Best Practices in Underground Coal Gasification (E. Burton, J. Friedmann, R. Upadhye) A FELSZÍN ALATTI SZÉNELGÁZOSÍTÁS KORSZER MÓDSZEREI
Fordította: Demeter Gábor, szakmailag ellen rizte: Püspöki Zoltán
Tartalomjegyzék
2.1 A felszín alatti szénelgázosítás (UCG) folyamatleírása ............... 10 2.2 Miért megfontolandó a felszín alatti szénelgázosítás?................ 11 2.3 Az UCG K+F befektetések id szer sége ...................................... 12 2.4 Az UCG alkalmazásának korlátai ................................................... 14 2.5 A fejl d országok lehet ségei ..................................................... 15 2.5.1 India ............................................................................................... 15 2.5.2 Kína ................................................................................................ 16 3.1 Az 1960-1999 közötti id szak tapasztalatai .................................. 19 3.1.1 Az USA kísérletei ........................................................................... 24 3.1.2 Az európai UCG kísérletek (1982-1999) ........................................ 30 3.1.3 Kínai Népköztársaság (1980-tól napjainkig)................................... 32 3.1.4 Ausztrália (1990-es évekt l máig) .................................................. 33 3.1.5 Japán ............................................................................................. 35 3.1.6 A volt Szovjetunió........................................................................... 35 3.1.7 Más országok ................................................................................. 40 ! 4.1.1 Kútkiképzés és az áramlás irányának el segítése......................... 42 4.1.2 Injektálási folyamatok (CRIP és UCG).......................................... 43 4.1.3 További megfontolások az eljárásokat illet en............................... 45 4.1.4 Felszíni létesítmények.................................................................... 47 " # $ % "& 5.1 Az USA szabályzási keretei ............................................................ 51 5.2 A kockázaton alapuló döntéshozatal (RBDM) folyamata............. 53 5.3 UCG telephelyek geológiai felmérése és alkalmassága .............. 54 5.3.1 Rétegtani keretek ........................................................................... 55 5.3.2 Szerkezeti keretek.......................................................................... 60
5.3.3 Hidrológiai és geomechanikai keretek............................................ 60 5.3.4 Geokémiai keretek ......................................................................... 61 5.4 Felszínsüllyedés.............................................................................. 67 5.4.1 Szimuláció és el rejelzés ............................................................... 67 5.5 Az integrált kockázatbecslés tényez i .......................................... 69 5.5.1 Rock Springs Kiemelkedés ............................................................ 71 5.5.2 A Ferron Homokk széntelepes összlete....................................... 72 5.5.3 A Blackhawk Fm. széntelepes összlete ......................................... 73 5.6 UCG kísérleti projektek tapasztalatai ............................................ 74 5.6.1 Hoe Creek, Wyoming ..................................................................... 74 5.6.2 Carbon County, Wyoming .............................................................. 76 5.6.3 Chinchilla Projekt, Ausztrália.......................................................... 77 ' ( $% )% * 6.1 A széndioxid leválasztása ................................................................. 79 6.2 UCG és a hagyományos széndioxid-leválasztás és csapdázás (CCS) ................................................................................................................ 82 6.3 UCG és az égéstérben való széndioxid-tárolás lehet ségei ............ 83 6.3.1 Az RZCS lehetséges el nyei és hátrányai ..................................... 83 6.3.2 A f tudományos problémák........................................................... 85 6.3.3 Tudományos program körvonalazása az RZCS kockázatainak és veszélyeinek megoldása érdekében ....................................................... 86 ( ++ , * 7.1 Telephelyválasztás és m ködtetés................................................ 87 7.2 Az UCG égetés beindítása.............................................................. 88 7.3 Felszíni létesítmények telepítése és m ködtetése....................... 88 7.4 A m ködési terület kiterjesztése ................................................... 89 7.5 Környezet-menedzsment................................................................ 89 7.5.1 Kútterevezés és kivitelezés ............................................................ 89 7.5.2 Kutak üzemeltetése........................................................................ 89 7.5.3 Az égésfront szabályzása és ellen rzése ...................................... 90 7.5.4 Bezárás és felhagyás ..................................................................... 90 7.5.5 A felszín alatti vizek védelme ......................................................... 90 7.5.6 Felszínsüllyedés............................................................................. 91 7.5.7 Monitoring....................................................................................... 92 7.6 A széndioxid kezelése .................................................................... 93 7.6.1 Telephelyválasztás......................................................................... 93 7.6.2 A CO2 leválasztása, csapdázása és elkülönítése .......................... 93 7.6.3 A CO2 tárolása............................................................................... 94 * -. . 8.1 K+F hiányosságok .......................................................................... 95
