logo
logo
zdjęcie

Zdjęcie: M.Borawski/ Nasz Dziennik

Jak uwolnić gaz ze spągowca

Sobota, 8 września 2012 (06:03)

Z dr inż. Danutą Miedzińską z Wydziału Mechanicznego Wojskowej Akademii Technicznej rozmawia Piotr Falkowski



Dlaczego instytucja taka jak WAT, prowadząca badania z myślą o zastosowaniach wojskowych, zajęła się gazem łupkowym?
- Pracujemy nie tylko dla wojska, ale i dla całej gospodarki. WAT przyjmuje bardzo różne zamówienia. Wiele z nich dotyczy transportu albo ochrony środowiska. Opracowaliśmy projekt wagonu kolejowego do przewozu TIR-ów, będziemy również współpracować przy opracowaniu lokomotywy hybrydowej. Gaz łupkowy to jeden z wielu projektów Katedry Mechaniki i Informatyki Stosowanej. Kiedyś po prostu ktoś zadał naszemu kierownikowi prof. Tadeuszowi Niezgodzie pytanie, czy moglibyśmy się tym zająć. Najpierw wydawało się, że to nie dla nas, bo zajmujemy się tworzeniem modeli komputerowych dla zjawisk mechanicznych, a wydobycie gazu z łupków to raczej kwestia technologii chemicznej. Ale po zastanowieniu profesor zauważył, że przecież łupki to struktury porowate, a właśnie zajmowałam się takimi w pracy doktorskiej. Uzyskałam ciekawe wyniki, które opublikowały renomowane czasopisma międzynarodowe. Zapewne dlatego powierzono mi ten temat. W katedrze odbyło się kilka narad całego zespołu liczącego około 50 osób. Zaczęliśmy przeglądać ogromną bazę patentów: amerykańskich, kanadyjskich, rosyjskich i oczywiście europejskich. Przestudiowaliśmy ją pod kątem gazu łupkowego. Zrobiliśmy pod kierunkiem profesora burzę mózgów. I doszliśmy do wniosku, że wśród tych patentów są luki. Szukaliśmy czegoś, co zastąpi szczelinowanie hydrauliczne, czyli wpychanie pod ziemię ogromnych ilości wody z różnymi dodatkami chemicznymi. I znaleźliśmy taką substancję. Zgłosiliśmy patent, gdyż nikt jeszcze tego w ten sposób nie zaproponował.


Na czym polega innowacyjność tej metody?
- To może być oryginalna polska metoda wydobycia gazu łupkowego. Profesor Niezgoda powtarza często, że nie wierzy w jakąś cudowną technologię, zupełnie odmienną od tego, co robi się na świecie, głównie w USA. Z drugiej strony Amerykanie opatentowali praktycznie wszystkie możliwe metody szczelinowania hydraulicznego. Należało więc szukać czegoś nieco innego. Wreszcie jest trzeci element. W łupkach, jakie są w Polsce, metody hydrauliczne mogą okazać się nieefektywne ekonomicznie, bo gaz jest w mikroporach, a nie w dużych szczelinach.


W jaki sposób wydobywa się gaz łupkowy w USA?
- Złoża gazu łupkowego są znacznie głębiej niż złoża konwencjonalne i mają zupełnie inną strukturę. Gaz konwencjonalny to taka wielka podziemna bańka, do której wystarczy się dowiercić i sam wydostaje się pod ciśnieniem na powierzchnię. Gaz łupkowy jest rozmieszczony w skale, w szczelinach, zarówno większych, jak i mikroporach. Po drugie, nie jest on pod ciśnieniem. Szczelinowanie hydrauliczne w uproszczeniu polega na tym, że wlewa się przez otwór wodę z różnymi substancjami. Woda pod ciśnieniem kruszy skałę i wypycha gaz z odsłoniętych w ten sposób szczelin. I to tylko tych większych. My zamiast wody i wszystkich niebezpiecznych dodatków proponujemy inną substancję.


