Geologiczne metody wiązania CO2

Kontynuujemy temat sekwestracji geologicznej CO₂. W poprzedniej części omówiliśmy pułapkowanie CO₂ w porach – pustych przestrzeniach obecnych wewnątrz niektórych skał. Tym razem koncentrujemy się na możliwościach wiązania tego gazu w minerałach i skałach. Wiązanie, nazywane też mineralizacją, to spowodowanie, by dwutlenek węgla wszedł w reakcję chemiczną z minerałami budującymi skałę goszczącą i stał się jej budulcem.

Skałą goszczącą nazywa się w tym przypadku każdą skałę, która jest zdolna do przyjęcia i związania CO₂. Dla różnych lokalizacji mogą to być różne typy skał, jednak najczęściej są to skały magmowe np. bazalty lub osadowe np. ewaporaty. Wiązanie może być przeprowadzane bezpośrednio w skale goszczącej (dwutlenek węgla jest wtedy doprowadzany do niej np. rurociągiem) lub przy źródle emisji CO₂, przykładowo w pobliżu elektrowni węglowej, do której dowozi się materiały zdolne do związania dwutlenku węgla.

W sekwestracji opartej na mineralnej karbonatyzacji, przyłączenie się CO₂ do skał zachodzi po wstępnym rozpuszczeniu CO₂ w wodzie. Wzbogacona w CO₂ woda (dalej będzie nazywana roztworem migrującym) wnikając w skały reaguje z nimi. Naturalna wymiana masy między wodą złożową wzbogaconą w rozpuszczony CO₂, a roztworami obecnymi w skale goszczącej zachodzi powoli, w skali czasowej tysięcy lat. Sekwestracja geologiczna przeprowadzona sztucznie, np. przez wtłaczanie pod ciśnieniem wody zawierającej CO₂ może w niektórych sytuacjach zachodzić szybciej, nawet w dwa lata i mniej. Tak krótki czas potrzebny do przeprowadzenia reakcji jest sporym atutem. Kolejne etapy procesu to: rozpuszczenie, rozkład i adsorpcja (czyli wiązanie się atomów lub jonów na powierzchni lub granicy dwóch faz fizycznych – na przykład gazu i skały lub gazu i cieczy.

Reakcja wiązania

Sama karbonatyzacja mineralna czy inaczej mineralizacja węgla to wiązanie dwutlenku węgla z roztworu w reakcjach chemicznych z często występującymi na Ziemi tlenkami wapnia i magnezu. Powstałe w wyniku tych reakcji węglan wapnia CaCO₃ lub węglan magnezu MgCO₃ są trwałymi związkami chemicznymi, których utworzenie oznacza skuteczne związanie dwutlenku węgla.

Przy karbonatyzacji mineralnej należy zwrócić uwagę na to, że większość minerałów budujących skorupę ziemską to krzemiany. Są one szeroko rozprzestrzenione na globie, a ich udział w skałach skorupy ziemskiej znacznie przewyższa udział tlenków Mg i Ca. Z tego powodu za najbardziej perspektywiczne uważa się reakcje CO₂ z popularnie występującymi krzemianami, w przypadku:

Mg: oliwinami – forsterytem Mg₂SiO₄ oraz serpentynem Mg₃Si₂O₅(OH)₄

Ca: piroksenami – diopsydem CaMg₂Si₂O₆ oraz wollastonitem CaSiO₃

Warto zauważyć, że w warunkach naturalnych zjawisko mineralizacji węgla jest jednym z najważniejszych elementów tzw. wolnego cyklu węglowego i termostatu węglowego, o których piszemy w tekstach Zmiany klimatu kiedyś i dziś – w 80 lat do klimatu z czasów dinozaurów? oraz Wolny cykl węglowy i termostat węglowy.

W teorii reakcja wydaje się nieskomplikowana, jednak w praktyce przeprowadzanie takiej sekwestracji wymaga złożonej logistyki, gdyż nie zawsze źródło CO₂ występuje w pobliżu skały potencjalnie zdolnej przyjąć i związać CO₂. Transport dwutlenku węgla statkami, czy transfer rurociągami podnoszą koszty sekwestracji i przyczyniają się do dalszej emisji CO₂. Aby zminimalizować ich wpływ, pracuje się przede wszystkim nad sekwestracją prowadzoną na miejscu wychwytu CO₂ albo w jego pobliżu.

Aby sekwestracja była opłacalna i nie wymagała przesyłu CO₂ na duże odległości dystans dzielący emiter dwutlenku węgla i potencjalny pochłaniacz (z ang. carbon sink) powinien jak najmniejszy. Znaczna część dwutlenku węgla może np. zostać wychwycona bezpośrednio z kominów elektrowni na paliwa kopalne, hut stali czy cementowni. Potrzebny jest też materiał do przeprowadzania sekwestracji, a produkty otrzymane na skutek wiązania mogą potencjalnie zostać wykorzystane np. jako materiały budowlane.

Czy bazalty i perydotyty będą potrzebne?

