Uwięzić dwutlenek nieszczęścia
advertisement
Uwięzić dwutlenek nieszczęścia Autor: dr inŜ. Leszek Szczygieł - Środkowozachodni Oddział Terenowy URE z siedzibą w Łodzi („Energetyka Cieplna i Zawodowa” – 2/2009) W opinii niektórych dwutlenek węgla, mimo Ŝe jest gazem niezbędnym do Ŝycia na Ziemi, stał się na przełomie wieków synonimem zła absolutnego i krzywd wszelakich, jako główny agresor niszczący klimat ziemski. Obserwując konflikt wokół pakietu klimatyczno-energetycznego, a takŜe aktywistów Greenpeace okupujących komin elektrowni Pątnów-Adamów-Konin, naleŜy powaŜnie zastanowić się, do jakiego momentu racjonalne jest ograniczanie antropogenicznej emisji CO2 i jak daleko moŜe sięgać hipokryzja. W światowej strukturze zuŜycia paliw pierwotnych następują dość powaŜne zmiany ze względu na wyczerpywanie się zasobów ropy naftowej (zapasy te przy obecnym poziomie popytu ocenia się na ok. 40 lat) oraz gazu ziemnego (ok. 60 lat). Jak równieŜ z tego powodu, Ŝe dostęp do nich jest w znacznym stopniu ograniczony, poniewaŜ zasoby tych paliw są skupione w kilku państwach, co rzutuje bezpośrednio na bezpieczeństwo ich dostaw. Przyszłość energetyki, transportu, chemii to odejście od ropy i gazu na rzecz: węgla1) , biopaliw, energii odnawialnej i energii jądrowej. Powrót węgla spowodowany jest głównie szybkim wzrostem popytu w sektorze wytwarzania energii elektrycznej w Chinach i Indiach, które stanowią 45% światowego zuŜycia węgla i zgodnie z prognozami2) do 2030 r. będą odpowiedzialne za 80% wzrostu jego zuŜycia. Paliwa kopalne mają znaczny udział jako źródło energii w Unii Europejskiej i wielu innych krajach. Szczególne znaczenie mają one w produkcji energii elektrycznej - obecnie ponad 50% energii elektrycznej w UE wytwarza się z paliw kopalnych, głównie węgla i gazu ziemnego. Na świecie z kolei oczekuje się, Ŝe przynajmniej do 2050 r. wzrost całkowitej produkcji energii będzie w coraz większym stopniu zaspokajany przez paliwa kopalne, przede wszystkim w kluczowych obszarach geoekonomicznych. Jednak kaŜde zastosowanie paliw kopalnych prowadzi do emisji CO2, najwaŜniejszej obecnie przyczyny światowego ocieplenia klimatu. Jeśli paliwa kopalne mają nadal mieć znaczący udział jako źródło energii, naleŜy opracować rozwiązania pozwalające zmniejszyć wpływ ich stosowania do poziomu zgodnego z załoŜeniami polityki klimatu zrównowaŜonego. Klimat ziemski jest wypadkową bardzo wielu zmiennych. Na jego długookresowe zmiany mają wpływ wahania natęŜenia promieniowania słonecznego spowodowane róŜną aktywnością Słońca (cykl 11-letni), róŜne natęŜenie promieniowania kosmicznego (cykl 50-90-letni), zmiany nachylenia osi ziemskiej względem płaszczyzny ekliptyki, zmiany połoŜenia kontynentów. Czynniki ziemskie, takie jak zanieczyszczenie atmosfery pyłami i gazami, cyrkulacja wód oceanicznych przyczyniają się do powstawania anomalii klimatycznych bardziej krótkotrwałych - kilku - lub kilkunastoletnich. Klimat jest zbiorem tych i wielu jeszcze innych czynników, które wspólnie tworzą stan równowagi klimatycznej na Ziemi. Podczas zmian klimatycznych obserwuje się efekt domina. Zmiana jednego z czynników powoduje powstanie nowego układu warunków, które z reguły poprzez pętle dodatniego sprzęŜenia zwrotnego wtórnie wzmagają proces transformacji klimatu3). Wszystkich skutków globalnych zmian klimatycznych nie jesteśmy w stanie przewidzieć, gdyŜ zmiana jednego parametru pociąga za sobą lawinowo kolejne zmiany innych czynników. Jest to proces bardzo skomplikowany, którego nie będziemy mogli w Ŝaden sposób zatrzymać, gdy juŜ się rozpocznie. Z danych naukowych przeanalizowanych w ramach Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu - IPCC (lntergovernmental Panel on Climate Change) i przedstawionych społeczności międzynarodowej wynikają trzy fundamentalne wnioski: po pierwsze, zmiany klimatyczne rzeczywiście zachodzą; po drugie, aktualne przyspieszenie procesu zmian klimatycznych jest wynikiem działalności człowieka, której skutkiem jest emisja gazów cieplarnianych - GHG (Greenhouse gases) do atmosfery, w tym najgroźniejszego z nich, bo emitowanego w największych ilościach, dwutlenku węgla; a po trzecie większość regionów świata, zwłaszcza w krajach rozwijających się, będzie w coraz większym stopniu dotknięta zmianami klimatycznymi4). Unia Europejska, realizując swoją politykę energetyczną5), będzie kontynuować działania na rzecz światowego porozumienia w celu ograniczenia i późniejszego zmniejszenia emisji CO2 oraz innych gazów cieplarnianych na świecie, zgodnie z załoŜeniem polegającym na ograniczeniu wzrostu średniej temperatury na Ziemi do poziomu przekraczającego temperaturę sprzed ery przemysłowej maksymalnie o 2°C. W związku z tym, uwzględniając treść komunikatu Komisji Europejskiej6) w tej sprawie, do 2050 r. emisja gazów cieplarnianych na świecie musi zostać zmniejszona o 50%. Pociąga to za sobą konieczność jej ograniczenia w krajach uprzemysłowionych o 60% - 80%. Epoka taniej, „brudnej" energii musi przejść do lamusa zastępowana przez energię drogą i czystą. Stwarza to powaŜne wyzwania polegające na radykalnym