Czy łupki gazowe wstrząsnęły Polską?

Czy łupki gazowe wstrząsnęły Polską?
Autor: mgr inż. Adam Bednarczyk
Siódmego czerwca 2010 roku w Magazynie Gospodarczym Gazety Wyborczej pojawił
się artykuł „Łupki, które wstrząsnęły światem”. Oceniono, że na terenie Polski znajduje się od
1,4 do 3 bln m sześc. gazu. Ilość ta wystarczyłaby Polsce na 100 do 200 lat. Liczyliśmy na
wzrost stopy życiowej.
Nastąpiła szybka wyprzedaż złóż polskiego gazu łupkowego. Usprawiedliwieniem dla tej
szybkiej wyprzedaży miał być fakt, że Polska nie posiadała odpowiedniej technologii
wydobywania gazu łupkowego a więc rząd R.P. podjął moim zdaniem błędną decyzje o
sprzedaży łupków gazowych. W tym czasie jedynym krajem, który wydobywał gaz łupkowy
bez transportu kamieni łupkowych na powierzchnię ziemi były Stany Zjednoczone.
Skądinąd wiem, że ta technologia wydobycia była opracowana w Akademii Górniczo
Hutniczej w Krakowie, a następnie wywieziona do Stanów Zjednoczonych. Metoda ta polega
na wierceniu głębokich szybów sięgających złoża, potem wykonuje się poziome tunele w
których dokonuje się mikrowybuchów. Mikrowybuchy tworzą szczeliny w skale. Do
poziomych tuneli wtłacza się pod wysokim ciśnieniem mieszaninę wody z piaskiem, która
stanowi 99,5% masy a pozostałe 0,5% stanowią chemikalia. Ich składu chemicznego nie
podano. Tak jak Gazeta Wyborcza określiła, skład chemikaliów stanowił „słodką tajemnicę
amerykańskich gazowników”.
Łupki gazowe stanowią rodzaj kamieni zawierających małe zbiorniki ciekłego gazu oraz
kerogen. Te małe zbiorniki ciekłego gazu znajdują się wewnątrz łupków gazowych albo
wypełniają przestrzenie pomiędzy łupkami gazowymi.
Kerogen – stanowi mieszaninę substancji organicznych o niezdefiniowanym dotychczas
wzorze chemicznym. Przebadany kerogen z łupków gazowych Green River Formation z
Północnej Ameryki zawiera pierwiastki chemiczne w następujących proporcjach: węgiel
215 : wodór 330 : tlen 12 : azot 5 : siarka 1. Średnia wartość energetyczna łupków gazowych
wynosi około 7GJ/tonę. /lit.1/
Jest jeszcze jedna ważna informacja o łupkach gazowych a mianowicie, że w wyniku
destylacji łupków gazowych otrzymuje się lekkie frakcje gazowe węglowodorów oraz olej
syntetyczny. Ilość otrzymywanego oleju syntetycznego w procesie destylacji jest zależna od
rodzaju łupków gazowych. Według jednych opracowań wynosi ona od 4,5% do 13% wagi
łupków a według innych opracowań od 6% do 19% wagi łupków gazowych. /Lit.1/.
Z późniejszych doniesień prasowych okazało się, że większość używanych do
wysokociśnieniowego szczelinowania chemikalia to substancje trujące. W metodzie tej pod
wpływem wysokiego ciśnienia w trakcie wydobywania, część użytych chemikaliów oraz
gazu wydostaje się na powierzchnię ziemi i zanieczyszcza: zbiorniki wodne, studnie, ziemię
uprawną, oraz sieci doprowadzające wodę pitną. Były przypadki przedostawania się gazu
łupkowego do sieci wody pitnej i wybuchów tego gazu przy pobieraniu wody.
Hydrauliczne wysokociśnieniowe szczelinowanie złóż łupkowych gazowych.
wykorzystuje tylko około 25% ciekłego gazu łupkowego znajdującego się w złożu
łupkowym. Kolejną dużą wadą tej amerykańskiej metody jest to, że metoda ta
nie
wykorzystuje węglowodorów znajdujących się w kamieniach łupkowych w postaci kerogenu.
