Gaz łupkowy jest to taki sam gaz jak dobrze od dawna znany gaz ziemny (w obu przypadkach dominującym składnikiem jest metan).
Różnica polega na tym, że ten pierwszy występuje w warstwach łupkowych. Są to skały osadowe o bardzo niskiej przepuszczalności dla gazów – i ta cecha różni je zasadniczo od innych skał osadowych, takich jak wapienie i piaskowce. O tym, iż w łupkach może występować gaz ziemny a także ropa naftowa, geolodzy wiedzieli od dawna. Jednak dopiero w ostatnim dziesięcioleciu w USA połączono technikę wierceń poziomych (ang. horizontal drilling) z hydraulicznym drążeniem szczelin (ang. hydraulic fracturing). Ten mariaż dwu znanych technik uczynił możliwą eksploatację gazu z łupków.
W roku 2009 gaz łupkowy stanowił około 14 % całkowitej produkcji gazu ziemnego w USA (1, 2).
W jaki sposób wydobywa się gaz łupkowy (2)
W pierwszym etapie wykonane zostaje wiercenie pionowe, które sięga do warstwy skały łupkowej, zwykle zalegającej na dużych głębokościach (1,5 – 6 km). Za pośrednictwem tego odwiertu, rozpoczyna się wiercenie poziome wzdłuż warstwy łupku; sięga ono nieraz nawet kilka km (3). Poziomy odwiert w końcowej fazie prac zostaje wyposażony w rury, w których co pewien odstęp, znajdują się otwory. Przez otwory, pompuje się, przy użyciu bardzo wysokiego ciśnienia, sięgającego do 900 atmosfer, ciecz hydrauliczną do złoża łupku. Pod wpływem ciśnienia pompowanej cieczy, powstają w złożu szczeliny, dzięki którym skała staje się drożna dla gazu. Ciecz hydrauliczna to woda zawierająca piasek (zapobiega ewentualnemu, ponownemu zatkaniu szczelin) oraz szereg związków chemicznych (2). Jedne dodaje się np. po to, aby zwiększyć gęstość cieczy – dzięki temu zawiesina piasku nie ulega rozwarstwieniu; inne – aby zmniejszyć opory przepływu cieczy i ułatwić powstawanie szczelin. W USA firmy eksploatujące złoża, nie informowały, jakie substancje są dodawane (nie były prawem zobowiązane do udzielania takich informacji).
Koszty produkcji gazu łupkowego są oczywiście dużo wyższe od kosztów konwencjonalnego gazu ziemnego – terminem takim określany jest gaz, który samoczynnie wypływa ze złoża do odwiertu.
Wpływ produkcji gazu łupkowego na środowisko
Zasoby wody (2)
Szczelinowanie łupków wzdłuż poziomego odwiertu wymaga zużycia bardzo dużej ilości wody. Według EPA (3), zużycie wody na jeden poziomy odwiert, może wynieść od kilku tysięcy do 20 tysięcy m3 wody. W określonych rejonach może to prowadzić do braku lub niedostatku wody dla innych użytkowników. Zużycie dużych ilości wody to kłopotliwy problem także z innych powodów. Świeża woda musi być przetransportowana, najczęściej przy użyciu samochodów-cystern na miejsce odwiertu (zużycie energii!). Następne zużycie energii – to sprężanie cieczy hydraulicznej do bardzo wysokich ciśnień. Konieczność stosowania wysokich ciśnień wynika z tego, iż ciecz hydrauliczna musi pokonać ciśnienie panujące na dużych głębokościach, na których występuje łupek a ponadto musi pokonać opory przepływu przez łupek.
Ciecz hydrauliczna – po kilkakrotnym jej wykorzystaniu w procedurze szczelinowania – jest odprowadzana na powierzchnię. Tu pojawia się następny problem. Ciecz zgromadzoną w zbiornikach powierzchniowych trzeba w końcu oczyścić od zawartych w niej substancji chemicznych, dodawanych do cieczy oraz innych, wymytych ze skał – naturalnych składników takich jak metale i pierwiastki promieniotwórcze (3). Następnie, trzeba znaleźć odpowiednie zastosowanie dla – w pewnym stopniu – oczyszczonej wody.
Trudno ponadto mniemać, że losy cieczy hydraulicznej pod ziemią mogą być w pełni kontrolowane. Znaczna część cieczy przedostaje się bezpośrednio z warstw łupków do zalegających nad nimi innych formacji (3). Z tego wynika wysokie prawdopodobieństwo zanieczyszczenia warstw wodonośnych a nawet – wód gruntowych. Istnieje w związku z tym niebezpieczeństwo pozbawienia czystej wody, ludzi mieszkających w rejonie wydobycia gazu łupkowego. A taki rejon może być rozległy, bowiem obejmuje kilka a nawet kilkanaście odwiertów rozmieszczonych w odległości kilkuset metrów do kilku km (najczęściej wzdłuż poziomego odwiertu).
Każdy nie kontrolowany wyciek cieczy hydraulicznej – z uwagi na zawarte w niej szkodliwe substancje chemiczne – może wpłynąć negatywnie na ludzi i środowisko. Jednak nawet kontrolowany przepływ może spowodować zanieczyszczenie wody. W USA przepisy pozwalały na odprowadzanie (zużytej i częściowo oczyszczonej) cieczy hydraulicznej do oczyszczalni ścieków. Zakładano bowiem, że kiedy woda z oczyszczalni znajdzie ostatecznie ujście do rzeki, jej wody wystarczająco rozcieńczą stężenie substancji szkodliwych. Jak doniosła prasa (4), w październiku 2008 stwierdzono wysokie zanieczyszczenie rzeki Monongahala w stanie Pensylwania, z której zaopatrzenia w wodę pitną korzysta 700 tysięcy mieszkańców. Podobnie działo się w innych stanach, w których wydobywano gaz łupkowy.