Co to za substancja?
- Dwutlenek węgla - CO2. Nie dość, że wypiera gaz łupkowy, czyli metan (CH4) ze szczelin, ale także z wnętrza struktury skały łupkowej, a więc praktycznie cały metan zawarty w skale. Nasza metoda polega na wtłaczaniu dwutlenku węgla skroplonego, a więc o temperaturze poniżej -20 stopni. Na głębokości 3 tys. metrów pod ziemią może być nawet +120 stopni. W tych warunkach skroplony dwutlenek węgla gwałtownie przechodzi w stan gazowy i rozpręża się do ogromnych ciśnień, znacznie większych niż osiągane w szczelinowaniu hydraulicznym. Tak by się stało, nawet gdyby został wtłoczony dwutlenek węgla o temperaturze pokojowej dostępny na rynku. Ale przy skroplonym efekt jest silniejszy. Skała pod ciśnieniem ok. 2 tys. atmosfer kruszy się. Można dodać do dwutlenku węgla piasek, który podtrzyma powstałe pęknięcia przed ich zamknięciem się. Następnie zamykamy otwór i czekamy, aż dojdzie do wymiany dwutlenku węgla i metanu. Trwa to około dwóch tygodni. Dwutlenek węgla dostaje się do rejonów złoża odległych do 600 metrów od odwiertu. Pomagają mu małe odwierty boczne rozchodzące się promieniście od głównego otworu. Zaprojektowaliśmy też urządzenie do ich wiercenia. Dla porównania: szczelinowanie hydrauliczne dociera tylko na odległość do 100 m od głównego otworu. Nasza metoda ma też tę zaletę, że łatwiej całym procesem sterować.


Z dwutlenkiem węgla wiążą się jakieś zagrożenia?
- Przeciwnie. Dwutlenek węgla nie jest dla nas problemem. Zgodnie z protokołem z Kioto Polska płaci kary za jego emisję. To jest gaz, którego przemysł produkuje za dużo. Myśli się o tym, żeby go wtłaczać do jezior solankowych. My zaś dajemy dla niego bezpieczne zastosowanie, gdyż jeden gaz w złożu zastępujemy innym. CO2 zostaje pod ziemią, a zabieramy potrzebny nam metan. To metody hydrauliczne budzą opory m.in. obrońców środowiska, gdyż istnieje obawa, że trujący płyn używany do szczelinowania dostanie się do wód gruntowych. U nas nie ma w ogóle tego problemu.


Wykonywano już jakieś eksperymenty z dwutlenkiem węgla i skałą łupkową?
- W Kanadzie były takie próby. I to działa. Przeprowadzano eksperymenty, w których dwutlenek węgla wypychał gaz z mikroporów. Nasza metoda jest jednak odmienna. Oni wykonują od razu co najmniej dwa odwierty: jednym dostarczają CO2, a drugim odbierają metan. Nie mają natomiast odwiertów bocznych. Nam wystarcza tylko jeden otwór pionowy o średnicy ok. 9 cm, co znacznie obniża koszty. Poza tym Polska ma znacznie gęstsze zaludnienie niż Kanada i nie wszędzie możemy budować wielkie instalacje wiertnicze. Minusem metody kanadyjskiej jest też to, że wymaga bardzo wyśrubowanych parametrów dla CO2 w zakresie temperatury i ciśnienia, przez co pojawia się problem np. jego transportu.


Prezentowana przez Panią metoda została już gdzieś przetestowana?
- Robiliśmy eksperymenty z dwutlenkiem węgla w warunkach, jakie panują w skale łupkowej, które potwierdziły nasze obliczenia analityczne. Badaliśmy też wpływ CO2 na skały spągowca czerwonego, które otrzymaliśmy do badań z Instytutu Nafty i Gazu w Krakowie, za co serdecznie dziękujemy pani dyrektor prof. Marii Ciechanowskiej. Spągowiec czerwony to skała, w której u nas jest gaz łupkowy. Uzyskaliśmy oczekiwane spękanie tej skały. Prowadzimy kwerendy literaturowe dotyczące procesów fizycznych i chemicznych zachodzących w skałach łupkowych oraz symulacje komputerowe, dzięki którym doskonalona jest cała technologia. Tak naprawdę wszystkie elementy naszej metody są przebadane i sprawdzone. Potrzeba tylko zobaczyć, że wszystko działa dobrze, gdy się ze sobą połączy tak, jak chcemy. Chcielibyśmy w końcu naszą metodę przebadać na prawdziwym złożu. Na razie koszty naszych badań pochodzą ze środków uczelni, które rektor przyznał specjalnie katedrze na podstawową aparaturę niezbędną do podtrzymania badań.