zmniejszeniu negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne wszystkich procesów przemysłowych, a w szczególności wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Wychodząc naprzeciw tym Ŝądaniom, Komisja Europejska w styczniu 2008 r. przedstawiła projekt dyrektywy w sprawie geologicznego składowania dwutlenku węgla, tzw. dyrektywę CCS7) zawierającą propozycję zastosowania technologii wychwytywania, transportu i składowania CO2 (zwaną dalej technologią CCS - Carbon dioxide Capture and Storage). Po 11 miesiącach intensywnych negocjacji na ostatniej sesji 17 grudnia 2008 r. Parlament Europejski, w procedurze współdecydowania, w pierwszym czytaniu poparł pakiet projektów legislacyjnych (sześć projektów aktów prawnych), które umoŜliwiają osiągnięcie ogólnych celów w zakresie przeciwdziałania zmianom klimatycznym, w tym zatwierdził po poprawkach wniosek Komisji w sprawie dyrektywy CCS. Technologia CCS to system procesów obejmujący wychwytywanie dwutlenku węgla z gazów emitowanych przez przemysł oraz transportowanie i zatłoczenie go do formacji geologicznych w celu trwałego zdeponowania i odizolowania od biosfery. Tab. 1. Światowe zuŜycie węgla i globalne emisje CO2 związane z wykorzystaniem paliw kopalnych , Źródło: The Future of Coal. Options for a Carbon-Constrained World. Massachusetts Institute of Technology. MIT 2007 Dyrektywa wyznacza ramy prawne składowania, określa warunki i wymogi dotyczące technologii CCS w Europie oraz wyjaśnia procedurę wyboru i bezpiecznego uŜytkowania składowisk, zarządzania nimi, aby maksymalnie zmniejszyć ryzyko wycieku. Paliwa kopalne źródłem nieszczęść wszelakich PoniewaŜ paliwa kopalne stanowią istotną część koszyka energetycznego w UE i na świecie, strategie zwalczania zmian klimatu powinny obejmować rozwiązania w zakresie produkcji energii z paliw kopalnych, charakteryzujące się radykalną redukcją emisji dwutlenku węgla. Ma to szczególne znaczenie w przypadku węgla, który jest od dawna najwaŜniejszym paliwem kopalnym wykorzystywanym w produkcji energii elektrycznej (ok. 30% udział w produkcji energii elektrycznej w UE), a jednocześnie powodującym największą emisję dwutlenku węgla. Mimo to węgiel jest i pozostanie głównym czynnikiem gwarantującym bezpieczeństwo dostaw energii elektrycznej w UE. Nawet przy załoŜeniu realizacji strategii na rzecz wzrostu wydajności energetycznej i wykorzystania źródeł odnawialnych, węgiel powinien pozostać w najbliŜszej przyszłości istotną alternatywą umoŜliwiającą pokrycie zasadniczego zapotrzebowania na energię elektryczną, którego nie mogą zaspokoić źródła odnawialne. PoniewaŜ w ciągu najbliŜszych 20 lat zuŜycie energii pierwotnej na świecie wzrośnie o 60%, podobny wzrost dotyczył będzie równieŜ węgla. Zapotrzebowanie na węgiel wzrośnie od wartości 2 776 Mtoe (116 EJ) w roku 2004 do wartości 4 994 Mtoe (209 EJ) w roku 2030. Oznacza to wzrost popytu na to paliwo w wartościach absolutnych o 79,9%, a więc ze średnią roczną stopą wzrostu 2,3% 8). Przy utrzymaniu tego wskaźnika wzrostu popytu na węgiel i zastosowaniu obecnych technologii spowoduje to w 2050 r. zwiększenie emisji CO2 na świecie w stosunku do roku 2005 o 130% (z 27Gt2005 do 62 Gt2050), przy czym dwie trzecie tego wzrostu ma przypadać na kraje rozwijające się. Tabela 1 przedstawia światową konsumpcję węgla oraz globalne emisje CO2 związane z energią w roku 2000 i 2050 w przypadku korzystania z technologii CCS oraz bez jej zastosowania. Natomiast rys. 1 ilustruje udział procentowy róŜnych państw w konsumpcji węgla w 2004 r. Na rys. 2 przedstawiono globalne emisje CO2 wynikające ze spalania paliw kopalnych (narastająco) w dwóch przedziałach czasowych od okresu uprzemysłowienia tzn. od 1750 r. do roku 2002 oraz w latach 2003-2030 (wg scenariusza IEA- International Energy Agency). Szczególny niepokój budzi gwałtowny wzrost emisji dwutlenku węgla w prognozowanym okresie. Wzrost ceny ropy naftowej i gazu ziemnego spowodowały, Ŝe węgiel jest bardziej konkurencyjny jako paliwo do podstawowej produkcji energii elektrycznej. JednakŜe prognozy zuŜycia węgla są uzaleŜnione w bardzo duŜym stopniu od relatywnych cen paliw, polityk rządów w sprawach ich dywersyfikacji, zmian klimatycznych i zanieczyszczenia powietrza oraz ewolucji technologii czystego węgla w energetyce. Pogrzebać dwutlenek węgla Z przeprowadzonych analiz wynika, Ŝe sektor energetyczny (w szczególności wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła) jest największym emitentem dwutlenku węgla i w związku z tym w nim naleŜy upatrywać największych moŜliwości redukcji tego gazu9). Istnieją trzy główne sposoby pozwalające w wyraźny sposób zmniejszyć emisję dwutlenku węgla. 1. ObniŜenie zapotrzebowania na energię poprzez racjonalizację jej zuŜycia i zwiększenie efektywności jej wykorzystywania. 2. Dekarbonizacja systemów energetycznych poprzez zastosowanie źródeł energii wykorzystujących paliwa mniej nasycone w węgiel, takie np. jak gaz naturalny, czy teŜ całkowicie pozbawionych węgla, takich jak energia jądrowa czy teŜ odnawialna. 