Porozumienie Paryskie z 2015 roku jako jeden z postulatów wymienia konieczność zatrzymania wzrostu temperatury na poziomie 1,5-2°C względem poziomu przedprzemysłowego, między innymi poprzez ograniczenie emisji CO2 do atmosfery. Przy dzisiejszym tempie emisji na poziomie 43 GtCO2 rocznie (Global Carbon Budget 2019, Friedlingstein i in. 2019) nie jest to łatwe zadanie. Doszliśmy do punktu, w którym nie wystarczy ograniczyć emisję dwutlenku węgla, lecz potrzebny będzie wychwyt i trwałe wiązanie części obecnego już w atmosferze CO2. Rozważa się ponowne użytkowanie wychwyconego węgla do produkcji bezemisyjnych paliw, byłoby to jednak wyłącznie chwilowym rozwiązaniem, gdyż wraz z ich spalaniem, zawarty w nich węgiel jest uwalniany ponownie do atmosfery. Nie jest to efekt pożądany, dlatego większość wychwyconego CO2 musi zostać trwale zeskładowana. Jakie są możliwości?

Zdjęcie: formacja skalna gabra, widok z bliska na wielką szaro-brązową skałę.
Rysunek 1: Odsłonięcie formacji skalnej gabra w Omanie, skały zdolnej do wiązania CO2. Zdjęcie Anity Di Chiara za Imaggeo (licencja CC BY 3.0).

Naturalnie za wychwyt CO2 w szybkim cyklu węglowym odpowiada ocean, jednak od wielu lat zdolności pochłaniania dwutlenku węgla przez wodę oceaniczną nie nadążają za tempem globalnej emisji tego gazu. Ponadto nadmiar tego gazu, który szybko rozpuszcza się w wodzie oceanicznej znacząco zmienia jej odczyn pH i ogranicza dostępność jonów węglanowych, co odbija się na stanie morskich ekosystemów (więcej w tekścieSzybki cykl węglowy, część 2: węgiel w oceanach, Oceany będą pochłaniały coraz mniej dwutlenku węgla). Ekosystemy lądowe, takie jak torfowiska, również pochłaniają część emitowanego przez ludzkość dwutlenku węgla (patrz Szybki cykl węglowy, część 1: atmosfera i ekosystemy lądowe). Jednak rośliny potrzebują do wzrostu także innych składników odżywczych i sprzyjających warunków klimatycznych, a ekosystemy lądowe mogą zmagazynować tylko ograniczoną ilość ton węgla na hektar – ich masa nie będzie więc przyrastać będzie w nieskończoność, rozwiązując za nas problem nadmiaru CO2 w atmosferze.

Procesy naturalne usuwają dwutlenek węgla z atmosfery w sposób bardzo powolny i nie są w stanie zrównoważyć całości naszych emisji. Wiele raportów (patrz np. National Academies of Sciences, 2019) przedstawia trwałe usunięcie nadmiaru dwutlenku węgla z atmosfery jako kluczowe dla ochrony klimatu. Odpowiedzią na to wyzwanie jest wychwyt i składowanie CO2, nazywane też sekwestracją. Jej definicje są dość zróżnicowane – według części źródeł sekwestracja musi zachodzić naturalnie (np. raport IPCC, 2005), według innych określa się tak składowanie dwutlenku węgla w zbiorniku bez rozróżniania pochodzenia (np. IPCC, 2018, USGS), może być też prowadzona ze wsparciem technologicznym (Encyclopaedia Britannica, 2011).

Popularnymi terminami, używanymi między innymi przez IPCC, są CDR (Carbon Dioxide Removal), czyli usuwanie dwutlenku węgla, oraz CCS (Carbon Capture and Storage), czyli wychwyt i składowanie węgla. Różnica między nimi dotyczy pochodzenia dwutlenku węgla. W przypadku CDR następuje wychwyt CO2 z powietrza, więc może to być zarówno dwutlenek węgla pochodzący pierwotnie z spalania paliw, wylesiania, rolnictwa czy dowolnych innych procesów. Przy CCS dwutlenek węgla jest pobierany bezpośrednio z punktów źródłowych emisji takich jak elektrownie węglowe, rafinerie lub cementownie. W obydwu wypadkach wychwytywanie CO2 wymaga składowania.

Składowanie musi spełniać kilka kryteriów: powinno być trwałe, nieniszczące dla środowiska i efektywne ekonomicznie. Ze względu na sposób składowania sekwestrację geologiczną można podzielić na magazynowanie CO2 w zbiornikach umieszczonych pod powierzchnią ziemi, albo wiązanie CO2 w strukturze minerałów i skał. Ten tekst jest poświęcony lepiej zbadanej metodzie – magazynowaniu dwutlenku węgla. W kolejnym artykule przyjrzymy się nowszemu rozwiązaniu – sekwestracji mineralnej CO2 w skałach.

