ArtykulyPowiązania

Piekło na Ziemi – podziemne zgazowanie węgla

Jeśli uważasz, że wydobycie gazu łupkowego jest najgorszym, co nasza cywilizacja może zrobić w kwestii globalnego ocieplenia, to się mylisz. Pod ziemią leżą jeszcze inne, znacznie większe zasoby paliw kopalnych, których wydobycie i spalenie zamieniłoby naszą planetę w piekło. Większość światowych zasobów węgla nie może być w opłacalny sposób wydobyta metodami konwencjonalnymi, takimi jak kopalnie odkrywkowe i głębinowe, być może jednak uda się do nich dobrać przy pomocy podziemnego zgazowania węgla. Metoda ta, znana pod angielską nazwą „Underground Coal Gasification” (UGC), polega na podpaleniu węgla znajdującego się wciąż głęboko pod ziemią i zebraniu powstających przy jego niepełnym spalaniu gazów. Gazy te, zawierające wodór, tlenek węgla i metan, mogą być wykorzystane przez znajdujące się na powierzchni elektrownie i zakłady chemiczne. Zdaniem niektórych podziemne zgazowanie węgla mogłoby stanowić obfite i tanie źródło energii dla świata przez wiele dziesięcioleci. Inni zauważają, że doprowadziłoby to do katastrofy klimatycznej o niewyobrażalnej skali.

Rysunek 1. Schemat procesu podziemnego zgazowywania węgla. Źródło: Wikipedia

Próby podziemnego zgazowania węgla były od wielu lat prowadzone w wielu krajach, szczególnie w Związku Radzieckim. Jedna z instalacji, znajdujących się w mieście Angren w Uzbekistanie, działa nieprzerwanie od ponad 50 lat, dostarczając gazu pobliskiej elektrowni. Znajdujące się tam złoże węgla brunatnego zalega na głębokości 300 metrów, nie opłaca się więc wydobywać go metodą odkrywkową. Zamiast tego w głąb złoża wywiercono dwa otwory; jednym wdmuchiwane jest do złoża powietrze, drugi służy do odprowadzania spalin na powierzchnię. Instalacja codziennie produkuje około miliona metrów sześciennych gazu, który następnie jest oczyszczany, schładzany i przesyłany gazociągiem do elektrowni na obrzeżach Angren.

Wyniki eksperymentu prowadzonego w Uzbekistanie okazały się na tyle obiecujące, że coraz więcej krajów i przedsiębiorstw zaczyna inwestować w podziemne zgazowanie węgla. Pod koniec 2007 roku australijska firma Linc Energy wykupiła pakiet kontrolny akcji spółki będącej właścicielem odwiertów w Angren, wierząc, że technologia zastosowana w Uzbekistanie może okazać się użyteczna również dla złóż w innych częściach świata. Jeśli okaże się, że podziemne zgazowanie węgla jest opłacalne, technologia ta może zupełnie zrewolucjonizować światowy rynek energii, otwierając dostęp do nowych, olbrzymich złóż węgla, które przy obecnym poziomie zużycia wystarczyłyby światu na następne tysiąc lat.

Badania nad podziemnym zgazowaniem węgla prowadzone są w wielu miejscach na świecie, od Kanady, przez RPA, Uzbekistan i Chiny, aż po Australię. Wspomniana wcześniej spółka Linc Energy planuje rozpoczęcie podziemnego zagazowania węgla na złożach w Wietnamie, na Alasce, w Wielkiej Brytanii, a także w Polsce. Firma bada już złoża węgla kamiennego koło Oświęcimia i chciałaby, aby gaz ze zgazowania węgla trafił do polskiej sieci gazowniczej.

Zastosowanie metody podziemnego zgazowania węgla pozwoliłoby znacząco zwiększyć rezerwy węgla, które dałoby się opłacalnie eksploatować. To oznacza, że do atmosfery trafiłoby jeszcze więcej dwutlenku węgla, powodując katastrofalne nasilenie problemów związanych z globalnym ociepleniem i zakwaszaniem oceanów.