3. Wychwytywanie CO2 emitowanego w procesach pozyskiwania energii z paliw na bazie węgla i przedłuŜone składowanie tego gazu w taki sposób, aby chronić atmosferę. W tym kontekście wśród istniejących i powstających technologii posiadających potencjał do redukcji emisji CO2 niezbędnej do osiągnięcia celów po roku 2020 kluczową rolę odgrywa technologia CCS10). PoniewaŜ podniesienie wyłącznie sprawności konwersji energii, czy teŜ zwiększenie stosowania nowoczesnej, wysokosprawnej kogeneracji z wykorzystaniem biopaliw są niezbędnymi, lecz niewystarczającymi warunkami słuŜącym osiągnięciu koniecznej redukcji emisji tego gazu.Technologia ta polega na wychwytywaniu CO2 (capture), potem jego separacji (separation), następnie transporcie (transport) do miejsca magazynowania, a w końcu na składowaniu (storage) w bezpiecznym miejscu. Nazywane jest to często procesem sekwestracji CO2, czyli wiązania, łączenia lub wyłączenia go z obiegu, tzn. unieszkodliwienia lub trwałego zdeponowania i odizolowania go od biosfery. Rys. 3 pokazuje w postaci blokowej istotę stosowania tej technologii. Technologia CCS pozwala na unieszkodliwianie ogromnych ilości dwutlenku węgla pochodzących przede wszystkim z duŜych instalacji przemysłowych, takich jak elektrownie, elektrociepłownie i ciepłownie, cementownie, huty Ŝelaza i stali, zakłady chemiczne itp. Strumień tego gazu moŜna przechwytywać przed spalaniem (pre-combustion) w procesie zgazowania węgla w energetyce, jak teŜ w instalacjach komercyjnych w przemyśle chemicznym, lub po spalaniu ze strumienia gazów spalinowych (post-combustion), oddzielając go od innych gazów spalinowych, najczęściej metodą absorpcji chemicznej. Opcja wychwytywania CO2 przed spalaniem pozwala na wyeliminowanie tego gazu jeszcze przed spalaniem węgla lub innego paliwa kopalnego, w wyniku czego powstaje gaz syntezowy. Dwutlenek węgla jest oddzielany poprzez absorpcję fizyczną, a wodór jest kierowany do turbiny gazowej wytwarzającej energię elektryczną. Ma to zastosowanie w zgazowaniu węgla w cyklu kombinowanym, w instalacjach IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle). Natomiast technologia wychwytywania po spalaniu polega na usuwaniu CO2 ze spalin kierowanych do komina drogą absorpcji chemicznej i w tym przypadku wychwytywanie nie ma Ŝadnego wpływu na proces spalania. Oba procesy są jednak jeszcze dość kosztowne i konieczne jest rozwiązanie licznych problemów technicznych zanim zostaną skomercjalizowane 11). Rys. 2. Globalne emisje CO, wynikające ze spalania paliw kopalnych (narastająco) Źródło: opracowanie własne wg danych R. Socolow, Can We Buty Global Warming, Copyright 2005 Scientific American Inc. Spaliny z klasycznego spalania węgla zawierają tylko kilkanaście procent CO2 (od 3% do 15% w zaleŜności od zawartości węgla w paliwie), co utrudnia jego usuwanie i jest jednocześnie kapitało- i energochłonne. Mogłoby być ono znacznie skuteczniejsze w przypadku, gdyby koncentracja tego gazu w spalinach była duŜo większa, co wymagałoby wyeliminowania z nich azotu i co przy okazji znacznie zmniejszyłoby tzw. stratę kominową. Wtym celu do spalania zamiast powietrza naleŜy z zewnątrz doprowadzić czysty tlen w ilościach niezbędnych dla spalania węgla, stopniowo zastępując azot znajdujący się w otaczającym powietrzu poprzez wprowadzenie do niego spalin (recyrkulacja części spalin w celu obniŜenia temperatury paleniska). Wówczas stęŜenie dwutlenku węgla w spalinach moŜe wzrosnąć znacznie ponad 90%. Jest to tzw. spalanie w tlenie (oxyfuel) z recyrkulacją 70-80% CO2. Pozostała jego część jest oczyszczana, spręŜana i przesyłana do miejsc składowania. Jeszcze inna metoda polega na bezpośredniej eliminacji dwutlenku węgla z procesów przemysłowych, zwłaszcza z takich, które emitują czysty strumień tego gazu (np. podczas produkcji nawozów azotowych, czy teŜ tlenku etylenu w przemyśle petrochemicznym) l2). Rys. 3. Schemat blokowy procesu sekwestracji CO Źródło: opracowanie własne na podstawie Cedric Philibert, Jane Ellis, Jacek Podkanski: Carbon Capture and Storage in the OECD/IEA, December2007 Geologiczna sekwestracja (geosekwestracja) jest tym sposobem unieszkodliwiania dwutlenku węgla, z którym wiąŜe się największe nadzieje i polega na składowaniu tego gazu w głębokich strukturach geologicznych, najczęściej pod ziemią. Zgodnie z projektem „dyrektywy CCS" składowanie w słupie wody rozumianym jako „pionowo ciągłą masę wody od powierzchni do osadów dennych w zbiorniku wodnym" jest niedozwolone. JuŜ wcześniej taki rodzaj składowania w wodach mórz i oceanów budził duŜy sprzeciw społeczny ze względu na praktycznie niemoŜliwe do przewidzenia skutki oddziaływania na ekosystem morski. Składowanie geologiczne polega najczęściej na zatłaczaniu CO2 do skał zbiornikowych, które od lat stanowiły naturalna pułapkę czy to dla gazu, czy teŜ ropy naftowej, w której surowce te były więzione przez wiele milionów lat13). Metoda ta była od wielu lat stosowana na skalę komercyjną w przemyśle wydobywczym w celu wspomagania wydobycia ropy naftowej (EOR - Enhanced Oil Recovery),.a takŜe gazu ziemnego (EGR Enhanced Gas Recovery). Natomiast zatłaczanie dwutlenku węgla do głębokich, nieeksploatowanych