W Polsce jest już kilka odwiertów.
- Ale niewiele. Ma je tylko kilka wielkich firm. PGNiG, Orlen oraz KGHM. Tu jest przede wszystkim problem pieniędzy. Wiadomo już, że Narodowe Centrum Badań i Rozwoju ogłosiło program badań w tym obszarze, a wkrótce ogłosi konkurs na projekty badawcze z tego obszaru. Przymierzamy się do uczestnictwa w tym konkursie. Prowadzimy negocjacje z firmami, które uczestniczą w poszukiwaniach gazu łupkowego, po to by utworzyć konsorcjum naukowo-przemysłowe do realizacji takiego projektu, czyli silną grupę ośrodków solidnych i kompetentnych. Centrum zresztą wymaga, by w ramach badań przeprowadzić testy w prawdziwych złożach, a nie tylko w warunkach laboratoryjnych. To kosztuje dużo wysiłku organizacyjnego i zabiera dużo czasu. Ale mamy nadzieję, że ten wysiłek się opłaci i nasze działanie doprowadzi do satysfakcjonujących efektów. Liczymy też na wsparcie ze strony Ministerstwa Gospodarki.


Ta metoda podobno daje się zastosować także do pokładów węgla?
- Tak. W złożach węgla też jest metan, który wydobywa się ze skały i powoduje zagrożenie dla pracujących w kopalni górników. Degazyfikacja węgla jest więc działaniem w kierunku zwiększenia bezpieczeństwa w kopalniach. Ale wykorzystanie dwutlenku węgla wymaga dodatkowych badań i opracowania specjalnej technologii jego wykorzystania, gdyż nie jest on trujący w małych stężeniach, ale w większych jest szkodliwy dla zdrowia, a nawet zabójczy. Z tego powodu trzeba zaproponować taką technologię, aby nie mógł on występować w obecności człowieka w większym stężeniu. Temat jest jednak obiecujący, gdyż możemy mieć do czynienia z tzw. czystą energią.


Może to Pani wytłumaczyć?
- Węgiel jest w stanie zaabsorbować dwa razy więcej dwutlenku węgla, niż jest w nim metanu. Kiedy spalamy metan, to każda jego cząsteczka reaguje z dwoma cząsteczkami tlenu O2. Powstaje jedna cząsteczka dwutlenku węgla CO2 i dwie cząsteczki wody H2O. Zatem dwutlenek węgla jest produktem spalania metanu, ale możemy go wykorzystywać do dalszego wydobywania metanu i w ten sposób nie uwalnia się on do atmosfery. Oczywiście w procesie usuwania gazu z pokładów węgla trzeba wziąć pod uwagę inne możliwe rozwiązania (np. inny gaz) i wybrać rozwiązanie najlepsze.


Kto dla zespołu WAT jest główną konkurencją?
- Przede wszystkim firmy amerykańskie prowadzące szczelinowanie hydrauliczne. Ich technologie łatwo można kupić. Są sprawdzone, ale drogie. Nasza nie jest znana i dopiero powstaje. Stąd obawy przedsiębiorców.


Z czego wynika ta dominacja USA w eksploatacji gazu łupkowego?
- Myślę, że to dlatego, iż w Europie dopiero niedawno odkryto te złoża. Nasz rynek jest też zdominowany przez gaz importowany i nie było takiej potrzeby, dopóki nie wzrosły kolosalnie jego ceny. Amerykanie działają z większym rozmachem. Mają wielkie tereny, gdzie są od dawna udokumentowane złoża. Gaz wydobywany przez nich jest stosunkowo tani, bo kosztuje ok. 100 dolarów za tysiąc metrów sześciennych. U nas prawdopodobnie tak tani nie będzie, ale pewnie będzie znacznie tańszy od tego sprowadzanego z zagranicy. Według niektórych źródeł, za tysiąc metrów sześciennych gazu sprowadzanego ze Wschodu płacimy Gazpromowi 550 dolarów.