8.2 Technológiai hiányosságok ........................................................... 96 8.2.1 Az elgázosítási és égetési modellek továbbfejlesztése.................. 96 8.2.2 A monitoring fejlesztése ................................................................. 97 8.2.3 A környezeti szimulációk fejlesztése ............................................ 101 8.2.4 UCG + CCS (széndioxid leválasztása és csapdázása)................ 103 8.2.5 Laboratóriumi kísérletek ............................................................... 105 8.2.6 Integrált folyamat és felszín alatti modellezés.............................. 105 / % &'
Táblázatok 3.1. táblázat: Nemzetközi UCG kísérletek az USA és a volt SZU nélkül .................................... 20 3.2. táblázat: Jelenleg is folyamatban lév UCG-projektek a volt SZU területén......................... 21 3.3. táblázat: UCG kísérletek az USA területén............................................................................ 22 3.4. táblázat: Az Angren telep termelési eredményei 1962-1976 (Olness, 1982)......................... 36 3.5. táblázat: A szovjet UCG-projektek jellemz i 1933-1965 (Gregg, et al., 1976; Olness és Gregg, 1977) ............................................................................................................................. 38 4.1. táblázat: A szénelgázosítás során végbemen reakciók (Ruprecht, et al., 1988 után) ..................................................................................................................................... 42 5.1. táblázat: Felszín alatti vizeket szennyez anyagok a texasi kísérleti UCG telepen (Humenick és Mattox, 1978)............................................................................................................................ 63 5.2. táblázat: A víz fizikai tulajdonságai a h mérsékelt függvényében. ...................................... 64 5.3. táblázat: A rétegtani kitettséget figyelembe vev kockázatmátrix .........................................70 7.1. táblázat: Az UCG helyének és m ködtetésének minimális követelményei........................... 87
Ábrajegyzék 2.1. ábra: Az UCG folyamat vázlata a keletkez anyagokkal és az áramtermeléssel összekapcsolva (UCG Engineering, Ltd., 2006)....…………………………………………....... 10 3.1. ábra. Az UCG tesztelések eloszlása a világon, beleértve a szövegben említett, és néhány bejelentett, tervezett projektet. Az alaptérkép a geológiai széndioxid-tárolás (GCS) potenciális helyszíneit mutatja (Bradshaw & Dance, 2005 után módosítva).....…………………................. 17 3.2. ábra. Betts szabadalmának részletei, beleértve a leveg , és ha szükséges, g z befecskendezését a betáplálócs be a pumpáló telepr l, a széntelep in situ elgázosítása, és egy gy jt csövet, mely a termel dött gázt közvetlenül betáplálja az er m be (Olness and Gregg, 1977)......................……………………………………………………………………………… 18
3.3 ábra. UCG kutatások a szénrétegek vastagsága és mélysége szerint (Perkins után módosítva, publikálatlan) ........................…………………………………………………............................ 19 3.4. ábra. Az UCG kutatások a mélység és az id függvényében (Burton, et al., 2004)............... 20 3.5. ábra. Az USA UCG projektjei. Több esetben egy-egy pont több tesztelést jelent. Szintén jelölik a széntüzelés er m veket (fekete pont) és a geológiai széndioxid-tárolásra alkalmas területeket (színezett régiók) (Bradshaw & Dance, 2005 után).………………………………… 25 3.6. ábra. Hoe Creek retegsora (Covell és Thomas, 1996).................…………………………... 26 3.7. ábra. Az UCG folyamata az égéstér keresztszelvényében (Stephens, 1981) és hosszanti szelvény, mely a folyékony pirolizált szénmaradványok terjedését és kondenzációját mutatja (Covell és Thomas, 1996).…………...………………………………………………………….. 27 3.8. ábra. A nagytömbös kísérlet vázlatos átnézeti képe..…………………………..................... 29 3.9. ábra. A tényleges és a becsült üregalak különbsége a betáplálókútra mer leges síkban, a PSC CRIP üreg betáplálási pontjánál (Britten, 1986, 1987; Britten és Thorsness, 1988)..................... 29 3.10. ábra. A Chinchilla Projekt elvi vázlata (Blinderman, 2003b) .........……………………… 34 3.11. ábra. A gáztermelés története Chinchillánál (Blinderman, 2003).........………................... 35 3.12. ábra. A szénelgázosítás befúvási-áramlási módszere meredeken d l szénrétegek esetében. Ez volt az els terv, amit a szovjetek ígéretesnek véltek. Er feszítéseik els éveiben több módszert is kipróbáltak. Ezt az áramoltatási módszert (SM) el ször Licsanszkban, 1935-ben próbálták ki. Betápláló és termel kutakat fúrtak a széntelep mentén, majd a mélyben egy kihajtott aknával összekötötték ket. A tüzet az összeköt csatornában gyújtották, és fokozatosan terjedt tovább a teljes hosszúságban. Az áramlás irányát id r l id re vissza kellett fordítani, hogy egy horizontális égési frontot hozzanak létre, mely fölfelé mozgott a rétegben. A rendszer kulcsmomentuma, hogy amint a szén elégett, még több szén esett az üregbe, automatikusan széntörmeléket eredményezve az égési zónában (Gregg et al., 1976)................................…...... 38 3.13. ábra. Az ábra egy tipikus szovjet tervet mutat a vízszintes rétegek elgázosítására. A pontzott vonalak jelzik a szénben ellenáramú égetéssel kialakított felszín alatti összeköt csatornákat, mely az elgázosítás el készít lépése. A termelési fázis során konkurrens égetést (egyirányú) alkalmaznak a csatornában. A normál- és ellenáramú gázosítás az égési front haladási irányát jelenti a gázáramlás irányához képest (egyirányú, vagy szembenáramlás). (Gregg et al., 1976)....