pokładów węglowych ma dwojakie korzyści: po pierwsze pozwala na jego adsorpcję wiąŜącą go na stałe z węglem, a po drugie moŜe być wykorzystane do wspomagania wydobycia, a następnie przemysłowego wykorzystania metanu (ECBM Enhanced Coal Bed Methane Recovery), jeŜeli tylko pokłady węglowe zawierają ten gaz, drugi pod względem wielkości emisji i szkodliwości gaz cieplarniany 14). Poszczególne składniki technologii CCS omówione wyŜej znajdują się na róŜnym etapie swojego rozwoju, komercjalizacji i wykorzystania, w związku z czym na rys. 4 przedstawiono róŜne fazy ich dojrzałości technologicznej i komercyjnej. Rys. 4. Rys 4. Fazy rozwoju technologii CCS Źródło opracowanie własne na podstawie Leo Meyer, IPCC Working Group III, „CCS in the IPCC Fourth Assessment". Expert Meeting on Financing CCS Projects, London, 31 May 2007 r. Faza badawcza oznacza, Ŝe znane są podstawy naukowe danej technologii, ale jest ona aktualnie w stadium projektowania, koncepcji lub prób laboratoryjnych albo warsztatowych i nie została do tej pory zademonstrowana w obiekcie pilotaŜowym. Faza demonstracyjna oznacza, Ŝe technologia została opanowana i zastosowana w obiektach pilotaŜowych, ale wymagane są dalsze udoskonalenia zanim będzie mogła być zastosowana na szeroką skalę w projektowaniu i realizacji. Faza „ekonomicznie wykonalne" określa, Ŝe spełnia ona kryteria ekonomicznej wykonalności pod warunkiem spełnienia pewnych dodatkowych przesłanek. Oznacza to, Ŝe technologia ta jest dobrze poznana i moŜe być zastosowana w wybranych komercyjnych zastosowaniach, np. w przypadku istnienia korzystnych zasad podatkowych, czy teŜ na rynkach niszowych. Stadium „dojrzały rynek" wskazuje, Ŝe technologia jest aktualnie zastosowana na komercyjną skalę w wielu realizacjach na całym świecie. Rys. 5 przedstawia przykładowe rodzaje składowania geologicznego w róŜnych formacjach najczęściej w takich, które tworzą naturalne pułapki magazynujące róŜne surowce przez wiele milionów lat. Geolodzy, szukając miejsc do składowania CO2, kierują swoją uwagę właśnie na takie właśnie formacje skalne, które dowiodły, Ŝe posiadają naturalne i pewne mechanizmy magazynowania i które będzie moŜna wykorzystać równieŜ w stosunku do tego gazu. Dwutlenek węgla jest zatłaczany do tych formacji najczęściej przy wystarczającym wysokim ciśnieniu i odpowiedniej temperaturze, aby osiągnąć stan, który w nauce nosi nazwę stanu nadkrytycznego, będącego jednym ze stanów skupienia tego gazu. Zmiany stanu skupienia nazywa się przemianami fazowymi, przy czym fazą nazywamy jednolitą część układu mającą jednakowe właściwości fizyczne. Jedną z faz skupienia jest stan nadkrytyczny, przy czym w termodynamice oznacza to stan materii, w którym nie ma wyraźnej granicy pomiędzy fazą ciekłą i gazową, a powstała faza posiada właściwości pośrednie pomiędzy właściwościami cieczy i gazu. Dwutlenek węgla osiąga stan nadkrytyczny i staje się cieczą w stanie nadkrytycznym (supercritical fluid - SCF), gdy jego temperatura i ciśnienie są większe od temperatury i ciśnienia punktu krytycznego (Tkr=304,2 K i pkr=7,38 MPa). Diagram faz skupienia CO2 przedstawiono w górnej części rys. 6. Właściwości fizyczne substancji znajdującej się w stanie nadkrytycznym, takie jak gęstość, współczynnik dyfuzji, przenikalność elektryczna i lepkość zaleŜą silnie od temperatury i ciśnienia w znacznie większym stopniu niŜ w stanie ciekłym, ale mniejszym niŜ w gazowym. Zachowanie cieczy w stanie nadkrytycznym moŜna porównać do zachowania bardzo ruchliwego płynu. Dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym występuje pod postacią płynu o specyficznych właściwościach. Posiada taka samą gęstość co w fazie ciekłej, lecz jego właściwości transportowe, mała lepkość i wysoka dyfuzyjność są zbliŜone do gazu, co przyczynia się do jego bardziej efektywnego transportu. Zatłoczony pod ziemię na głębokość ok. 0,8 km staje się cieczą nadkrytyczną i jego objętość zmniejsza się drastycznie z wielkości np. 100 m3 na powierzchni ziemi do wielkości 0,27 m3 na głębokości 2 km, co w sposób graficzny przedstawiono na rys. 6. Jako ciecz nadkrytyczną lepiej niŜ gaz i zwykłe ciecze przenika przez pory w złoŜach skalnych, co pozwala na magazynowanie duŜych ilości tego gazu w stosunkowo nieduŜych objętościowo strukturach geologicznych. LŜejszy od wody zatłoczony CO2 ma tendencje unoszenia się do góry zanim zostanie zatrzymany przez warstwy nieprzepuszczalne i uwięziony w niewielkich przestrzeniach między porowatym materiałem skalnym. Na rys. 6 w dolnej jego części przedstawiono fotografię mikroskopową przekroju warstwy piaskowca z widocznymi białymi ziarenkami kwarcu i zatrzymanymi między nimi kropelkami tego gazu (niebieskie powierzchnie na tej fotografii). Wysokie ciśnienie przy wystarczających głębokościach utrzymują go w stanie nadkrytycznym, a róŜne sposoby składowania mogą go na nich zatrzymać nawet przez wiele tysięcy lat. Niebieskie cyfry na rys. 6 pokazują objętość CO2 na róŜnych głębokościach w porównaniu do objętości na powierzchni ziemi, przy czym poniŜej 2 km zmniejszenie tej objętości jest nieznaczne. Zgodnie