Pojawia się dużo sprzecznych informacji na temat polskich zasobów gazu łupkowego. Najpierw mówiło się o największych złożach w Europie, potem ukazał się raport Państwowego Instytutu Geologicznego prezentujący skromniutkie dane, ale też jest kwestionowany.
- Mamy zbyt mało odwiertów, by to wiarygodnie ocenić. W Polsce jest teraz ponad 20 odwiertów. Dla porównania: w USA i Kanadzie łącznie jest ok. 40 tys. odwiertów i rocznie powstaje ponad tysiąc nowych. Zatem wszelkie szacunki to gdybanie z powierzchni ziemi.


Jaka jest cena jednego odwiertu?
- Koszt jednego odwiertu w Polsce to kwota 15-20 mln dolarów. Dla porównania: w USA jest to 5-10 milionów. Należy dodać wszystkie inne materiały i urządzenia. Jeszcze nie znamy dokładnych danych.


Kiedy możemy spodziewać się pierwszych metrów sześciennych metanu wydobytych oryginalną polską metodą?
- Niestety, na to pytanie nie mogę na razie odpowiedzieć. Jeśli powiedzie nam się w konkursie NCBiR, to zapewniam, że nie będziemy tracić czasu i od razu weźmiemy się do pracy.


Jakie jeszcze instytucje zaangażowane są w projekt?
- Współpracujemy z Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie poprzez współdziałanie z profesorami Wojciechem Góreckim i Jerzym Stopą. Wystąpiliśmy wspólnie z AGH, Politechniką Warszawską, Instytutem Lotnictwa w Warszawie i firmą Eurotech o projekt badawczy związany z drążeniem otworów małogabarytowych. Wydaje się, że np. Instytut Lotnictwa reprezentowany przez dr. Grzegorza Galina jest dość odległy od tematyki górniczej, ale okazuje się, że jest to ośrodek rozwijający najnowocześniejsze technologie i posiada unikalną aparaturę np. do symulacji warunków, jakie panują na dużych głębokościach. Politechnika Warszawska z prof. Boczkowską to duże doświadczenie w opracowaniu i doborze odpowiednich materiałów. Eurotech pana Michalcewicza to mała firma o dużym doświadczeniu w prowadzeniu odwiertów małośrednicowych.


Technologia wydobycia gazu łupkowego ma swoje tło polityczne, jest przecież Gazprom, Amerykanie, lobby w UE.
- To jest wojna ekonomiczna. Bezlitosny biznes. Tu nie ma przyjaźni ani sentymentów. Kto jest cwańszy lub ma lepsze argumenty, ten wygrywa. Wysokie ceny energii wzmagają konkurencję, ale też wyzwalają nowe inicjatywy, tematy i możliwości badawcze. To jest dobra strona tego zagadnienia, bo może uda się odkryć jakieś zupełnie nowe metody pozyskiwania energii, które będą przyjazne dla środowiska, niekoniecznie związane z gazem. Dlatego też rektor WAT gen. bryg. prof. dr hab. inż. Zygmunt Mierczyk mocno postawił na rozwój nowych metod pozyskiwania energii ze źródeł niekonwencjonalnych. Być może niedługo będziemy mogli o tym również porozmawiać.


A jak wydobycie gazu łupkowego ma się do innych źródeł energii niekonwencjonalnej?
- Wydobycie gazu łupkowego nie jest konkurencją dla pozostałych rodzajów energii, ale uzupełnia paletę źródeł jej pozyskiwania. Wszystko się musi uzupełniać. Elektrownie wiatrowe mają już swój wkład w energetykę, ale budzą poważne kontrowersje. Co do energii atomowej, to w takim kraju jak Polska może nawet powinna być jedna elektrownia atomowa, użyteczna zarówno do celów energetycznych, jak i poznawczych. Ale trzeba wiedzieć, że budowa takiej elektrowni to jedno, a jej likwidacja i likwidacja odpadów to drugie. To wszystko trzeba wyważyć.


Dziękuję za rozmowę.

Piotr Falkowski

Aktualizacja 22 stycznia 2013 (12:28)

Nasz Dziennik