………………………………………………………………………………………….. 41 4.1. ábra. A CRIP vázlatos folyamatmodellje……....................................................................... 44 5.1. ábra. Az UCG RBDM folyamatdiagramja………………..................................................... 54 5.2. ábra. A szénel fordulások általános típusait mutató vázlatos blokdiagrammok: (A) medence jelleg , (B) szubregionális (C) lokális. (Hamilton és Tadros, 1994 után)..…………………....... 56 5.3. ábra Egy tengeri ciklushoz kapcsolódó rétegtani sorozatok (Bohacs és Suter, 1997 után)….57 5.4. ábra. Akkumulációs üledékciklus sematikus rajza és a kapcsolódó széntelepek jellegzetességei és elhelyezkedése (fent). Üledékes sorozat sematikus rajza egy üledékes cikluson belül, a szenes rétegek (fekete) általános elhelyezkedését és a hozzájuk kapcsolódó fácieseket bemutatva (alul). Az erózióbázis ciklusai. A hat kategóriát jelz szám magyarázata a lenti kockázati mátrixban. (Bohacs és Suter, 1997 után) ...............................…………...................... 58
5.5. ábra. Példa ekvilibrium (egyensúlyi) számításokra a szénelgázosítás folyamatához (Stephens, 1980 után)..............................................................................………............................................ 62 5.6. ábra. Szerves anyagok oldhatósága vízben a h mérséklet függvényében (Wauchope és Getzen, 1972, után módosítva, beleértve Leif és Knauss nem publikált adatait)......................……………………………......................................................................... 65 5.7. ábra. Felszíndeformáció fix szélesség és vastagságú szénkitermelés során, a behajlásos modell geometriája szerint. H = a széntelep tetejének vastagságával, Hs = az alatta fekv réteg vastagsága és so(xo) = a süllyedési profil (Shu és Battacharyya, 1993 alapján).…. ……………..69 5.8. ábra. A Brooks-McCourt Sorozat keresztszelvénye a Rock Springs-b l, Dél-Wyoming. A szén (fekete) a sorozaton belül. Az izolált szén az #1 telep alatt és a korrelatív elárasztási térszínek jelentik a legkisebb kockázatot a szomszédos porózus, átereszt rétegekbe való beszivárgás esetében (Bohacs és Suter, 1997)…........................................................................... 71 5.9. ábra. A Ferron Homokk Tagozat (Mancos Agyagpala Fm., Emery-szénmez ) szénrétegeinek vastagsága, vertikális és horizontális elterjedése (Bohacs & Suter (1997) (LST,TST, lásd 5.3. ábra)................................................................................................….......... 72 5.10. ábra. A Blackhawk Fm., Kelet-Utah, általános progradációt és többszörös összetett széntesteket mutató összlete (Young, 1955 után)…… ...........................................................….. 73 5.11. ábra. Az UCG m ködése negatív nyomáson (Blinderman és Jones, 2002 után) .........….. 77 5.12. ábra. Szerves szennyez k, benzol, fenol és policiklikus aromás szénhidrogének, koncentrációja összevetve Chinchilla (els három oszlop) Hoe Creek és Carbon County adataival. Az égéstér környezetében a kondenzálódott víz és olaj, a második és harmadik oszlopban nagy értékeket mutat, de a talajvíz az 1. oszlopban a háttérszint (vörös szaggatott vonal) alatt maradt (Blinderman és Jones, 2002)…………………………..……........................ 78 6.1. ábra. Széndioxid-csapdázás nélküli és csapdázással m köd er m típusok hatékonysága %ban LHV-alapon (Thambimithu, et al., 2005 után, és az itt található hivatkozások Davison 2005, IEA GHG 2004, IEA GHG 2003; 5 IEA GHG, 2000b; Dillon et al., 2005)...…………............. 81 6.2. ábra. A f t anyaghasználatban jelentkez százalékos emelkedés/kWh a széndioxidcsapdázás hatására, összevetve a hasonló üzem , de csapdázás nélküli er m vekkel Thambimuthu, et al., 2005 után és Davison, 2005; IEA GHG, 2004; IEA GHG, 2003; IEA GHG, 2000b; Dillon et al., 2005)..................................................................... 81 6.3. ábra. A reakciótér tulajdonságait befolyásoló fizikai és kémiai változók sematikus ábrája .......…………………………………………............................................................................... 84
Rövidítések jegyzéke AGR Acid Gas Removal - savas gázleválasztás BHEL Bharat Heavy Electricals, Limited BLM Bureau of Land Management (U.S.) Földhasználati Hivatal USA BTEX Benzene, toluene, ethylbenzene, xylenes - benzol, toluol, etilbenzol, xilol CBM Coal Bed Methane - szénágyas metánfejlesztés CCS Carbon Capture and Sequestration - széndioxid csapdázás és leválasztás
CFD Computational Fluid Dynamics - számítógépes folyadékdinamika modellezése CIL Coal India, Limited COE Cost of Electricity - a termelt elektromosság költsége CRIP Controlled Retraction Injection Point – irányított visszahúzású betáplálási pont CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation – Tudományos és Ipari Kutatási Szervezetek Közössége (Australia) DOE US Department of Energy - Energetikai Minisztérium, USA DTI UK Department of Trade and Industry Technology - Kereskedelmi és Ipartechnológiai Minisztérium EGR Enhanced Gas Recovery – Megnövelt gázkinyerés EMIT Electro-Magnetic Induction Tomography –Elektromágneses indukciós tomográf EOR Enhanced Oil Recovery - megnövelt olajkinyerés EPA Environmental Protection Agency (United States) - Környezetvédelmi Ügynökség ERT Electrical Resistance Tomography – Elekromos ellenálláson alapuló tomográfia UCG Ergo-Exergy UCG GAIL Gas Authority India Limited – Indiai Gázszakhatóság GCS Geologic Carbon Storage – Geológiai széndioxid tározó GPS Global Positioning System – M holdas helymeghatározási rendszer GSI Geological Survey of India – Indiai Geológiai Szolgálat IGCC Integrated Gasification combined