Magazynowanie w głębokich zbiornikach

Magazynowanie, nazywane nieraz sekwestracją fizyczną, pozwala uwięzić CO2 w podziemnym zbiorniku. Jest nim najczęściej skała osadowa, podziemna warstwa solankowa lub niezdatny do eksploatacji pokład węgla. Magazynowanie oparte jest na uwięzieniu wychwyconego dwutlenku węgla w przestrzeniach porowych (obszarami pomiędzy ziarnami), naturalnie występujących w tych skałach.

Zdjęcie mikroskopowe: przestrzeń porowa w piaskowcu wypełniona kryształami kaolinitu. Widać liczne nieuporządkowane kryształki o różnych kształtach i pustki między nimi.
Rysunek 2: Przestrzeń porowa w piaskowcu wypełniona kaolinitem, który wykrystalizował z roztworu migrującego przez pustki w skale. Zdjęcie w powiększeniu x1340 USGS, 1985

Sekwestracja przez zatłaczanie do porowatych skał dwutlenku węgla wychwyconego w źródłach punktowych jest obecnie stosowana na przykład do stymulowania wydobycia ropy naftowej. CO2 pompowanie pod wysokim ciśnieniem do złoża wypycha uwięzioną w porach ropę naftową, zajmując jej miejsce. Ilość zasekwestrowanego w ten sposób CO2 wynosi ok. 4 MtCO2 rocznie, a łącznie do końca roku 2017 wpompowano pod ziemię w ten sposób 30 MtCO2 (Światowy Instytut CCS, 2019, National Academies of Sciences, 2019). To krok w dobrym kierunku, ale odpowiada to raptem zaledwie 0,01% naszych emisji, które wynoszą ok. 40 GtCO2, czyli 40 000 MtCO2 rocznie. Trzeba też zauważyć, że ta opłacalna ekonomicznie sekwestracja służy tu nie tyle ochronie klimatu, co pozyskiwaniu jeszcze większych ilości ropy, której spalanie powoduje kolejne emisje CO2.

Technologia CO2 – EOR (Enhanced Oil Recovery) jest połączeniem wtłaczania CO2 pod ziemię z ułatwieniem wydobycia gazu i ropy ze skał, w których się znajdują. Tłoczony CO2 podnosi ciśnienie panujące wewnątrz złoża, co sprzyja wydostawaniu się surowca na powierzchnię. Ilość CO2, który można w ten sposób uwięzić jest jednak ograniczona – są to miliony ton CO2, podczas gdy w przypadku sekwestracji w głębokich zbiornikach mówimy o miliardach ton CO2.

Za trwałość takiego typu magazynowania odpowiada warstwa skał nieprzepuszczalnych, znajdująca się ponad skałą, do której tłoczony jest dwutlenek węgla. Stanowi ona barierę ograniczającą ryzyko wycieku CO2 do otoczenia. Potencjalnym zbiornikiem na CO2 może zostać każda skała o odpowiedniej porowatości i przepuszczalności (termin ten określa stopień połączenia porów i łatwość wymiany między nimi). Najczęściej jest to skała osadowa; często skała złożowa, która zawierała ropę lub gaz, albo wodę złożową czy solankową warstwę wodonośną (Kelemen i in, 2019).

Poniżej, na rysunku 3, przedstawiono schematycznie różne środowiska geologiczne, w które można wprowadzać CO2. Są to między innymi: skała zbiornikowa, z której wyeksploatowano gaz i ropę, solankowa warstwa wodonośna, pokłady węgla niezdatne do wydobycia, pustki skalne, bazalty czy łupki.

Schemat: przekrój przez krajobraz ze wskazaniem możliwych miejsc magazynowania CO2.
Rysunek 3: Lokalizacja zbiorników CO2; przedstawione różne środowiska, w które można zatłaczać dwutlenek węgla. Schemat za Benson i in, 2005, zmodyfikowany.

Mechanizm fizyczny magazynowania geologicznego nazywany jest pułapkowaniem. Dwutlenek węgla jest wprowadzany pod ziemię w stanie nadkrytycznym, co daje mu możliwość stosunkowo szybkiej penetracji porów obecnych w skale. W stanie tym nie istnieje ostra granica między cieczą i gazem, a gęstość substancji jest wysoka. W przypadku dwutlenku węgla może ona wynieść nawet 600 kg/m3. Gdy dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym osiągnie docelową głębokość (zazwyczaj około kilometra), jest zatrzymywany w porach siłami kapilarnymi, co zapobiega jego ucieczce, stąd określenie „pułapkowanie” (Krerov i in, 2015).