Skutkiem tego zostają stracone zarówno lekkie węglowodory jak i olej syntetyczny
znajdujące się w kerogenie kamieni łupkowych.
Autor tego artykułu zaproponował inne rozwiązanie pozwalające na wydobywanie
ciekłego gazu łupkowego z małych zbiorników umiejscowionych w złożu łupkowym, w
małych zbiornikach wewnątrz kamieni łupkowych, z warstw piasku nasyconego ciekłymi
węglowodorami, oraz z kerogenu znajdującego się łupkach gazowych. Rozwiązanie to nie
wymaga stosowania wysokociśnieniowego hydraulicznego szczelinowania wraz z jego
bardzo szkodliwymi, zanieczyszczającymi środowisko naturalne skutkami.
Proponowany przez autora tego artykułu proces wydobywania węglowodorów z
podziemnych złóż polega na wykorzystaniu podgrzewania złoża. Do podgrzewania złoża
autor zaproponował energię cieplną pochodzącą: z częściowego spalania złoża, ze spalanie
węglowodorów pochodzących spoza obszaru złoża, energię elektryczna bądź jądrową.
Jeśli chcemy ocenić temperaturę złoża węglowodorów należy wziąć pod uwagę
głębokość na której jest umiejscowione złoże oraz
stopień geotermiczny. Stopień
geotermiczny określa co ile metrów w głąb ziemi temperatura przyrasta o 1°C. Jako średnią
wartość stopnia geotermicznego w skali globalnej przyjmuje się wielkość 33 m/1 °C.Przy
głębokościach od 3 do 4 kilometrów należy się liczyć z temperaturami złoża wynoszącymi
ponad 100 °C.
Zajmijmy się na początku podgrzewaniem złoża łupków gazowych z wykorzystaniem
energii cieplnej pochodzącej z częściowego spalania złoża.
Do podtrzymywania procesu
spalania złoża niezbędne jest dostarczanie tlenu. Ten proces spalania się złoża jest po części
procesem samospalania się złoża ze względu na tlen, który stanowi część składową kerogenu
znajdującego się w złożu. Odpowiednimi zaworami dozuje się ilość doprowadzonego
powietrza, tak ażeby nie spalać nadmiernych ilości węglowodorów złoża, jak również
kontroluję się ciśnienie odprowadzanych produktów procesu podgrzewania.
Po zainicjowaniu procesu palenia się złoża mamy do czynienia ze wzrostem temperatury
złoża. W tym procesie spalania złoża masa spalonego złoża jest w przybliżeniu
proporcjonalna do ilości dostarczonego tlenu w powietrzu. Ten wzrost temperatury powoduje
odparowywanie ciekłych węglowodorów znajdujących się pomiędzy kamieniami łupkowymi
w złożu. W temperaturze 300 °C. rozpoczyna się proces destylacji kerogenu zawartego w
łupkach gazowych. Proces destylacji kerogenu najszybciej zachodzi w zakresie temperatur od
480 do 520°C.
Wewnątrz łupków gazowych mamy do czynienia z dwoma czynnikami, które powodują ich
destrukcję. Wzrost temperatury powoduje wzrost ciśnienia ciekłego gazu łupkowego
zawartego w łupkach gazowych. Ten wzrost ciśnienia może powodować pękanie kamieni
łupkowych. Drugim czynnikiem powodującym destrukcję kamieni łupkowych jest proces
destylacji (pirolizy) substancji organicznych zawartych w łupkach gazowych to jest proces
destylacji kerogenu. W tym procesie destylacji zawarte w kerogenie substancje organiczne
zamieniają się w olej syntetyczny i lekkie węglowodory i po ich wyjściu z kamieni
łupkowych pozostawiają po sobie pustą przestrzeń bądź gaz łupkowy pod małym ciśnieniem
w stanie lotnym.