Cycle – Kombinált ciklusú integrált elgázosítás InSAR Interferometric Synthetic Aperture Radar LLNL Lawrence Livermore National Laboratory MDEA Methyldiethanolamine process – metil-dietanolamin folyamat MOC Ministry of Coal – Szénügyi Minisztérium MOM Ministry of Mining – Bányászati Minisztérium NAPL Non-Aqueous-Phase Liquids – Nem vizes fázisú folyadékok NASA National Aeronautics and Space Administration (USA) NETL National Energy Technology Laboratory NGCC Natural Gas Combined Cycle – kombinált ciklusú földgáz alapú er m NLCL Neyveli Lignite Corporation, Limited PAHs Polycyclic Aromatic Hydrocarbons – Policiklikus aromás szénhidrogének PC Pulverized Coal – porított szén PCR Polymerase Chain Reaction – polimeráz láncreakció RBDM Risk-Based Decision-Making – kockázati alapú döntéshozatal RZCS Reactor Zone Carbon Storage – széndioxid-tárolás a reaktorzónában (égéstérben) SACS Saline Aquifer CO2 Storage Project at Sleipner – sósviz vízadókban történ széndioxid tárolás SDWA Safe Drinking Water Act – egészséges ivóvíz törvény TDS Total Dissolved Solids – Összes oldott szilárd anyag 10 UCG Underground Coal Gasification – felszín alatti szénelgázosítás USDW(S) Underground source(s) of drinking water – felszín alatti ivóvízbázisok VOCs Volatile Organic Compounds – szerves illóanyagok WIDCO Washington Irrigation and Development Company – Washingtoni Öntözési és Fejlesztési Társaság
A felszínalatti szénelgázosításon (UCG) a szén in-situ gázzá alakítását értjük - amelyet leggyakrabban szintézisgáznak neveznek, - amelynek során ugyanolyan kémaiai reakciók mennek végbe, mint amelyek a felszíni gázosítás során lejátszódnak. Az elgázosítás során a szénhidrogének szintézisgázzá történ átalakítása nagy nyomáson és h mérsékleten megy végbe és a végtermék számos célra felhasználható (elektromos áram termelése, folyékony üzemanyag el állítása, hidrogén, betáplált nyersanyag, szintetikus gázok). Az elgázosítás számos lehet séget biztosít a szennyezés - különösen a kénkibocsátás, nitrogénoxid és higany esetében - korlátozására, kontrollálására. Az UCG jelent sen növelheti a hasznosítható szén mennyiségét azáltal, hogy egyébként kitermelésre nem érdemes, mély vagy vékony, változatos földtani helyzet széntelepeket gázzá alakít át. Az Egyesült Államokban a kinyerhet széntartalékok így a jelenlegi 300%-400%-ára n hetnek. A gyors gazdasági növekedésen átes fejl d országok számára - beleértve Indiát, Kínát - az UCG szintén egy alkalmas technológia lehet. Az UCG-t több különféle kísérleti tesztelésnek vetették már alá számos országban. Az USA mintegy 30 kísérleti projektet m ködtetett 1975-1996 között, bitumenes, szub-bitumenes, és lignites szeneket egyaránt vizsgálva. Ezel tt a korábbi SZU több mint 50 éven éven át kutatta az UCG alkalmazhatóságát, terepi kísérletekkel és üzemi/kereskedelmi projektekkel egyaránt, beleértve a ma is m köd angreni (Üzbegisztán) elektromos er m vet, mely 47 éve üzemel. 1991 óta Kína legalább 16 kísérletet hajtott végre és az UCG kereskedelmi, gazdasági célú hasznosítására ma is számos példa van a m trágya és vegyszer alapanyagok el állítása területén. 2000-ben Ausztrália indított el egy jelent s kutatást Chincilla-terv néven, amely a tervszer (ellen rzött) leállítást és újraindítást megel z en 3 éven keresztül produkált folyamatosan szintézisgázt. Jelenleg is számos kereskedelmi projekt áll a kifejlesztés és megvalósulás különböz fázisaiban az Egyesült Államok, Kanada, Dél-Afrika, India, Ausztrália, Új-Zéland és Kína területén, melyek felölelik az elektromos energia termelését, folyékony üzemanyag el állítását és szintetikus földgázként való hasznosítást. Számos eljárás létezik az UCG reakciók beindítására és szabályzására beleértve az irányított visszahúzású betáplálási pont (Controlled Retraction Injection Point - CRIP) módszert és az Ergo Exergy által szabadalmaztatott UCG eljárást. Ezek a begyújtási folyamatok szintézisgázáramlat képz déséhez vezetnek, amely összetételében hasonlatos a felszínen el állított szintézisgázhoz, de széndioxid és hidrogéntartalma lehet magasabb számos tényez hatásának eredményeképp, ideértve az optimálisnál nagyobb mennyiség víz hozzákeveredését az UCG reaktorban, és a víz-gáz átalakulás során lejátszódó hamu-katalízist. Az in situ átalakítás jellegéb l adódóan az UCG szintézisgáz kén-, kátrány-, higany- és makrorészecske tartalma
alacsonyabb és kicsi a hamutartalma is. Más összetev k mennyisége hasonló és a hagyományos gázkezelési és tisztítási eljárásokkal jól kezelhet . Az UCG gazdasági oldala is ígéretes. Az UCG er m vek t keigénye jóval alacsonyabbnak t nik, mint egy hasonló, felszíni elgázosítással m köd
er m é, ugyanis az elgázosítót nem kell
megépíteni. Hasonlóan a m ködési költségek is valószín leg alacsonyabbak a szén felhozatalának, szállításának elmaradása miatt, és a hamut kezel létesítményekre is kisebb szükség van. Még az olyan esetekben is, amikor alapvet en környezeti monitoringra, és további létesítményekre van szükség, az UCG számos gazdasági el nnyel rendelkezik. Az UCG elméletileg 2 szempontpól jelenthet környezetvédelmi kockázatot, ha a m ködtetés nem elég körültekint módon megy végbe: az egyik a felszín alatti vizek szennyezése, a másik a felszínsüllyedés. Mindkét környzeti kockázati tényez
elkerülhet
a telephely gondos
