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO2 z otworów poziomych wykonanych w pojedynczym odwiercie pionowym. Sposób polega na wydobyciu gazu z łupków poprzez wpompowanie w poziome otwory ciekłego, sprężonego i schłodzonego CO2, co spowoduje wniknięcie CO2 w skałę i jego przemianę fazową pod wpływem panującej w złożu temperatury. Spowoduje to intensywne spękanie skały, adsorpcję CO2 i jednoczesną desorpcję metanu.
Obecnie zespół Katedry Mechaniki i Informatyki Stosowanej Wydziału Mechanicznego WAT pod kierunkiem prof. dr hab. inż. Tadeusza Niezgody opracowuje w ramach projektu DIOX4SHELL wytyczne do zaprojektowania innowacyjnej technologii wydobycia gazu z łupków przy użyciu ciekłego CO2. Stało się to możliwe dzięki realizacji projektu w ramach konkursu BlueGas, finansowanego przez Naukowe Centrum Badań i Rozwoju.
Według badań naukowców japońskich [1] szczelinowanie granitu przy użyciu CO2 w stanie nadkrytycznym daje bardziej rozbudowaną siatkę szczelin trójwymiarowych niż w przypadku szczelinowania hydraulicznego, gdzie tworzą się szczeliny jedynie w kierunku prostopadłym do odwiertu. Wychwyt i zmagazynowanie CO2 pod ziemią ograniczy jego emisję do atmosfery, co wspomoże spełnienie wymagań Unii Europejskiej dotyczących ograniczenia efektu cieplarnianego.
Opracowana metoda jest korzystna z punktu widzenia ochrony środowiska, gdyż nie wymaga stosowania wody oraz środków chemicznych. Również stosowanie piasku lub proppantu ceramicznego (zbadane zostaną oba przypadki) nie będzie wymagało zastosowania dodatków chemicznych, jedynie dokładnego wysuszenia, gdyż w stanie nadkrytycznym znacznie wzrasta ruchliwość cząstek płynu CO2 i spada jego lepkość.
Energia potrzebna do uzyskania efektu szczelinowania będzie pobierana przez medium szczelinujące bezpośrednio z górotworu. Zatem proces szczelinowania w znacznej części będzie przebiegał samoistnie, siłami natury, co pozwoli obniżyć koszty metody i chronić środowisko naturalne.
Dodatkową zaletą ekologiczną metody jest to, iż CO2 będzie pochodzić z zakładów przemysłowych (np. elektrowni, cementowni), które emitują go do atmosfery i są obciążane kosztami limitów (protokół z Kyoto).
Jednak jednym z istotnych czynników mających wpływ na opłacalność technologii CO2 do wydobywania węglowodorów jest znalezienie odpowiedniego modelu biznesowego, najlepiej takiego gdzie koszty pozyskania/produkcji CO2 będą znikome. Większość rozwiązań pozyskania CO2 opartych jest na zakupie paliwa, a następnie jego spalaniu, co już z natury rzeczy jest kosztowne. Ma to przełożenie w cenie zakupu CO2 od producentów, która oscyluje w granicach ok. 300 zł/t. Jest to dosyć wysoka cena, biorąc pod uwagę obecnie bardzo niskie ceny gazu ziemnego.
Ile CO2 do szczelinowania
Na dzień dzisiejszy szacuje się, że do przeprowadzenia jednorazowego zabiegu szczelinowania oraz przetransportowania proppantu do szczelin będzie potrzeba 10 000 l CO2 w stanie ciekłym.
CO2 pochodzący z zakładów produkujących ten gaz
Dwutlenek węgla do pozyskiwania gazu ze złóż niekonwencjonalnych może być pochodzenia naturalnego oraz antropologicznego. W Polsce brak jest dużych naturalnych złóż CO2, dlatego dwutlenek węgla [2] do wydobycia gazu naturalnego musi być pochodzenia antropologicznego tzn. musi pochodzić od zakładów produkujących ten gaz lub jego emitentów. W Polsce funkcjonuje kilku producentów dwutlenku węgla, z których najwięksi to: ACP Włocławek, Zakłady Azotowe Puławy, Air Products. Cena proponowanego przez nich schłodzonego, ciekłego CO2 o temp. od -31°C do -21°C i ciśnieniu równowagowym wynosi około 300zł/t [oferta ACP Włocławek, 2012].