Gdzie magazynować wychwycone CO2?

Sumaryczna pojemność zbiorników geologicznych mogących przyjąć CO2 wielokrotnie przewyższa potrzeby wynikające z celów Porozumienia Paryskiego. Warto jednak zwrócić uwagę na ich lokalizacje przedstawione na mapie poniżej. W oczy rzuca się to, że wiele obszarów pozbawionych jest perspektywicznych skał goszczących – jest tak m.in. w Azji Południowo-Wschodniej.

Magzynowanie CO2: mapa potencjalnych obszarów składowania CO2.
Rysunek 4. Mapa basenów sedymentacyjnych zdolnych przyjąć CO2. Źródło Bradshaw i Dance 2005

Możliwe jest też prowadzenie sekwestracji poza obszarami dużych zbiorników, na przykład sekwestracji powierzchniowej – przeczytacie o niej w kolejnym tekście. Zestawienie prowadzonych obecnie projektów dotyczących tradycyjnego magazynowania CO2 przedstawia poniższa tabela.

Tabela 1. Zestawienie projektów sekwestracji CO2, za Kelemen i in, 2019

Najlepiej sprawdzonym projektem z tego obszaru jest pułapkowanie CO2 w złożu gazu Sleipner na Morzu Północnym u wybrzeżu Norwegii, ok. 1 km pod dnem morza.

Jakkolwiek takie magazynowanie ma swoje zalety, to nie jest wolne od wad. Podziemne składowiska dwutlenku węgla zawsze są obarczone niebezpieczeństwem wycieku CO2 na powierzchnię. Ryzyko wystąpienia ruchów tektonicznych czy sejsmicznych uprawdopodabnia wyciek CO2 ze zbiornika, zanieczyszczenie warstwy wód podziemnych czy ponowne wydostanie się gazu do atmosfery. Ponadto czas utrzymania CO2 w pułapce, według oszacowań nie przekracza tysiąca lat (Kelemen i in, 2019). Można oczekiwać, że badania geofizyczne pozwalające wybrać najlepsze zbiorniki mogą poprawić sytuację.

Wnioski z obserwacji natury

Na Ziemi istnieją naturalne podziemne składowiska CO2. Zlokalizowane są m.in. w Bravo Dome w północno-wschodnim Meksyku czy McElmo Dome w południowo-zachodnim Kolorado. Obserwacja procesów zachodzących tam od milionów lat, połączona z serią eksperymentów wspartych modelowaniem komputerowym pozwala przewidywać zachowanie CO2 w głębokim zbiorniku solankowym. Obserwacja i badanie tych naturalnych odpowiedników miejsc gdzie chcemy pułapkować CO2 pozwala pokazać, że długotrwałe magazynowanie CO2 w odpowiednich formacjach geologicznych jest możliwe i relatywnie bezpieczne.

Choć dalsze badania są konieczne i potrzebne, składowanie CO2 w głębokich warstwach solankowych czy w pokładach węgla nieplanowanego do wydobycia, wydaje się relatywnie bezpieczną i wykonalną opcją wychwytywania nadmiaru CO2 z atmosfery. Niestety, jak widać choćby z danych w Tabeli 1, dotychczasowe projekty nie doprowadziły do powstania wydajnych, o szybkim tempie zatłaczania, metod CCS możliwych do zastosowania w miejscach, gdzie spalamy duże ilości paliw kopalnych. Przykładem jest polska elektrownia Bełchatów, która sama emituje rocznie ponad 30 milionów ton CO2, czyli niemal 10-krotnie więcej niż przyjmują łącznie wszystkie działające obecnie projekty pułapkowania na świecie, zlokalizowana w miejscu, gdzie nie ma dobrych warunków do trwałego podziemnego magazynowania tego gazu. W efekcie w 2013 roku zarzucono planowany tam pilotażowy projekt CCS. Warto dodać, że wydatek energetyczny związany z zatłaczaniem powoduje spadek sprawności produkcji energii elektrycznej.

Prawdopodobnie są miejsca, gdzie spala się dużo paliw kopalnych i pochodzące stamtąd emisje CO2 można by bezpiecznie zmagazynować w głębi ziemi. Jednak są to nieliczne lokalizacje i traktowanie możliwości CCS jako skutecznego w wielkiej skali narzędzia ograniczania emisji jest nieuzasadnione.

Drugi artykuł cyklu: Geologiczne metody wiązania CO2

Klara Górska, konsultacja merytoryczna dr Michał Wilczyński

Opublikowano: 18 listopada 2021

Zasady komentowania na Nauka o klimacie

Nasza strona służy popularyzacji nauki. Chętnie odpowiadamy na pytania, ale nie akceptujemy spamu i dezinformacji.