z projektem dyrektywy CCS (patrz przypis 7) wybór miejsca składowania jest najwaŜniejszym etapem w projektowaniu inwestycji, przy czym państwa członkowskie maja prawo określenia, które obszary ich terytoriów będą mogły być wykorzystywane w tym celu. Dyrektywę stosuje się do geologicznego składowania dwutlenku węgla na terytorium państw członkowskich, ich wyłącznych stref ekonomicznych i szelfu kontynentalnego w rozumieniu Konwencji Narodów Zjednoczonych o Prawie Morza. Szczegółowa analiza potencjalnego miejsca składowania musi być przeprowadzona zgodnie z kryteriami opisanymi w dyrektywie (załącznik I). Miejsce moŜe zostać wykorzystane tylko wówczas, jeŜeli analiza wykaŜe, Ŝe przy proponowanych warunkach uŜytkowania nie istnieje istotne ryzyko wycieku i jeśli w Ŝadnym wypadku nie odnotowuje się prawdopodobnego wpływu na środowisko lub zdrowie. Dlatego tak istotne są metody unieszkodliwiania CO2 (jego bezpiecznego zatrzymywania na wiele tysięcy lat) w procesie jego podziemnego składowania. MoŜna rozróŜnić cztery główne mechanizmy„pułapkowania" 15) tego gazu. Zatrzymywanie strukturalne i stratygraficzne 16) (structural and stratigraphic trapping), które występuje, gdy płyn w fazie gazowej lub ciekłej zalega statycznie pod warstwami nieprzepuszczalnymi (np. iłów) i nie moŜe przenosić się na inne miejsce. Są to pułapki, które kiedyś zawierały węglowodory lub wodę (słodką lub solankę), a mechanizm tego zatrzymywania działa zaraz po zatłoczeniu CO2. Drugim z kolei mechanizmem jest pułapkowanie gazu rezydualnego (residual trapping), które występuje wtedy, gdy dwutlenek węgla, migrując przez skały zbiornika, w wyniku działania sił napięcia powierzchniowego17) (sił kapilarnych), zostaje trwale związany miedzy ziarnami skały. Proces ten działa w róŜnych skalach czasowych, od natychmiastowej do kilkudziesięciu lub kilkuset lat. Mechanizm ten jest tym bardziej skuteczny, im większa jest objętość skał, do których przemieścił się ten gaz i z reguły zachodzi równocześnie z rozpuszczaniem go w wodzie podziemnej oraz wodach porowatych. Następnym mechanizmem zatrzymywania CO2 jest jego rozpuszczanie (solubility or dissolution trapping), które występuje wtedy, gdy gaz ten rozpuszcza się stopniowo całkowicie lub częściowo, w wodzie złoŜowej wypełniającej pustki w skale. Ten mechanizm unieszkodliwiania dwutlenku węgla odgrywa największą rolę w horyzoncie czasowym od kilkuset do kilku tysięcy lat. Wreszcie ostatnim instrumentem zatrzymania tego gazu pod ziemią jest mineralna karbonatyzacja18) (mineral trapping), która polega na reakcji CO, ze skałami i wodami, powodując wytrącanie się minerałów węglanowych. Zjawisko to jest bardzo powolne i trwa od kilkuset do kilku tysięcy lat oraz bardzo silnie zaleŜy od składu mineralnego skał, rodzaju płynów złoŜowych i ich wzajemnych oddziaływań. Ogromnymi zaletami tej mineralnej sekwestracji jest długoterminowe uwięzienie CO2 które moŜna traktować jako proces trwały oraz duŜe moŜliwości magazynowania, poniewaŜ skały zasadowe i ultrazasadowe, minerały, takie jak oliwin czy serpentyn, przy pomocy których dokonuje się tej sekwestracji, są rozpowszechnione w miarę równomiernie na kuli ziemskiej. Rys. 6. Diagram faz skupienia CO, oraz zmiana objętości tego gazu na róŜnych głębokościach Źródło opracowanie własne na podstawie Geologie Storage of Carbon Dioxide. Staying Safely Underground. IEA Greenhouse Gas R&D Programme, January 2008 Natomiast główną wadą tej metody jest powolność zachodzących reakcji. Na rysunku 7 przedstawiono rodzaje unieszkodliwiania dwutlenku węgla podczas jego składowania geologicznego w funkcji czasu oraz współczynnika bezpieczeństwa jego magazynowania. Okresy oddziaływania poszczególnych mechanizmów pułapkowania w procesie podziemnego składowania CO2 są bardzo róŜne Kilka z nich działa natychmiast po zatłoczeniu gazu, np. strukturalne i stratygraficzne, gaz rezydualny, inne zaś, takie jak rozpuszczanie i mineralna karbonatyzacja, działają po duŜo dłuŜszym okresie czasu, rzędu setek tysięcy lat. W zaleŜności od rodzaju struktury geologicznej, jaka będzie wykorzystana do magazynowania, dwutlenek węgla moŜe być unieszkodliwiony poprzez kombinację róŜnych mechanizmów omówionych wcześniej. Pojemność podziemnego składowania CO2 jest następnym kluczowym czynnikiem decydującym o przydatności danej struktury geologicznej do składowania tego gazu l9). Do oceny tej pojemności stosuje się zaadaptowaną do tego celu tzw. piramidę pojemności składowania, która wcześniej była wykorzystywana do oceny zasobów węglowodorów w skali świata. Istnieją trzy rodzaje piramid, przy czym najczęściej stosuje się techniczno-ekonomiczną piramidę pojemności składowania. W tej piramidzie uwzględnia się aspekty techniczno-ekonomiczne magazynowania, a pojemność składowania CO2 jest wyraŜona jego masą (np. w Tg). Mieszczą się w niej równieŜ róŜnego rodzaju pojemności, a ich wielkość i pozycja zmieniają się w czasie wraz z wiedzą, nowatorstwem technologicznym, polityką. Rys. 7. Rodzaje unieszkodliwiania CO2 przy składowaniu geologicznym w funkcji czasu i współczynnika bezpieczeństwa