W ostatnich latach, ze względu na wysokie ceny energii, coraz więcej wysiłku wkłada się w rozwój tzw. niekonwencjonalnych źródeł energii. Dotychczas najbardziej obiecującym z nich wydawał się gaz łupkowy, czyli metan uwięziony w łupkach ilastych o niskiej przepuszczalności. Rozpoczęcie wydobycia gazu łupkowego wymagało opracowania dwóch nowych technologii – wierceń poziomych i szczelinowania hydraulicznego. Prowadzony w warstwie gazonośnej odwiert poziomy o długości nawet trzech kilometrów, pozwala na dosięgnięcie do znacznie większych zasobów gazu, niż odwierty pionowe, zaś szczelinowanie hydrauliczne rozsadza skały i uwalnia gaz z mikroskopijnych szczelin w łupkach. Technologie te mogą być zastosowane nie tylko do gazu uwiezionego w łupkach, ale też do gazu uwięzionego w piaskowcu o niskiej przepuszczalności (tight gas) lub metanu w złożach węgla. Obecność metanu w węglu jest jednym z głównych zagrożeń dla górnictwa węgla kamiennego i przyczynia się do znacznego zwiększenia kosztów wydobycia. Jeśli jednak złoże zostanie wcześniej odgazowane, to koszt wydobycia węgla spadnie, a metan będzie mógł być sprzedany, przynosząc dodatkowy zysk kopalni.

Zgazowanie węgla jest technologią znaną i stosowaną już od dawna. W pierwszej połowie XX wieku większość gazu wykorzystywanego do oświetlania ulic, czy zasilania kuchenek i piekarników gazowych była pozyskiwana właśnie ze zgazowania węgla. Miał on niższą kaloryczność od gazu ziemnego i zawierał trujący tlenek węgla, więc w większości krajów został już całkowicie zastąpiony przez gaz ziemny.

Podziemne zgazowanie węgla jest pod wieloma względami wygodniejsze od jego wydobycia metodą głębinową lub odkrywkową. Możliwe jest sięgnięcie do złóż, które leżą zbyt głęboko, lub są zbyt drogie albo niebezpieczne w wydobyciu zwykłymi metodami. Wykonanie odwiertów w celu zgazowania węgla jest szybsze i tańsze niż budowa kopalni, zaś popiół, zawierający szkodliwe substancje, pozostaje pod ziemią i nie trzeba się martwić jego utylizacją.

Rysunek 2. Światowe zasoby węgla dostępnego z użyciem UGC mogą wynosić 15 000 miliardów ton.

Po raz pierwszy zastosowanie podziemnego zgazowania węgla zostało zaproponowane przez niemieckiego inżyniera Williama Siemensa jeszcze w latach 60. XIX wieku. Pierwsza próba została przeprowadzona sto lat temu, przez brytyjskiego noblistę, chemika Williama Ramsaya w kopalni Durham w północnej Anglii. Eksperyment udowodnił, że możliwe jest uzyskanie wartościowego gazu, ale dalsze prace były prowadzone już tylko w Związku Radzieckim.

Pod koniec XX wieku zainteresowanie podziemnym zgazowaniem węgla odżyło. Inżynierowie Len Walker i Cliff Mallett z australijskiego ośrodka badawczego CSIRO, wykorzystali technologię odwiertów poziomych do opracowania własnej instalacji, wybudowanej w mieście Chinchilla w stanie Queensland. Już po dwóch latach instalacja zaczęła działać i wydawało się, że rozpoczęcie eksploatacji na komercyjną skalę jest już tylko kwestią czasu.

Wkrótce jednak pojawiły się problemy natury środowiskowej. Podczas jednej z prób prowadzonej jeszcze w latach 70. w Wyoming doszło do skażenia wód podziemnych rakotwórczym benzenem. Władze Australii zaczęły kontrolować spółki zajmujące się podziemnym zgazowaniem węgla szczególnie uważnie i w 2011 roku wymusiły zamknięcie instalacji w Kingaroy po stwierdzeniu w w wodzie gruntowej obecności benzenu i toluenu. W lipcu ubiegłego roku, po przeprowadzeniu kontroli, zakazano spółkom Linc Energy i Carbon Energy prowadzenia wydobycia na skalę przemysłową, dopóki nie udowodnią, że możliwe jest bezpieczne wygaszenie ognia i zamknięcie instalacji bez doprowadzenia do zanieczyszczenia wód podziemnych. Obie firmy zareagowały nerwowo. Stwierdziły, że wygaszenie instalacji nie stanowi problemu, ale trudno zademonstrować, że da się to zrobić z dużą instalacją produkcyjną, skoro żadnej takiej instalacji jeszcze nie zbudowano. W odpowiedzi na próby regulacji, spółka Linc Energy zapowiedziała zamknięcie instalacji w Chinchilla i rozpoczęcie działań w innych krajach, nie stawiających takich wymagań. Pozostałe australijskie firmy z tej branży również planują skupić się na wydobyciu za granicą. Carbon Energy planuje rozpocząć zgazowanie węgla w Chinach, Argentynie i Chile, zaś Walker Energy zamierza rozwijać swój biznes w Indonezji.