megválasztásával és a leginkább alkalmas m ködtetési eljárások megválasztásával. Hoe Creeknél (Wyoming, USA), mely számos UCG teszt helyszíne volt, a nem megfelel helyszínválasztás és a reaktor (égéstér) túlnyomás alá kerülése egy benzol-, VOC (szerves illóanyagok) tartalmú és egyéb kontaminánsokat tartalmazó szennyezési udvar fejl déséhez vezetett, mely az édesviz vízadó rétegekbe került. Ezzel ellentétben a legújabb Chincilla projekt Ausztráliában bizonyítja, hogy lehetséges az UCG m ködtetése a fenti kockázatok nélkül. Egy jól kidolgozott kockázatbecslési rendszer (pl. kockázati tényez k kiértékelésen alapúló döntéshozatal) lehet vé teszi az UCG helyszínének kiválasztása és a m ködtetés során felmerül veszélyek azonosítását és el zetes figyelembe vételét, elhárítását. Az UCG környezeti kockázatbecslési folyamata számos egyedi aspektussal bír, amelyek a változó körülmények, feltételek komplex figyelembe vételét igényli, beleértve az égéskamra (üreg) magas h mérsékletét, a nagy h mérsékleti grádienst és az égési folyamat során és utána keletkez feszültségi tér sajátosságait. A telephely rétegtanával, hidrogeológiájával, szerkezetével összefüggésben, azok figyelembe vételével a kockázati modellek feladata kiértékelni a permeabilitás változását az üregfejl dés és beszakadás során, miként a rugalmasságban, felhajtóer ben bekövetkez változások, s a h - és mechanikai er hatások hatásait a szerves és szervetlen kontaminánsok szállítódására. A m ködést befolyásoló változók (h mérséklet, betáplált gáz összetétele) szintén hatnak a termel dött szennyez k mennyiségére, természetére és a rétegvíz áramlási viszonyaira. Ráadásul az üreg soron következ
használata a CO2 csapdázására, leválasztására és elnyeletésére a
melléktermékek mobilizálására is hatással bír, amely a kockázat mértékében eredményezhet változást. Az UCG során keletkez CO2 problémája okozta kihívás ahhoz vezet, hogy az UCG egyre inkább párosul a CCS-sel (carbon capture and sequestration - szén-dioxid leválasztása és
csapdázása). Az UCG során keletkez légáramlat összetétele és nyomása a felszíni kivezet kben hasonlatos a felszíni elgázosítókból származókhoz, így a költségek és az égetés el tti leválasztás módszerei közvetlenül összevethet k (pl. Selexol: $25/tonna CO2). A hagyományos égetés utáni és oxigénüzem (oxy-firing) eljárás szintén használhatók az UCG-hez kapcsolódó felszíni (a felszínre jutó anyag ártalmatlanítását célzó) alkalmazásoknál. Ezen túlmen en a hagyományos geológiai széndioxid raktározás (GCS) szoros térbeli összefüggése az UCG lehet ségeivel azt sugallja, hogy a m ködtet k egymás mellé helyezhetik a GCS és UCG projekteket, amely nagy valószín séggel hatékonyabbá teszi a CO2 tárolását. Van lehet ség arra is, hogy a koncentrált CO2 tömegek egy részét a felszín alatti égéstérben tárolják. Bár ennek számos vonzó tulajdonsága akad, bizonytalanságban vagyunk a környezeti kockázatok és az ily módon tárolt széndioxid sorsát illet en. Míg az UCG kereskedelmi alkalmassága és gazdaságossága számos téren bebizonyosodott, néhány technikai és tudományos jelleg probléma még mindig akad. Ezek azonban rövid id alatt felgyorsított kutatási programok segítségével megoldhatók. Egy ilyen program lényegesen növelheti a létez ismereteket, a tervezett fogyasztói célú üzembehelyezési teszteket, és el segítheti a geológiai szimuláció, a modellezés, illetve a mérnöki tudományok fejl dését. Éppen ezért az USA feladata, hogy tevékenyen részt vegyen olyan tervek kivitelezésében, melyek a szimulációs lehet ségek fejlesztését, kiértékelését, a kritikus összetev k laboratóriumi meghatározását és a terepi kísérletekre alkalmas telepek kijelölését segítik el , különösen a monitoring és a folyamatellen rzés terén. Egy ilyen kutatás segítene az itt javasolt, jónak tartott eljárások kereteinek kidolgozásában és kiterjesztené a jelenlegi tudásszintet azokra a hatásokra és szempontokra, melyekre még nem fordult elég figyelem.
A 21. század energia- gazdasági és környezeti igényei miatt új és kiterjedt szerepet kaphat az UCG fejlesztések gazdasági célú alkalmazása. Az USA jöv beni szerepe az UCG-t érint K+F tevékenységekben a nemzetközi kollektív tapasztalatokon és a világszerte létrejött tudásbázis egységesítésén kell, hogy alapuljon. E tanulmány célja, hogy ennek érdekében olyan szilárd alapokat hozzon létre az UCG-re vonatkozó jelenlegi ismeretek összegzésével - beazonosítva, hogy a jelenlegi tudásbázis mely területeken alkalmas az eddig legalkalmasabbnak tartott eljárások alkalmazására, és hol van szükség további K+F tevékenységre, - mely lehet vé teszi, hogy az UCG gazdaságilag versenyképes technológiává váljon.
2.1 A felszín alatti szénelgázosítás (UCG) folyamatleírása Az elgázosítás olyan kémiai folyamat, melynek során a folyékony vagy szilárd anyagok éghet gázokká alakítása történik, amely gázok alkalmasak h -, vagy elektromos energia termelésére, vagy vegyi anyagok alapjául szolgálnak, mint például hidrogén, metanol, vagy szintetikus földgáz. Eddig többszáz felszíni elgázosítót hoztak létre a világon. Több mint 160 elgázosító telep m ködik világszerte 50000 MW energiaegyenérték szintézisgázt el állítva (Simbeck, 2002).
2.1. ábra: Az UCG folyamat vázlata a keletkez összekapcsolva (UCG Engineering, Ltd., 2006)
anyagokkal és az áramtermeléssel
A felszín alatti szénelgázosítás során, ahol is a szenet in situ alakítják gázzá az elgázosítás folyamata a felszín alá helyez dik át. A szénrétegekbe fúrt betáplálókutakba nyomott oxigén hatására a szén in situ égetése lehet vé válik, amely gázképz dést eredményez, s a keletkezett szintézisgázt termel kutakon hozzák a felszínre további feldolgozás, szállítás, hasznosítás céljából (2.1. ábra). A folyamat vagy a szénágy természetes permeabilitásán alapul, mely lehet vé teszi a gázok beszivárgását az égési zónába és onnan való távozását, vagy pedig mesterségesen megnövelt permeabilitást állítanak el a fordított, ellenáramú égetés (reversed combustion) alkalmazásával,
a szénrétegben egy csatorna létesítésével, vagy vizes bontással (hydro-fracturing) (Gregg, és Edgard, 1978; Stephens et al., 1985a; Walker et al., 2001; Creedy & Garner, 2004).