Źródło: opracowanie własne na podstawie Geologic Storage of Carbon Dioxide Staying Safely Underground. IEA Greenhouse Gas R&DProgramme, January2008 Unormowaniami prawnymi i warunkami ekonomicznymi geosekwestracji. W obrębie tej piramidy moŜe być wykonanych kilka róŜnych rodzajów oszacowań w zaleŜności od charakteru, sposobu i celu ewaluacji. Na rysunku 8 przedstawiono przykładowo taką piramidę. Zawiera ona cztery rodzaje pojemności składowania. Teoretyczna pojemność składowania określa maksymalną ilość dwutlenku węgla, jaką dana jednostka geologiczna jest w stanie pomieścić i obejmuje całą piramidę zasobów. Inaczej mówiąc, jest to maksymalna wartość pojemności składowania nieuwzględniająca ograniczeń techniczno-ekonomicznych, które spowodują, Ŝe nie będzie moŜliwe wykorzystanie całej pojemności tej jednostki geologicznej. Uwzględniając cały szereg technicznych (geologicznych i inŜynierskich) ograniczeń, takich np. jak jakość zbiornika, wielkość i objętość porów, głębokość, ciśnienie, jego uszczelnienie uzyskuje się efektywną pojemność składowania, która stanowi część pojemności teoretycznej i obejmuje główny obszar piramidy, wyłączając jej podstawę. Oszacowanie to jest bardziej pragmatyczne, moŜe być wykonane z większą precyzją, i daje istotne wskazania techniczne dotyczące wykonalności składowania. Rys. 8. Techniczno-ekonomiczna piramida pojemności składowania CO2 Źródło: opracowanie własne na podstawie Barbara Uliasz-Misiak, Pojemność podziemnego składowania CO2 dla wybranych mezozoicznych poziomów wodonośnych oraz złóŜ węglowodorów w Polsce, Studia, Rozprawy, Monografie poz. 142, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków 2008 oraz Que signifie vraiment le stockage geołogique du CO2? brochure CO2GeoNet 2008, www.co2geonet.com Praktyczna pojemność składowania jest częścią efektywnej pojemności, uzyskaną po uwzględnieniu ekonomicznych i prawnych ograniczeń geologicznego magazynowania oraz aspektów społecznych i środowiskowych lokalizacji miejsc składowania. Przy tym oszacowaniu dopasowuje się najlepsze i najbliŜsze miejsce składowania do duŜych źródeł emisji, co daje moŜliwość oceny pojemności tego składowania w skali regionalnej (lokalnej). Pojemność ta znajduje się w górnej części piramidy i moŜna ją odnieść do pojęcia zasobów wydobywalnych w przemyśle poszukiwania i wydobywania węglowodorów. Dopasowana pojemność składowania jest podzbiorem pojemności praktycznej, którą otrzymuje się przez szczegółowe porównanie duŜych punktowych źródeł emisji z miejscami geologicznego magazynowania przy jednoczesnym uwzględnieniu pojemności, chłonności i prędkości zatłaczania CO,. Znajduje się ona na szczycie piramidy i moŜna ją odnieść do pojęcia zasobów przemysłowych. RóŜnica między pojemnością praktyczną a dopasowaną jest pojemnością istniejącą, ale niemoŜliwą do wykorzystania ze względu na brak infrastruktury i/lub źródła emisji w odpowiedniej odległości. Rozpatrywanie pojemności składowania poprzez ich odpowiednią klasyfikację pozwala ocenić czy składowanie w danym miejscu będzie ekonomicznie opłacalne i technicznie wykonalne. Geologiczne i geofizyczne warunki Polski pretendują ją do tego, aby stać się europejskim liderem w rozpoznawaniu, przygotowaniu i kontrolowaniu procesów geologicznego składowania dwutlenku węgla. Cała północna część kraju od linii Wrocław, Częstochowa, Kielce Lublin jest wielkim basenem mezozoicznych skał porowatych (przypominających swoją strukturą gąbkę), które maja warstwy przepuszczalne, a kaŜda z nich jest przykryta warstwą całkowicie nieprzepuszczanych iłów i glin. Taka struktura nadaje się idealnie do składowania CO2, a Polska moŜe odegrać priorytetową rolę w identyfikacji, monitorowaniu i testowaniu takich składowisk. W ramach unijnego systemu handlu uprawnieniami do emisji (EU ETS) wychwycony, przetransportowany i bezpiecznie składowany CO. będzie traktowany jako niewyemitowany. Tab. 2. Szacunkowe wartości kosztów CCS dla aktualnych i przyszłościowych technologii wytwarzania energii elektrycznej wg IEA (International Energy Agency) ZałoŜenia: Cena węgla = 1,5 USD/GJ. Cena gazu = 3 USD/GJ. CO2 wychwycony w stanie nadkrytycznym o ciśnieniu 100 barów. Transport i składowanie tego gazu nie są włączone do kosztów. Stopa dyskontowa = 10%. Cykl Ŝycia przedsięwzięcia inwestycyjnego 30 lat. Nakłady inwestycyjne związane tylko z budową bez kosztów finansowych i innych kosztów, które mogą zwiększyć nakłady od 5% do 40% Objaśnienia: CA = Absorpcja chemiczna (Chemical Absorption), CC = Cykl kombinowany inaczej układ gazowo-parowy (Combined Cycle). CFB = Cyrkulacyjne złoŜe fluidalne (Circulating Fluidized Bed). IGCC = Zintegrowane zgazowanie paliwa w cyklu kombinowanym gazowo-parowym (Integrated Gasification Combined Cycle), SOFC = Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (Solid Oxide Fuel Cell), USC = Układy na parametry ultra-nadkrytyczne (Ultra Supercritical), M = Separacja membranowa (Separation Membranes), Selexol = rodzaj absorbera Źródło: Clean Coal Technologies. Accelerating Commercial and Policy Drivers for Deployment, OECD/IEA&CIAB, 2008 Projekt