Emitentami CO2 są zakłady przemysłowe uwalniające czysty lub skoncentrowany strumień tego gazu powstający w wyniku spalania gazów kopalnianych lub w procesach przemysłowych. Wśród kategorii „procesy przemysłowe” największe ilości CO2 emitują do atmosfery zakłady produkujące nawozy azotowe. Część z zakładów azotowych, np. Zakłady Azotowe Puławy, wychwytują i sprzedają ciekły CO2.
Podsumowując CO2 może być pozyskiwane z następujących procesów:
- w procesie termicznego rozkładu wapienia (CaCO3), produkcja wapna CaO,
- jako produkt uboczny procesu wytwarzania fosforanu sodu,
- jako produkt uboczny w zakładach produkujących amoniak i wodór, gdzie metan jest przekształcany w CO2,
- jako produkt uboczny fermentacji cukru.
CO2 pochodzący z oczyszczania spalin
Wyżej opisano standardowe i obecnie stosowane metody pozyskiwania CO2 do wydobycia gazu naturalnego, natomiast zupełnie nowe rozwiązania na dostawę dwutlenku węgla proponuje Wojskowa Akademia Techniczna, która nawiązała współpracę z Instytutem Chemicznej Przeróbki Węgla (ICHPW) w Zabrzu. Instytut ten wraz z TAURON Polska Energia stworzyli instalację pilotową aminowego usuwania CO2 ze spalin, która została uruchomiona oddziale Elektrowni Łaziska w dniu 25 kwietnia 2013 r.
Instalacja powstała w ramach realizacji zadania badawczego pt. „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych zeroemisyjnych bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO2 ze spalin”. Zadanie realizowane jest w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii” i zostało dofinansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Koszty zbudowania instalacji pilotowej zostały pokryte ze środków Grupy TAURON.
Skala instalacji pilotowej – pobór spalin 200 m3n/h (zawierających ok. 13% obj. CO2) z klasycznego bloku węglowego pozwala na usunięcie CO2 w ilości ok. 50 kg/h, co daje ok. 1,2 tony wydzielanego dwutlenku węgla na dobę.
Uruchomienie instalacji pilotowej i przystąpienie do badań na instalacji pilotowej to naturalny ciąg rozwoju kompetencji ICHPW w obszarze metod wychwytu CO2. Zespół ICHPW przystąpił do testów przemysłowych technologii wychwytu CO2 z bagażem doświadczeń uzyskanych podczas badań na własnych instalacjach laboratoryjnych i półtechnicznych. W 2012 roku zespół przeprowadził pierwsze w Polsce testy usuwania CO2 ze spalin w skali 100 m3n/h, wykorzystując metodę absorpcji aminowej. Uzyskane sprawności usuwania CO2 w tych testach osiągały wartość około 90%. Na początku bieżącego roku aktywność Instytutu w dziedzinie technologii CCS została doceniona przez środowisko przemysłu chemicznego poprzez przyznanie nagrody GRAND PRIX Targów EXPOCHEM 2013 w dziedzinie technologii.
Technologia tzw. gazyfikacji plazmowej
Jednak optymalnym modelem jest pozyskanie CO2 z instalacji typu Waste to Energy, wykorzystującej technologię tzw. gazyfikacji plazmowej. Gazyfikacja to proces konwersji organicznych i kopalnych związków zawierających węgiel na tlenek węgla (37%), wodór (36%) i dwutlenek węgla(17%). Następuje poprzez przetworzenie takiego materiału w temp. ponad 700 st. C, bez procesu spalania, w obecności kontrolowanych ilości tlenu i/lub pary wodnej, w urządzeniu nazywanym gazyfikatorem. Wynikiem gazyfikacji jest powstanie mieszanki gazów, która jest jako tzw. syngaz jest wysokoenergetyczny, o dużej zawartości wodoru i wykorzystany jako paliwo.
Na świecie są dwie metody wykorzystujące gazyfikację i plazmę do przetwarzania odpadów na syngaz.
Pierwsza z nich wykorzystuje jedno urządzenie (swego rodzaju gazyfikator dodatkowo wyposażony w palniki plazmowe). Otrzymany syngaz wymaga oczyszczenia za pomocą systemy urządzeń do wychwytywania cząstek stałych oraz innych niechciany substancji.