2.2 Miért megfontolandó a felszín alatti szénelgázosítás? Az USA egyre inkább úgy tekint szénvagyonára, mely megoldást jelenthet gazdasága nyersanyag- (els sorban üzemanyagimport) függésére. Becslések szerint az Egyesült Államok rendelkezik a világ 1 milliárd tonnára becsült kitermelhet széntartalékának 27%-ával. (U.S. Energy Information Administration, 2006). A fogyasztás jelenlegi, 1,1 milliárd tonna/éves ütemét tekintve a széntartalékok a következ csaknem 300 évre fedezhetik a hazai energiaszükségletet. A legtöbb szenet az elektromos energiatermelésben hasznosítják az USA-ban. Míg a k olajimport a geopolitikai bizonytalanságoknak köszönhet en válhat instabillá, a hazai széntermelést és felhasználást els sorban környezetvédelmi szempontok korlátozzák. Az olaj szénnel való felcserélése ezért számos kihívást jelent, beleértve a szénbányászat és égetés környezeti egészségre való hatásának csökkentését, és olyan „tiszta” technológiák kifejlesztésének szükségességét, melyek a szenet gázzá vagy folyadékká alakítják át. Az UCG számos el nnyel bír a hagyományos felszínalatti tárós, aknás vagy külszíni bányákkal és a felszíni szénelgázosítással szemben: • Az UCG a hagyományos szénbányászati technikák háttérbe szorításához vezethet, mivel csökkenti a m ködtetési költségeket, a felszíni károsodást és kiiktatja a bányabiztonsági problémákat, mint a bányaomlás vagy fulladás (asphyxiation). • A nem m re való szenek (túl mélyen elhelyezked , alacsony szénülési fokú, vékony telepek) m re valóvá válnak az UCG alkalmazásával, ami növeli a felhasználható hazai er források mennyiségét, hozzáférhet ségét. • Felszíni elgázosításra nincs szükség, ezért a t ke- és beruházási költségek jelent sen csökkennek; • A szén felhozatala szükségtelenné válik, ami csökkenti a költségeket, az emissziót és az ökológiai lábnyomot (az igénybevett területet), melyet a szén szállítása és raktározása okoz • A szén hamutartalmának zöme a felszín alatt marad, ezért nincs szükség a gáztisztításra és elkerülhet k a hullóporral, hamuval és felszíni tárolásukkal kapcsolatos környezeti problémák; • A f szennyez k közül néhány egyáltalán nem képz dik a folyamat során (SOx, NOx) és számos más szennyez anyag (higany, kén, makrorészecskék, por) mennyisége jelent sen csökken, kezelésük egyszer bbé válik; • Az UCG a hulladék mozgatásával, a hasznosanyagként nem jelentkez jutásával keletkez energiapazarlás nagy részét megszünteti;
medd
felszínre
• Az UCG, összevetve a hagyományos, felszíni égetéssel párosuló bányászati technikákkal, kevesebb üvegházgázt termel és megvan az az el nye is, hogy a folyamat során maga hoz létre geológiai széndioxid-tározókat. Az UCG m ködtetéséhez létrehozott kúthálózat használható a termelést követ
geológiai CO2 elnyelésre, tárolásra. Lehetségessé válhat a CO2 tárolása a
reaktorzónában a felszín alatt, miként a környez rétegekben is. Az utolsó megjegyzéshez kiegészítésül: a k olaj és k szén égetése az USA-ban termel dött széndioxid 2/3-át adja. Ráadásul a tradícionális szénbányászat további üvegházgázokat, mint a metán, juttat a légkörbe. Az égéstérben, vagy a szomszédos rétegekben elnyeletett üvegházgázok miatt az UCG különösen jelent s többletel nyöket jelent más tisztaszén (clean coal technologies) technológiákkal szemben. A hazai (USA) szén szintén alkalmas hidrogén el állítására, különösen az emelked földgázárak miatt. A hidrogén felhasználása akkor alternatíva, ha jelent sen csökken , s t zéró emisszióval jár. Bár a nukleáris és megújuló energiaforrások használhatók lennének a szükséges hidrogén el állításhoz, a megújuló energiaforrások még mindig elég költségesek és nem elég bejáratottak, nem széles körben elterjedtek, míg a nukleáris energia esetében a hulladékelhelyezés még kielégít
megoldásra vár. Míg ezek a kérdések nem oldódnak meg a f
hidrogénforrások
valószín leg továbbra is a fosszilis energiahordozók lesznek (U.S. Department of Energy, 2005). A szénelgázosítás, különös tekintettel az UCG-re, vonzó lehet séget nyújt olcsó hidrogén el állítására. Míg az UCG egy m köd képes technológia, jóllehet a gazdasági hasznosítás kezdeti fázisaiban, addig analóg, a „felszínalatti finomítás” elvén m köd
technikák az
olajbányászatban még nem kerültek kidolgozásra. A „felszín alatti finomítás”, miként az UCG, nagy lehet ségekkel bír a fosszilis energiahordozók kiaknázásának, gazdasági és környezeti tényez inek javítását illet en, és számos olajipari vállalat hosszú távú stratégiai céljaként jelenik meg. Az UCG alkalmazásának tapasztalatai segíthetnek lerövidíteni a folyékony energiahordozók felszín alatti feldolgozásának bevezetéséhez szükséges id t.