dyrektywy CCS przewiduje mechanizmy kontroli i monitorowania, a takŜe przyszłej odpowiedzialności za miejsca składowania. Rutynowe kontrole muszą być przeprowadzane przynajmniej raz do roku i powinny one obejmować badania urządzeń do wtłaczania i monitorowania oraz pełny zakres skutków całości składowania dla środowiska. Na mocy proponowanej dyrektywy miejsce składowania przekazuje się właściwemu organowi państwowemu, kiedy wszystkie dostępne dowody i badania wskazują na to, Ŝe składowany dwutlenek węgla będzie związany w pełni i na zawsze. PoniewaŜ jest to druga kluczowa decyzja w cyklu Ŝycia składowiska (pierwsza to pozwolenie na składowanie), proponuje się poddanie jej niewiąŜącej ocenie Komisji Europejskiej. Technologia CCS nie jest pozytywnie odbierana przez wszystkich specjalistów w zakresie ochrony środowiska, a sekwestrację CO2 trudno nazwać idealnie „zielonym" rozwiązaniem. Powoduje zmniejszenie całkowitej sprawności procesu wytwarzania energii elektrycznej nawet o przeszło 25%. Przy aktualnych cenach tej technologii początkowy koszt inwestycji jest większy o ok. 30+70% w stosunku do klasycznych elektrowni, a koszty eksploatacji są wyŜsze o 35+75% niŜ w przypadku elektrowni węglowych niewyposaŜonych w technologie CCS (patrz tabela 2). Prowadzi to nieuchronnie do wzrostu kosztów wytwarzania energii elektrycznej z węgla, przy braku krótkoterminowych korzyści ekonomicznych. Jedynym głównym celem tej technologii jest zapobieganie uwalnianiu się CO2 do atmosfery oraz wspomaganie walki z globalnym ociepleniem. Przy załoŜeniu, Ŝe CCS zostanie we wspólnotowym systemie handlu uprawnieniami do emisji i Ŝe emisja gazów cieplarnianych zostanie zmniejszona o 20% do 2020 r„ to w tymŜe roku będzie moŜna składować 7 milionów ton CO2 a w 2030 r. nawet 160 milionów ton, co stanowiłoby około 15% wymaganej redukcji w Europie20). Technologia ta powinna jednak zostać wykorzystana jako technologia pomostowa. PomoŜe bowiem obecnej cywilizacji przemysłowej zyskać na czasie do chwili wypracowania rozwiązań alternatywnych na skalę, która umoŜliwi przestawienie się z paliw kopalnych na produkcję energii o zerowej emisji dwutlenku węgla (Clean Coal Technologies). W opinii niektórych dwutlenek węgla, mimo Ŝe jest gazem niezbędnym do Ŝycia na Ziemi, stał się na przełomie wieków synonimem zła absolutnego i krzywd wszelakich, jako główny agresor niszczący klimat ziemski. Obserwując konflikt wokół pakietu klimatyczno-energetycznego, a takŜe aktywistów Greenpeace okupujących komin elektrowni Pątnów-Adamów-Konin, naleŜy powaŜnie zastanowić się, do jakiego momentu racjonalne jest ograniczanie antropogenicznej emisji CO2 i jak daleko moŜe sięgać hipokryzja. Jak słusznie zauwaŜył prof. Krzysztof śmijewski21) - Konieczność walki z globalnym ociepleniem jest równie oczywista jak sam fakt występowania tego efektu. Liczba i jakość dowodów są przytłaczające. JednakŜe fakt słuszności celu nie przenosi się automatycznie na słuszność albo raczej racjonalność środków. Im powaŜniejszy cel i bardziej złoŜone zadanie, tym strategiczna analiza skutków powinna być precyzyjniejsza. Aby uniknąć zatem dylematów moralnych, co naleŜy w takim przypadku czynić, w artykule proponuje się uwięzić antropogeniczną część emisji tego niesfornego gazu pod ziemią, najlepiej jak najgłębiej, o ile jest to ekonomicznie i technicznie uzasadnione. NaleŜy o takich rozwiązaniach dyskutować w aspekcie stymulowania postępu technicznego oraz rozwoju nowatorskich, wysoko-wydajnych, czystych technologii energetycznych. Istnieją dziś rozwiązania umoŜliwiające zastosowanie koncepcji dekarbonizacji w elektrowniach i elektrociepłowniach wykorzystujących paliwa kopalne, drastyczne obniŜenie światowych emisji CO2 oraz składowanie geologiczne pozostałej części tych emisji w specjalnie przygotowanych do tego celu podziemnych magazynach. Wprawdzie obecnie koszt tych rozwiązań jest dość wysoki, ale dzięki wysiłkom badawczym i znacznym nakładom finansowym przeznaczonym na badania i rozwój w tym zakresie, powinny one stać siew najbliŜszej przyszłości ekonomicznie opłacalnymi i technicznie wykonalnymi. I wówczas uwięziony dwutlenek węgla nie będzie juŜ wzbudzał ideologicznych kontrowersji z korzyścią dla zrównowaŜonego rozwoju świata. Dyskusja na temat zalet takich rozwiązań nie będzie przekraczać granicy dzielącej rzeczywistość od myślenia Ŝyczeniowego. Energia jest podstawowym mechanizmem ekonomicznego rozwoju i jednym z głównych czynników poprawiających jakość Ŝycia. Niezawodny dostęp do niej jest kluczowym elementem rozwoju gospodarczego i społecznego pod warunkiem zapewnienia równowagi ekologicznej i przeciwdziałania zmianom klimatu. A zatem rozwój przyszłościowych i ekonomicznie uzasadnionych inteligentnych innowacji dla ochrony środowiska jest nam potrzebny natychmiast. Przedstawiony artykuł i zawarte w nim poglądy stanowią wyraz osobistej wiedzy autora i nie powinny być inaczej interpretowane. Leszek Szczygieł 1) Wielkość zasobów węgla kamiennego ocenia się na 200, natomiast węgla brunatnego na 130 lat. Rozproszona lokalizacja jego zasobów poza regionami konfliktów i stabilne, w miarę wolno rosnące ceny stanowią dodatkowo o jego atrakcyjności. Por. Komunikat Komisji do Rady i Parlamentu Europejskiego ZrównowaŜona produkcja energii z paliw kopalnych: cel niemal zerowa emisja ze spalania węgla, COM(2006)843, Bruksela, 10.01.2007. 