Druga metoda to wykorzystanie gazyfikatora np. ze złożem fluidalnym i zasilanym parą wraz z tlenem, gdzie następuje zgazowanie materiału organicznego, a materiał nieorganiczny jako popiół trafia do dalszej przeróbki. Powstały syngaz jest przekazywany do urządzenia gdzie wytworzony łuk plazmy oddziaływuje na syngaz oraz zanieczyszczenia w nim zawarte. Pod wpływem silnego promieniowania UV oraz wysokiej temperatury wszelkie ciała smoliste oraz inne związki zostają rozbite, a związki nieorganiczne zostają zeszklone (ulegają tzw. wetryfikacji). W tej metodzie plazma jest wykorzystywana jako swego rodzaju filtr do destrukcji związków niebezpiecznych.
Najodpowiedniejszym modelem biznesowym jest pozyskanie CO2 z instalacji typu Waste to Energy opartej na technologii gazyfikacji plazmowej. Taki model biznesowy kilka podstawowych zalety :
- nie płaci się za paliwo do produkcji energii i jego spalania, tylko odwrotnie tzn. jest pobierana opłata za spalenie odpadów,
- można zastosować dwie metody wychwytywania CO2 tj. z wytworzonego gazu syntezowego lub po jego spaleniu (dotyczy to technologii zgazowania odpadów),
- technologie zgazowania odpadów wykorzystujące plazmę dają czysty syngaz,
- zawartość azotu jest zdecydowaniem mniejsza niż np. ta występująca w gazie naturalnym.
Otrzymany czysty syngaz zawiera praktycznie tylko H2, CO, CO2, CH4, N2. CO2 można wychwytywać z syngazu za pomocą specjalnych membran po spaleniu syngazu np. w silniku spalinowych. Dla założenia otrzymamy rocznie ok. 128 000 ton CO2, a koszt pozyskania CO2 to praktycznie tylko koszt zakupu i użytkowania odpowiednich urządzeń do wychwytywania CO2 (specjalne membrany, sprężarki, zbiorniki, separatory wody, wkłady filtracyjne dla azotu np. Sulfur Guard).
Należy też nadmienić, że technologie zgazowania które wykorzystują plazmę mają znacznie większy zakres przerabianego wsadu niż tradycyjne metody np. spalarnie odpadów z paleniskiem rusztowym, tzn. mogą przetwarzać również odpady niebezpieczne (stałe, gazowe lub płynne). Wynika to przede wszystkim z właściwości plazmy tj. wysokiej temperatury (w zakresie od 5 000 do 10 000 st. C) oraz bardzo intensywnego promieniowania UV. Te dwa czynniki powodują rozbicie wiązań międzycząsteczkowych związków które są poddawane oddziaływaniu w/w czynnikom tj. wysokiej temperatury oraz intensywnego promieniowania VU.
Związki organiczne ulegają zgazowaniu natomiast związki nieorganiczne ulegają zeszkleniu tworząc tzw. slag, który ma postać skały marmurowej i właściwościami jest do niej podobny [3].
Podsumowanie
Reasumując najlepszym rozwiązaniem dla pozyskania taniego CO2 jest współpraca z instalacją typu Waste to Energy produkującą syngaz. W Polsce nie ma jeszcze tego typu instalacji wykorzystującej technologię plazmową. PKN Orlen S.A. jest w trakcie finalizacji specyfikacji dla takiej instalacji, która ma być wybudowana w Płocku. Jej wydajność to 150 tys. ton odpadów na rok i produkcja syngazu.
[1] Tsuyoshi I. at al., Acoustic emission monitoring of hydraulic fracturing laboratory experiment with supercritical and liquid CO2, GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 39, 2012.
[2] Tarkowski R., Uliasz-Misiak B., Źródła dwutlenku węgla w Polsce dla zaawansowanych technik wydobycia ropy naftowej, Wiertnictwo Nafta Gaz, 22(1), 2005.
[3] Raport S. Adamski, Metody pozyskiwania i możliwości obniżenia ceny CO2, zrealizowany w ramach projektu DIOX4SHELL.
Zobacz również
Brytyjski gaz łupkowy nieopłacalny?
Według raportu przygotowanego przez firmę Wood Mackenzie - wydobycie gazu łupkowego w Wielkiej Brytanii może być ekonomicznie nieopłacalne.