Gotowość do rozruchu

Pomimo tych wydarzeń, Julie Lauder, szefowa brytyjskiego UCG Association, mówi, że udane próby w Chinchilla, były „przełomowym momentem” nadchodzącej rewolucji energetycznej i że jeszcze nigdy na świecie nie było prowadzonych jednocześnie tyle prób podziemnego zgazowania węgla. W Zatoce Cooka na Alasce i w Swan Hills w Albercie planowane jest rozpoczęcie komercyjnego wydobycia już w 2015 roku. Amerykańskie sukcesy w wydobyciu gazu łupkowego zrodziły przypuszczenia, że teraz przyszedł czas na gaz ze zgazowania węgla, który może zmienić sytuację energetyczną takich krajów, jak np. Wielka Brytania. Złoża węgla w Anglii ciągle są bardzo bogate i w dużym stopniu niewykorzystane, zaś część najlepszych złóż znajduje się pod powierzchnią Morza Północnego, gdzie nie da się ich wydobywać żadną z konwencjonalnych metod. Zasoby te są teraz obiektem zainteresowania sześciu brytyjskich firm energetycznych, w tym Five Quarter Energy.

Kilka miesięcy temu spotkałem się z trzema założycielami tej firmy w hotelu w Newcastle. To tutaj, nad brzegami rzeki Tyne, mieścił się jeden z najważniejszych ośrodków wydobycia węgla w Wielkiej Brytanii. Wydobycie węgla w Newcastle, które trwało nieprzerwanie od XIII wieku, spadło w ciągu ostatnich 30 lat praktycznie do zera. Zdaniem Harry’ego Bradbury, brytyjskiego geologa z Yale University, w Wielkiej Brytanii jest ciągle mnóstwo węgla do wydobycia. „Ponad 70% brytyjskich złóż węgla nigdy nie była eksploatowanych. Chcemy spalić węgiel tam, gdzie on zalega i rozwinąć ten przemysł”. W tym celu Bradbury założył spółkę Five Quarter Energy, nazwaną tak na cześć jednego z miejscowych złóż węgla, do której weszli też Dermot Roddy, inżynier chemii na Uniwersytecie w Newcastle i Paul Younger z Uniwersytetu w Glasgow.

Spółka Five Quarter Energy ma koncesję na poszukiwania złóż zdatnych do podziemnego zgazowania na obszarze o powierzchni ponad 400 kilometrów kwadratowych, rozciągającym się pod dnem Morza Północnego pomiędzy Sunderland a Szkocją. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, gaz zacznie wypływać na powierzchnię jeszcze w tym roku. „Szacujemy, że na naszym terenie znajduje się ok. 10 miliardów ton węgla”, mówi Bradbury. „Możemy zamienić w gaz jedną trzecią tych zasobów”.

Podczas naszej rozmowy Younger wyciągnął mapę przedstawiającą dane z odwiertów poszukiwawczych wywierconych pod dnem morza kilkadziesiąt lat temu. Gdy wydobycie węgla w regionie załamało się, zebrane dane geologiczne zostały zapomniane na wiele lat i dopiero teraz ktoś zaczął się nimi interesować. „Nazywamy je zwojami z Morza Północnego”, żartuje Younger.

Ekipa Five Quarter Energy ciągle pracuje nad zwiększeniem efektywności procesu zgazowania. „Prawdziwym wyzwaniem jest kontrola procesu spalania”, mówi Roddy. „Chcemy wyprodukować jak najwięcej wartościowych gazów, takich, jak wodór, metan i tlenek węgla, oraz ograniczyć produkcję tych, które są dla nas bezużyteczne, np. dwutlenku węgla.” Pompowanie do złoża tlenu zamiast powietrza podnosi temperaturę w złożu, dzięki czemu powstaje więcej metanu, a mniej CO2. Najbardziej optymalną temperaturą jest 1500°C, ale „900°C też jest dobre”, mówi Roddy. Instalacja w Uzbekistanie jest dość prymitywna i pompuje pod ziemię powietrze zamiast tlenu, przez co wytwarza 10-krotnie więcej CO2, niż metanu.

Inżynierowie z Five Quarter wierzą, że wiercąc pod Morzem Północnym z użyciem nowych technik eksploatacji można uzyskać jeszcze więcej gazu. Poniżej węgla znajdują się skały bogate w gaz ziemny, w tym warstwa łupków ilastych. Szczelinowanie hydrauliczne mogłoby pozwolić na uzyskanie tego gazu, a prowadząc oprócz tego podziemne zgazowanie węgla, doprowadzi się do osiadania i pokruszenia skal, co wyzwoli do odwiertu dodatkowe ilości gazu ziemnego.