2.3 Az UCG K+F befektetések id szer sége Az UCG iránti érdekl dés hirtelen újjáéledése javarészt az üzemanyagáraknak köszönhet . 2006ban a könny nyersolaj ára meghaladta a 70$/bbl (hordó=42 gallon) árat, s az átlagár is 60$/bbl felett volt. 2006 elején a földgáz ára is 15$/millió BTU (egy köbláb gáz=1030BTU) fölé emelkedett és az átlagár elérte a 8$-t. Egy ilyen piacon számos alternatív energiaforrás (beleértve a bio-üzemanyagokat, vagy a szintetikus üzemanyagokat) vonzó lehet. Így az UCG szintézisgáz és versenyképes áron történ el állítása iránt is megn tt az érdekl dés. Az energiaellátás biztonsága iránt érzett aggodalom szintén növekedett az elmúlt években. A nemzetközi
energiaügyben érezhet
növekv
bizonytalanság a nagy széntartalékokkal rendelkez
és a
jelenleg vagy a jöv ben energiahiánnyal küszköd országok részvényeseit arra készteti, hogy megújult figyelemmel forduljanak minden eljárás felé, amely megnövelheti a m revaló hazai szén felhasználását és mennyiségét az energiaszektorban. Ezek közé tartozik az USA, a volt SZU néhány utódállama, Kína és India. Például a mélyben fekv nem m revaló szénrétegek elérése és hasznosítása az UCG segítségével becslések szerint több mint háromszorosára emeli az USA széntartalékainak mennyiségét (Stephens, et al., 1984). A széntelepek elgázosítási technikái szintén nagy figyelmet kapnak olyan országok, mint Kína vagy India növekv üvegházgáz-kibocsátásának globális hatásai és a környezetszennyezése miatt érzett növekv aggodalom miatt. Mivel az UCG lehet séget biztosít a szén gazdaságos elgázosítására és a gazdasági növekedés számára nyersanyagot biztosít, ezen és más szénben gazdag fejl d
országok kormányhivatalai, a szénbányászat és az energiaipar, beleértve az
energiatermel és szolgáltató vállalatokat, növekv figyelemmel fordulnak az UCG alkalmazása felé. Az UCG felé irányuló megélénkül érdekl dést bizonyítja a közelmúlt kutatói tanácskozásainak és konzorciumainak nagy száma. 2006-ban Houstonban és Kolkatában tartottak m helyvitát, és két konzorcium is felállt; az egyik gazdasági projekt célja a gáz szállítása, s a publikált dokumentumok számának növelése. 2007-re is 2 munkamegbeszélést (London és Canberra) irányoztak el , számos, a gáz célba juttatását szolgáló kereskedelmi projekt mellett. Az USA (GasTech), India (GAIL), Dél-Afrika (Eskom), China (XinAo), Kanada (Laurus), és Ausztrália (Linc Energy, Ltd.) cégei számos olyan projektet jelentettek be, melyek mind elektromos áram el állítását, mind a szén folyadékká konvertálását tartalmazzák. Megújult figyelem fordult a tengerentúl sikeres UCG kutatásai felé, mint a Chinchilla-projekt Ausztráliában, és növekszik az ismeretanyag az Üzbegisztánban negyven év óta folyamatosan üzemel , gazdasági célú UCG-r l, jóllehet a nyilvánosságra hozott információ e m veletekr l még mindig korlátozott. Míg az UCG el nyeit egyértelm en elismerik a mélyben fekv vagy vékony szénrétegek esetében, amelyek hagyományos technikával nem m velhet k, a cégek világszerte kezdik felismerni a technológia további, szélesebb kör alkalmazásának lehet ségeit. Például az Eskom szinte azonnal az UCG technológia felé fordult, amikor felfedezte, hogy új er m ve számára a szén nem m revaló. Dioritos telérek kisebb egységekre szabdalták fel a f telepeket, és a bányászati kísérletek során a berendezések megrongálódtak, tönkrementek. De éppen ez a felszabdaltság kedvez az UCG alkalmazásának és az Eskom most UCG-tüzelés sorozatának beindítását tervezi a területen.
er m vek
2.4 Az UCG alkalmazásának korlátai A széles kör gazdasági célú alkalmazás el tt még számos megoldandó kihívás áll, amelyek további kutatást és fejlesztési beruházást igényelnek. Bár az UCG-nek számos el nye van, a technológia még nem kiforrott és számos korláttal bír: • az UCG számos környezeti kockázattal bír: ilyen a vízbázis sérülése, elszennyez dése és a felszínsüllyedés. Bár jelenlegi tudásunk alapján meghatározhatók azok a keretek, melyek révén csökkenthet k vagy megszüntethet k ezek a környezeti kockázatok, miként kés bb hosszasan idézzük e jelentésben; fontos a megel zés, a korlátok megismerése a telephely kiválasztása és a m ködtetés során a jöv beni UCG projektek esetében. • Míg az UCG technológiailag számos szénlel hely esetében megvalósítható lenne, a telepek tényleges száma, melyek alkalmasak az eljárásra, sokkal korlátozottabb, mert geológiai és hidrológiai adottságai révén a környezeti kockázat sok esetben elfogadhatatlanul megnövekszik; • UCG folyamata nem kontrollálható úgy, mint a felszíni elgázosítóké. Számos folyamatváltozó, mint a vízbetörés, a reagensek eloszlása a gázosítás zónájában, az üregnövekedés sebessége, csak h mérséklet-mérések és a termelt gáz mennyisége és min sége alapján becsülhet ; • Az UCG gazdaságosságának számos, a jelentésben kés bb tárgyalandó bizonytalansága akadhat, amelyek mindaddig fennállnak, míg elegend számú UCG alapú er m nem épül és m ködik, amelyek tapasztalata ezeket a bizonytalanságokat kiiktatja; • UCG sajátossága, hogy alapvet en nem állandó, nyugalmi állapotban lejátszódó egyensúlyi reakció, s mind a termelt gáz áramlási sebessége, mind a f t értéke változhat. Minden m ködésben lév er m nek számolnia kell ezzel. Míg kezdetben az USA-ban a DOE volt az UCG f
szószólója, a technológiai
továbbfejlesztésben való részvételét korlátozták az UCG korai alkalmazása során keletkezett környezeti károk és folyamatellen rzés nehézségei. Ráadásul akkoriban vezetékes gáz min ség gázra volt szükség (>1000 BTU/köbláb), míg az UCG során el állított szintézisgáz csak 150 BTU/köbláb értéket ért el. Ez a két tény elegend nek bizonyult, hogy az USA kiszálljon az UCG kutatás és fejlesztés támogatásából. De Európában az USA hiátusa ellenére is folytatódtak a kutatások. A tény, hogy a múlt számos UCG projektje és az ausztrál próbaüzem is környezeti problémák nélkül ért véget, a figyelmet ismét az UCG-re irányította.