2) Por. World Energy Outlook 2007. China and India Insights, OECD/ IEA 2007. http://www.worldenergyoutlook.org/2007.asp 3) Por. http://edu.pgi.gov.pl/muzeum/efekt/gazy_szklarniowe.htm 4) Synteza czwartego raportu przedstawionego przez IPCC (The Fourth Assessment Report of the IPCC; w skrócie AR4) zatytułowanego Synthesis Report została przedstawiona 17 listopada 2007 r. w Walencji - Hiszpania i jest dostępna pod adresem internetowym http://www.ipcc.ch/ipccreports/ar4-syr.htm 5) Por. Komunikat Komisji do Rady Europejskiej i Parlamentu Europejskiego Europejska Polityka Energetyczna, COM(2007)1, Bruksela, 10.01.2007, a takŜe Leszek Szczygieł, Meandry europejskiej polityki energetycznej, Energetyka Cieplna i Zawodowa Nr 5, BMP, październik 2008. 6) Por. Komunikat Komisji do Rady, Parlamentu Europejskiego, Europejskiego Komitetu Ekonomiczno - Społecznego oraz Komitetu Regionów Ograniczenie globalnego ocieplenia do 2°C w perspektywie roku 2020 i dalszej, COM(2007)2, Bruksela, 10.01.2007. 7) Por. wniosek Komisji Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie geologicznego składowania dwutlenku węgla oraz zmieniająca dyrektywy Rady 85/337/EWG, 96/61 /WE, dyrektywy 2000/60/WE, 2001 /80/WE, 2004/35/WE, 2006/12/WE i rozporządzenie (WE) nr 1013/200, COM(2008)18, Bruksela 23.01.2008. 8) Por. Clean Coal Technologies. Accelerating Commercial and Policy Drivers for Deployment, OECD/IEA 2008, a takŜe The Future of Coal. Options for a Carbon-Constrained World. Massachusetts Institute of Technology, MIT 2007. 9) Por. Leszek Szczygieł, Powstrzymanie zmian klimatycznych konieczność czy kosztowne fanaberie?, Energetyka nr 12 (654), grudzień 2008. 10) Por. Special Report on Carbon dioxide Capture and Storage Summary for Policymakers, IPCC, Canada, September 2005. http://www.ipcc.ch/pdf/special-reports/srccs/srccs_wholereport.pdf lub pod adresem http://www.ipcc.ch/ipccreports/special-reports.htm 11) Por. Radosław Tarkowski, Geologiczna sekwestracja CO2 Studia, Rozprawy, Monografie poz. 132, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków 2005. 12) Por. Janusz Rakowski, Czy elektrownie węglowe będą w stanie ograniczyć emisję CO2, Energetyka, marzec 2006. Spalanie tlenowe omówione jest w publikacji Vattenfalla, lidera technologicznego separacji CO2 z uŜyciem metody oxyfuel, pt. Ochrona klimatu poprzez innowacje, Vattenfall, wrzesień 2008. 13) Por. RadosławTarkowski, Barbara Uliasz-Misiak, Podziemne składowanie - sposób na dwutlenek węgla, Przegląd Geologiczny, Nr 8-9/138, sierpień-wrzesień 2008. 14) Zgodnie z danymi European Environment Agency (EEA) z czerwca 2008 r. skład procentowy poszczególnych gazów w całkowitej emisji gazów cieplarnianych w Unii Europejskiej (EU-27) w 2006 r. wynosił odpowiednio CO2=83,7%, CH4=7,7%, N20=7,2%, SF6=0,2%, HFCs=1,l% i PFCs=0.1%. 15) W publikacji Barbara Uliasz-Misiak, Pojemność podziemnego składowania CO2 dla wybranych mezozoicznych poziomów wodonośnych oraz złóŜ węglowodorów w Polsce, Studia, Rozprawy, Monografie poz, 142, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków 2008, mechanizmy bezpiecznego składowania (magazynowania) dwutlenku węgla pod ziemią nazywa się mechanizmami „pułapkowania" jako bezpośrednie tłumaczenie angielskiego słowa trapping. W artykule uŜywa się definicji i nazw zawartych w tej publikacji stosując jednakŜe zamiennie słowa zatrzymywanie lub unieszkodliwianie. 16) Stratygrafia to dział geologii historycznej, zajmujący się ustalaniem kolejności zalegania warstw skalnych i określaniem wieku skał, głównie na podstawie zawartych w nich skamieniałości. W warstwach skalnych są obecne charakterystyczne dla nich skamieniałości, które pozwalają te warstwy identyfikować i określać ich wiek geologiczny. 17) Napięcie powierzchniowe - zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazowym lub inną cieczą. Polega na powstawaniu dodatkowych sił działających na powierzchnię cieczy w sposób kurczący ją (dla powierzchni wypukłej przyciągający do wnętrza cieczy, dla wklęsłej odwrotnie). Zjawisko to ma swoje źródło w siłach przyciągania pomiędzy molekułami cieczy. Występuje ono zawsze na granicy faz termodynamicznych, dlatego zwane jest teŜ napięciem międzyfazowym. 18) Karbonatyzacja mineralna to proces zachodzący w skorupie ziemskiej, przebiegający pod wpływem działania dwutlenku węgla i wody, prowadzący do przeobraŜenia róŜnych minerałów (zwykle krzemianów) w trwałe związki węglanowe. 19) Por. Barbara Uliasz-Misiak, Pojemność podziemnego składowania CO2 dla wybranych... op. cit. 20) Por. Por. Leszek Szczygieł, Meandry europejskiej polityki energetycznej, Energetyka Cieplna i Zawodowa nr 5/2008, BMP 2008. http://e-bmp.pl/File/bmp_48fc5710964d0.pdf 21) Por. Krzysztof śmijewski, Wysokie ceny uprawnień do emisji CO2 są groźne dla unijnej gospodarki, Gazeta Prawna nr 226 z dnia 19.11.2008.