Słowa ekipy Five Quarter świadczą o tym, że skały otaczające złoże zgazowywanego węgla nie są nieprzepuszczalne, jak twierdzą pozostali zwolennicy podziemnego zgazowania węgla, co oznacza, że potencjalne zanieczyszczenia mogą wydostać się poza złoże. Jak mówi Bradbury „Skały powyżej zgazowywanego złoża zostaną naruszone. Nawet, jeśli przed wykonaniem odwiertu były nieprzepuszczalne, to po spaleniu węgla już takie nie będą. To jest nie do uniknięcia. Przewidujemy, ze struktura skał zostanie naruszona w warstwie o grubości 60-krotnie większej od grubości złoża.”

Jeśli jest to prawdą, to czy toksyczne substancje wytworzone przy zgazowaniu węgla mogą zatruć ujęcia wody pitnej, tak jak zdarzyło się to firmie Cougar Energy w Queensland? Podobnie, jak w przypadku gazu łupkowego, skażenie wód gruntowych jest poważnym zagrożeniem. Ale, jak tłumaczy Bradbury, w przypadku odwiertów podmorskich nie stanowi to problemu, bo woda, która tam się znajduje i tak nie nadaje się do użytku z powodu zasolenia.

Nie tylko paliwo

Gaz ze zgazowania węgla to cenne paliwo, które można wykorzystywać na wiele różnych sposobów w energetyce, transporcie i przemyśle chemicznym. Jeden z kluczowych składników gazu, wodór, jest szeroko wykorzystywany do produkcji nawozów sztucznych i przerobu ropy naftowej. Pozostałe palne składniki gazu, tlenek węgla i metan, również są szeroko stosowane w przemyśle chemicznym. Jeśli cena gazu z węgla będzie dostatecznie niska, może on również zacząć wypierać gaz ziemny z jego zastosowań w energetyce. Elektrownie gazowe mają wyższą sprawność od konwencjonalnych elektrowni węglowych, są też od nich tańsze w budowie i szybciej osiągają pełną moc w razie wzrostu zapotrzebowania i dlatego w ostatnich latach buduje się ich na świecie coraz więcej. Za kilkanaście lat konwencjonalne zasoby gazu ziemnego zaczną się wyczerpywać i wtedy jego cena wzrośnie. Gaz z węgla może przedłużyć funkcjonowanie obecnie budowanych elektrowni gazowych i pozwolić na szersze zastosowanie gazu ziemnego w transporcie. W Queensland na północy Australii działa pierwszy na świecie zakład, w którym gaz z podziemnego zgazowania węgla wykorzystywany jest do produkcji paliw ciekłych – oleju napędowego, LPG i nafty lotniczej.

Zakłady chemiczne w północno-wschodniej Anglii narzekają na wysokie ceny surowców potrzebnych do produkcji. Roddy, który kiedyś był szefem fabryki chemicznej w tej okolicy już snuje wizje fabryk przetwarzających wodór, tlenek i dwutlenek węgla w kwas octowy i octany, oraz zamieniających wodór i dwutlenek węgla w metanol. W regionie jest już wybudowana sieć dystrybucyjna pozwalająca przesyłać wodór do fabryk, brakuje tylko tanich źródeł surowca. W Szkocji kompleks chemiczny Grangemouth zmuszony jest do importu gazu ziemnego z Ameryki Północnej, podczas gdy tuż obok, pod zatoką Firth of Forth, leżą wielkie nietknięte złoża węgla. Bradbury twierdzi, że jeśli podziemne zgazowanie węgla nie zostanie uruchomione w Wielkiej Brytanii, to przemysł chemiczny przeniesie się do USA, gdzie cena gazu jest znacznie niższa.

W innych częściach świata również nie brakuje entuzjastów, którzy gotowi są rozpocząć podziemne zgazowanie węgla w celu zaopatrzenia przemysłu w paliwa i surowiec do syntezy chemicznej. Pytanie, czy uda im się przekonać rząd, inwestorów i partnerów przemysłowych – wszyscy z nich muszą zaangażować się w projekt, aby ruszyło wydobycie na dużą skalę.

Pod koniec ubiegłego roku brytyjski rząd uczynił ważny krok w tym kierunku poprzez utworzenie Biura ds. Niekonwencjonalnej Ropy i Gazu, oraz poprzez przyznanie 15 milionów funtów dotacji projektowi instalacji do wydobycia i oczyszczania gazu, zaprojektowanej przez Five Quarter. Bradbury twierdzi, ze dogadał się już z dużym przedsiębiorstwem z branży przemysłowej, które wkrótce ogłosi swoje zaangażowanie w projekt. W prasie biznesowej pisze się o tym, że w koncesje na podziemne zgazowanie węgla pod Morzem Północnym zainwestował Algy Cluff, który zarobił majątek na brytyjskim boomie naftowym w latach 70. XX wieku.