Na wyraźne życzenie Kongresu USA, rządowa Agencja Ochrony Środowiska (EPA) podjęła w marcu 2010 roku badania, dotyczące wpływu hydraulicznego szczelinowania, stosowanego w produkcji gazu łupkowego, na wodę, zdrowie ludzi i środowisko. Raport EPA o wynikach badań ma się ukazać w 2012 roku.
Polska jest krajem, który nie ma żadnego doświadczenia w produkcji gazu łupkowego. Czy zatem nie należy zaczekać na wymieniony raport z podejmowaniem jakichkolwiek decyzji, dotyczących eksploatacji tego gazu na terenie Polski?
Emisja GHG
Sam proces spalania gazu ziemnego prowadzi do znacznie mniejszej emisji GHG w porównaniu ze spalaniem węgla (w przeliczeniu na tę samą ilość wytworzonej energii z pierwszego i drugiego surowca). Dlatego też popularna jest opinia, że substytucja węgla przez gaz ziemny, stanowi skuteczny sposób redukcji emisji dwutlenku węgla i innych GHG. Pogląd ten powinien być przedmiotem oceny specjalistów, opartej o ścisłe obliczenia dotyczące różnic w nakładach energii niezbędnych do produkcji gazu łupkowego w porównaniu z gazem konwencjonalnym oraz w porównaniu z nakładami energii odnoszącymi się do wydobycia węgla.
Ocena emisji GHG, która towarzyszy wydobyciu gazu łupkowego, musi obejmować pełny cykl jego produkcji (5). Wymaga ona znacznie większych nakładów energii w porównaniu z gazem konwencjonalnym. Te dodatkowe ilości energii potrzebne były na: produkcję rur (znacznie więcej zużywa się ich na orurowanie odwiertów horyzontalnych): na transport dużych ilości wody (ciecz hydrauliczna), wiercenia (z reguły do większych głębokości, na których zalegają łupki); produkcję materiałów konstrukcyjnych, z których budowane są liczniejsze odwierty w porównaniu z eksploatacją gazu konwencjonalnego); produkcję substancji dodawanych do cieczy hydraulicznej; wytwarzanie bardzo wysokiego ciśnienia hydraulicznego; oraz oczyszczanie odpadowej cieczy hydraulicznej.
Wynikająca stąd dodatkowa emisja CO2 wynosi około 30 % emisji (5) powstającej wyłącznie w czasie spalania gazu. To oczywiście powoduje, że gaz łupkowy w porównaniu z gazem konwencjonalnym musi być niekorzystnie oceniony.
Dalsze zagadnienie, które musi być brane pod uwagę przy ocenie wpływu gazu ziemnego na emisję GHG, to bardzo dobrze znane zjawisko przecieków gazu do atmosfery. Występuje ono tak w czasie wydobycia jak i w czasie transportu oraz użytkowania gazu. Pod względem rozmiaru wycieków, zarówno gaz łupkowy jak i konwencjonalny są oceniane podobnie (5). Głównym składnikiem wycieku jest oczywiście metan, który jest kilkadziesiąt razy silniejszym gazem cieplarnianym od dwutlenku węgla. W związku z tym, nawet nie wielkie wycieki wywierają silny wpływ na wzrost stężenia GHG w atmosferze. Dopiero na tym etapie, czyli po uwz ględnieniu wycieków gazu, można dokonać porównania ewentualnych korzyści substytucji węgla przez gaz ziemny.
Przedstawione wyniki końcowe (5) wskazują, że gaz konwencjonalny powoduje nieznacznie niższą emisję GHG w porównaniu z emisją wynikającą z zastosowania węgla jako surowca energetycznego, a gaz łupkowy – nieznacznie większą emisję GHG niż węgiel. Obliczenia tego rodzaju trzeba jednak przeprowadzać odrębnie dla różnych regionów wydobycia węgla. Bowiem różnie kształtuje się emisja metanu, także występująca w minimalnym lub większym stopniu, w kopalnictwie węglowym..
Sprawa finansowania drogich inwestycji w wydobycie gazu łupkowego i równoczesne zmniejszenie wydobycia węgla, może w określonych okolicznościach, stanowić błędną decyzję, zarówno z punktu widzenia zużycia energii na procesy produkowania tych surowców jak i ograniczenia emisji GHG do atmosfery.
Istniejące już możliwości satelitarnego monitorowania poziomu emisji GHG z terenu poszczególnych państw, przyczynią się do ujawnienia skutków błędnych decyzji. Jednak usuwanie skutków błędnych decyzji to długi i kosztowny proces.
prof.dr hab.inż. Anna Marzec
1.. USA Government Dept of Energy (gov), Energy Information Administration (EIA) http://www.eia.doe.gov/oiaf/aeo/gas.html
2. EIA Energy in Brief; „What is shale gas and why is it important”
http:// www.eia.doe.gov/
3. US Environmental Protection Agency (EPA) „Hydraulic fracturing research study”
EPA/600/F-10/002
lub http://www.epa.gov/safewater/uic/pdfs/hfresearchstudyfs.pdf
4. http://www.knoxnews.com/news/2010/feb/04/mining-technique-leads-to-pollution/
5. R.W. Howarth „Preliminary assessment of the GHG emissions from natural gas obtained
by hydraulic fracturing”. Cornell University, USA.
http://www.solarvalleycoalition.net/NaturalGas.html
]]>