Jedną z proponowanych metod karbonatyzacji mineralnej jest wykorzystanie bazaltów do trwałego włączenia CO₂ w strukturę minerałów. Bazalty są skałami powstającymi w strefach grzbietów śródoceanicznych, czyli tam, gdzie oddalają się od siebie dwie płyty oceaniczne. Następuje tam rozrost dna oceanicznego poprzez wylewanie się magmy o składzie bazaltowym. Powierzchniowo bazalty stanowią 10% skał skorupy kontynentalnej oraz tworzą niemal wszystkie skały dna oceanicznego (Matter i in, 2016), dostęp do nich jest więc stosunkowo prosty. Utlenienie bazaltu i redukcja dwutlenku węgla pozwalają na niezwykle szybką przebudowę mineralną skały i prowadzą do powstania stabilnych minerałów, trwale wiążących węgiel. To zagadnienie bada między innymi eksperyment CarbFix opisany w pracy Matter i in, 2016, prowadzony od 2012 roku na Islandii – 40 km na północ od Reykjavíku. Po serii badań laboratoryjnych i wykonaniu szeregu symulacji numerycznych, przystąpiono do etapu pilotażowego – wtłoczenia w skały bazaltowe dwutlenku węgla rozpuszczonego w wodzie złożowej. W wyniku reakcji ze skałą zbiornikową, bogatą w Ca-Mg-Fe, większość CO₂ została najprawdopodobniej związana w porach bazaltu goszczącego jako węglany powyższych pierwiastków. Wtłoczone CO₂ uległo mineralizacji w czasie 550 dni, czyli w mniej niż dwa lata.

Samoczynne przyłączenie CO₂ zaobserwowano w perydotytach, czyli skałach zbudowanych z oliwinów i piroksenów (minerałów zawierających Ca i Mg) w Samail w Omanie (Kelemen i in, 2011, Kelemen i in, 2018). Perydotyty są fragmentami dna oceanicznego, najczęściej przeobrażonego i wyniesionego na powierzchnię. W wyniku przyłączenia się CO₂ doszło do powstania perydotytów węglanowych – listwenitów, zawierających w swoim składzie jony CO₃. Skład mineralny tych skał potwierdza, że w naturalnych warunkach, przy temperaturze około 100°C w perydotyty może zostać wkomponowany dwutlenek węgla. Obserwacja tego zjawiska doprowadziła do pomysłu przeprowadzania sekwestracji z wykorzystaniem perydotytów na większą skalę. Analogicznie, hałdy tych skał mogłyby służyć jako pochłaniacz wychwytujący CO₂ z powietrza. W Polsce rozpoznano listwenity w Sudetach w południowo-wschodniej części masywu Braszowic-Brzeźnicy, jednak ich potencjał sekwestracyjny jest jeszcze nieznany.

Jak zwiększyć powierzchnię sekwestracji?

Ciekawą propozycją jest sekwestracja powierzchniowa (ang. Enhanced Rock Weathering, ERW), obejmująca rozsypanie na znacznych obszarach pól uprawnych drobnego pyłu skalnego pochodzącego z odpadów po wydobyciu bazaltów czy perydotytów. Rozdrobnienie skał na drobny pył powoduje, że powierzchnia, na której mogą zachodzić reakcje mineralizacji wzrasta, co powoduje znacznie zwiększenie intensywności wietrzenia w stosunku do naturalnych procesów wiązania atmosferycznego CO₂ w skałach. Analogicznie do nawozów mineralnych, pył z tych skał może zmieniać odczyn gleby, stąd jego wykorzystanie może nieść w wielu wypadkach dodatkowe korzyści, łącznie ze wzrostem plonów. Ta metoda sekwestracji wydaje się prosta do wprowadzenia, jednak wiąże się z nią nieprzebadane ryzyko przedostania się fragmentów zawierających chrom i inne toksyczne substancje do gleb rolnych, co mogłoby spowodować zanieczyszczenie nimi gleb.

Prowadzonych jest wiele badań nad ERW i regularnie publikowane są nowe artykuły (np. Kelemen i in., 2020), pokazujące wady, zalety i różnorodne aspekty możliwego zastosowania tej metody na wielką skalę. Jednak wiadomo jedno: jej potencjał i tempo działania są na tyle znaczące, że mogłaby wspomóc inne (sekwestracja biologiczna czy w glebie) metody „negatywnych emisji” koniecznych dla osiągnięcia celów Porozumienia Paryskiego (Haszeldine i in., 2018).

Kierunek dalszych działań

Jest to jedynie krótki przegląd procesów, aktualnie badanych w celu zwiększenia wydajności oraz obniżenia kosztów prowadzenia sekwestracji. Mapa poniżej pokazuje lokalizacje, rodzaj i status projektów sekwestracji geologicznej prowadzonych obecnie na świecie. Jak widać, działających instalacji jest wciąż niewiele, w szczególności brakuje ich w Chinach i Indiach, które należą do największych emitentów CO₂ na świecie (co więcej, w tym drugim kraju nie ma obecnie żadnych planów podobnych przedsięwzięć).

Podczas poszukiwań kolejnych rozwiązań należy pamiętać o lokalizacji docelowej pułapki CO₂. Jeśli dystans między emiterem dwutlenku węgla, a docelowym miejscem składowania jest znaczny, występuje konieczność uwzględnienia transportu CO₂, co samo w sobie jest kosztowne oraz wymaga dodatkowej emisji CO₂. Równocześnie należy znać odpowiedź na pytania:

• jak długo dwutlenek węgla pozostanie związany w skałach,
• czy możliwość składowania dwutlenku węgla osiągnie efektywność pozwalającą na dalsze spalanie paliw kopalnych poprzez kompensowanie emisji CO₂,
• czy istnieją inne ograniczenia lub ryzyka, ze względu na które należy unikać chemicznej sekwestracji geologicznej.

Opracowanie metod wydajnej i nieszkodliwej dla środowiska sekwestracji w obliczu bardzo możliwego przekroczenia punktów krytycznych systemu klimatycznego ma olbrzymie znaczenie, stąd można się spodziewać rozwoju wypracowanych metod oraz postępu w poszukiwaniu nowatorskich rozwiązań.

Sekwestracja nie jest cudownym lekiem na problem emisji CO₂ ze spalania paliw kopalnych, choć w postaci ERW może w dłuższej perspektywie czasowej pomóc ustabilizować zdestabilizowany naszymi emisjami system klimatyczny Ziemi.

Klara Górska, konsultacja merytoryczna dr Michał Wilczyński