Bradbury przyznaje, że jednym z głównych problemów jest bardzo zły wizerunek węgla wśród opinii publicznej. Jest to jednak najbardziej rozpowszechnione paliwo kopalne, a większość jego rezerw można wykorzystać tylko poprzez podziemne zgazowanie. W USA zastosowanie tej technologii pozwoliłoby na czterokrotne zwiększenie dostępnych rezerw węgla.

Według raportu Światowej Rady Energetycznej (World Energy Council) tylko 15-20% światowych zasobów węgla (szacowanych przez Międzynarodową Agencję ds. Energii na 18 000 miliardów ton) można wydobyć metodami konwencjonalnymi. Podziemne zgazowanie węgla otworzyłoby drogę do spalenia reszty światowych złóż węgla, odpowiadających tysiącowi lat obecnego wydobycia.

Perspektywa tak bogatych złóż węgla może cieszyć przemysł, ale efekty spalenia tych zasobów dla klimatu byłyby katastrofalne. Międzynarodowa Organizacja ds. Przeciwdziałania zmianie klimatu ostrzega, że aby zatrzymać wzrost temperatury poniżej 2 stopni, nie wolno nam wypuścić do atmosfery więcej, niż 500 miliardów ton węgla (pierwiastkowego). Większość naukowców zajmujących się klimatem jest pewna, że już spalenie konwencjonalnych złóż paliw kopalnych spowoduje znacznie większe, katastrofalne ocieplenie, nie mówiąc już o tym, do czego doprowadziłoby sięgnięcie po wielokrotnie większe zasoby węgla.

Palący problem

Co z tym dylematem zrobić? Pozostawić złoża węgla nietknięte? A może budować instalacje przechwytujące dwutlenek węgla i wpompowujące go z powrotem pod ziemię (ang. CCS – Carbon Capture and Storage)? W przypadku podziemnego zgazowania węgla oznaczałoby to konieczność wychwytywania dwutlenku węgla dwukrotnie, powstaje on bowiem zarówno podczas zgazowania węgla, jak i spalania tak powstałego gazu w elektrowni. Część klimatologów, w tym Myles Allen z Oxfordu, uważa, że w przypadku stosowania metody UGC wychwytywanie CO2 to jedyne właściwe rozwiązanie. Część powstałego CO2 można zatłoczyć do komór skalnych powstałych po wypaleniu węgla.

Jak dotąd próby zastosowania technologii przechwytywania i grzebania dwutlenku węgla nie odnoszą jednak sukcesów. W 2012 roku rząd Wielkiej Brytanii ostatecznie wycofał się z planu budowy instalacji zgazowania węgla ze złóż w Hatfield, połączonej z wychwytem i zatłaczaniem dwutlenku węgla pod ziemię. Inwestycja była wspierana przez Unię Europejską, lecz zdaniem brytyjskiego rządu, nie miała uzasadnienia ekonomicznego.

Harry Bradbury pozostaje jednak optymistą. „Połowa kosztów neutralizacji CO2 to wydatki na transport i składowanie gazu. Dlaczego by nie sfinansować tego z zysków z wydobycia gazu ze złóż węgla?”. Brzmi dobrze, co będzie jednak, jeśli gaz z węgla nie będzie przynosił istotnych zysków? Albo po prostu koncerny uznają, że wolą mieć wyższe zyski? Szczelinowanie hydrauliczne, które dziś stosuje się szeroko z dobrymi efektami, stało się opłacalne dopiero po 30 latach. Być może technologia przechwytywania i zatłaczania dwutlenku węgla nie zdąży zostać dopracowana na czas. Według raportu Massachusetts Institute of Technology sprzed kilku lat, wychwyt dwutlenku węgla na dużą skalę prawdopodobnie nie będzie możliwy przed 2030 rokiem. Od tego czasu nie poczyniono zbyt dużych postępów, być może więc w niektórych krajach po prostu zabronione zostanie stosowanie podziemnego zgazowania węgla bez wychwytu CO2. Zdaniem krytyków, podziemne zgazowanie węgla jest jak gra w rosyjską ruletkę z klimatem, a odpowiedzialność za konsekwencje spoczywa na tych, którzy chcą spalić każde, nawet trudno dostępne złoża węgla na planecie.

Bernard Swoczyna na podst. Fire in the hole: After fracking comes coal

Podobne wpisy

Więcej w Artykuly