Bez przeprowadzenia eksperymentu bądź dokładnej analizy procesu z uwzględnieniem
warunków temperaturowo ciśnieniowych trudno jest przewidzieć przy jakiej temperaturze
rozpocznie się rozsadzanie kamieni łupkowych. Kinetyczna teoria gazów pozwala dla
określonej temperatury na wyliczenie ciśnienia gazu w zamkniętej przestrzeni przy zamianie
cieczy w gaz. W naszym przypadku należałoby znać masy atomowe składników gazowych
gazu łupkowego. Niestety tych danych nam brakuje ponieważ nie jest znany skład chemiczny
kerogenu łupkowego w funkcji temperatury. Dla porównania podam, że gdybyśmy ogrzewali
w zamkniętym zbiorniku pewną ilość wody do temperatury 500°C, to ciśnienie wewnątrz
tego zbiornika - przy założeniu, że mamy do czynienia w zbiorniku z parą wodną - byłoby
znacznie powyżej tysiąca atmosfer fizycznych.
Przy rozpatrywaniu warunków ciśnieniowych w złożu należy brać pod uwagę
uwarunkowania fizyczne. Złoże węglowodorów zawierające również ciekłe węglowodory
położone na głębokości od 3 do 4 kilometrów jest poddane ciśnieniu wynikającemu z ciężaru
warstw ziemi umiejscowionych ponad złożem.
Wybudowanie korytarza bądź
jakiegokolwiek otworu łączącego złoże z atmosferą ziemską powoduje powstanie olbrzymich
gradientów ciśnienia wewnątrz złoża. Podgrzewanie złoża powoduje wzrost tego gradientu.
Substancje ciekłe i gazowe
pod wpływem wysokiego ciśnienia wewnątrz złoża
przemieszczają sie do obszaru niskiego ciśnienia pozostawiając po sobie puste przestrzenie
wewnątrz kamieni łupkowych. Obszarem niskiego ciśnienia jest przestrzeń położona w
pobliżu rur odprowadzających gaz na powierzchnię ziemi.
Puste przestrzenie wewnątrz kamieni łupkowych , ułatwiają odpływ zarówno lekkich
gazowych frakcji węglowodorowych jak i oleju syntetycznego z całego złoża do rur
odprowadzających produkty ciekłe i gazowe . Olej syntetyczny może przemieszczać się
wzdłuż mikroszczelin położonych w pobliżu dna złoża. Ciśnienie wewnątrz rur
odprowadzających produkty procesu jest znacznie niższe od ciśnienia w złożu To wysokie
ciśnienie wewnątrz złoża wtłacza produkty procesu podgrzewania złoża do rury bądź rur
odprowadzających produkty procesu podgrzewania złoża do szybu transportowego bądź na
powierzchnię ziemi.
Do podgrzewania złoża energią można wykorzystać również energię elektryczną. W tym
przypadku do podgrzewania można zastosować handlowo dostępne grzejniki bądź grzejniki
specjalizowane. Autor nie wykluczył możliwości zastosowania energii jądrowej do
podgrzewania złoża węglowodorów. W tym przypadku zastosowanie mogą znaleźć
konwencjonalne – dostępne w handlu źródła neutronów, albo wysoko energetyczne
impulsowe źródła neutronów, które nie generują odpadów promieniotwórczych ani fali
uderzeniowej. Neutrony niezależnie od źródła z którego pochodzą są rozpraszane i
spowalniane poprzez atomy substancji znajdujących się w złożu. W wyniku tego
spowalniania neutronów następuje wzrost temperatury złoża.
Reasumując, proponowane przez autora tego artykułu rozwiązanie techniczne nie
zanieczyszcza środowiska naturalnego, zmniejsza koszty wydobycia ponieważ w tym
procesie technologicznym wydobycia nie stosuje się drogich substancji chemicznych, nie
stosuje się dużych ilości wody i piasku, zwiększa się ilość wydobywanych węglowodorów
poprzez fakt prawie pełnego wykorzystania węglowodorów ciekłych znajdujących się w
przestrzeniach pomiędzy kamieniami łupkowymi oraz prawie pełnego wykorzystania
węglowodorów zamkniętych wewnątrz kamieni łupkowych. Dodatkowo w porównaniu do
metody amerykańskiej poprzez destylację (pirolizę) kamieni łupkowych uzyskuje się lekkie
węglowodory oraz znaczne ilości oleju syntetycznego
Autor liczy na szybkie zakończenie procesu patentowego, który rozpoczął się od złożenia
zgłoszenia patentowego w Urzędzie Patentowym w dniu 14 czerwca 2010 roku.
Literatura:
1.
Dane z Wikipedii