2.5 A fejl d országok lehet ségei Mint fentebb megjegyeztük, néhány fejl d ország hatalmas szénkészletekkel bír, amelyek az UCG gazdasági alkalmazása esetén kiaknázhatók lennének. Különösen India és Kína rendelkezik nagy tartalékokkal, amely nagy, (de kielégítetlen) energiaszükségletet, folyékony üzemanyagot és kémiai alapanyagot igényl gazdasági növekedéssel párosul. Ezzel párhuzamosan ezek az országok egyre inkább érintettek a gyorsan növeked szén-dioxid emisszió és környezetszennyezés kérdéskörében, mely világszerte aggodalmat kelt. Az UCG egyedülálló lehet séget biztosít a gyorsan növekv szükségletek kielégítésére és az emissziós problémák megoldására is.
2.5.1 India Az indiai gazdaság stabil növekedést mutat, amelyet csak az energia hozzáférhet sége és a jelenlegi infrastruktúra korlátoz. Az India által felhasznált energia fele szénb l származik. India nagy (bitumenes, szub-bitumenes) széntartalékokkal bír. De ennek a szénnek nagy része rossz min ség , 35-50%-os hamutartalommal. Az indiai szén magas hamutartalma csökkenti a szállítás gazdaságosságát, így a távolságot is. Ha a széntisztítási lehet ségek elérhet k lesznek India számára, akkor szénhasznosítása is jelent sen javul. Az indiai szén zömét külszíni fejtéssel termelik. Néhány bánya a felszín alatt található. Ez korlátozza a szén hozzáférhet ségét, a nagy elméleti tartalékok ellenére. Ráadásul Indiának nagy mennyiség alacsony energiatartalma miatt nehéz gazdaságosan kitermelni.
lignittelepe van, amelyet
Az UCG mindkét esetben vonzó alternatívát kínál, hiszen a technológia lehet vé teszi a mélyben vagy nem m revaló rétegekben található szénhez való gazdaságos hozzáférést és szintetikus szintézisgáz formájában történ kivonását energiatermelés, folyékony üzemanyag, földgáz és vegyi anyagok el állítása céljából. India tehát elvben ideális terület az UCG számára. A becsült 467 milliárd tonna széntartalék 66%-a alkalmas UCG-re, mely mélyen vagy közepes mélységben fekszik és kis szénülési fokú. Mint említettük korábban, az indiai szén zöme kis f t érték és magas hamutartalmú. Az UCG alkalmas a hamuhoz kapcsolódó, nyílt aknás (open pit) m velésb l és a szén-dioxid kibocsátásból ered környezeti kockázatok kiiktatására, ha a felszín alatti elgázosítást a szén-dioxid visszainjektálásával kombinálják. A széndioxid emissziót illet en India szént l való függ sége és áramigényének feltételezett gyors növekedése miatt a világ egyik legnagyobb széndioxid kibocsátója lesz a közeljöv ben. A felszín alatti szénelgázosítás, a széndioxid leválasztásával és visszasajtolásával lehet séget kínál az elektromos energiatermelés növelésére az üvegházgáz-termelés emelkedése nélkül. Az UCG jól illeszkedik India jelenlegi növeked
energiaigényéhez. Az UCG során termel dött szintézisgáz kombinált ciklusú
er m ben alkalmas elektromosság el állítására. De gazdaságosan átállítható szintetikus földgáz el állítására is (pl. Great Plains Gasification Plant, Észak-Dakota). De szolgálhat alapanyagul metanol, gázolaj, diesel-üzemanyag, de hidrogén el állításához is. Jelenleg ez a technológia alkalmazható lenne mind India keleti és nyugati, nagy néps r ség területein, lecsökkentve az általános energiaigényt. Még fontosabb, hogy az alacsony beruházási és t keköltségek lehet vé teszik a széntüzelés er m vek és más nagyérték létesítmények számának növelését. A Kelet-Ázsiai Partnerség keretein belül (Asian Pacific Partnership), egy UCG m helyvita került megrendezésre Kolkatában, Indiában 2006 novemberében, melynek f
célja az UCG
alkalmazásának, átültetésének felgyorsítása volt Indiában.
2.5.2 Kína A kínai gazdaság mutatja a legnagyobb növekedési rátát a nagy terület országok közül: az átlagos növekedés 1978 óta meghaladja az évi 8%-ot. Egyedül a jelenlegi infrastruktúra és az energiaigény jelent korlátot. Kína energiafelhasználásának 66%-a, elektromos áramtermelésének 70%-a szénb l származik. Szénalapú a vegyi anyagok, üzemanyagok, m trágya el állítása, és Kínának több mint 50 elgázosítója van országszerte. Az éves 1,9 milliárd tonnás szénfelhasználás 3,5 milliárd tonna széndioxid termeléséhez vezet, amelynek 75%-a pontszer forrásokból ered, f ként a szénfeldolgozás eredményeképp (World Energy Council, 2004). Kínának hatalmas széntartalékai vannak a különféle széntelepekben, amelyet 114 trillió (trillion) tonnára becsülnek (World Energy Council, 2004). Ez a szén változatos min ség , beleértve a magas és alacsony kén- és magas és alacsony hamutartalmú széntípusokat. A szénmez k Kína egész területén elterjedtek, de f ként a népességcentrumok közelében fekv k vannak m velés alatt. Az energia és áramigény miatt a bányászat folyamatosan növekszik. Kínában történik a legtöbb bányabaleset, amely minden évben többezer, esetlegesen 5000 emberéletet is követel. Kínában történik a bányászathoz kapcsolódó halálesetek 85%-a, míg a szén hasznosításának csak 35%-át adja a terület. Ennek számos oka van, ilyen a kicsi bányák rendkívüli gyakorisága az országban. A közelmúltban kísérletet tettek a bányabiztonság növelésére, sok kis bányát bezártak hivatalosan, ami sok elhagyott felszín alatti aknát és tárót eredményezett egész Kínában. Kína szénhasználatából számos környezetvédelmi probléma is származik. A magas kéntartalmú szenek miatt a kén-aeroszolok kibocsátása megnövekedett, savas es ket és más környezeti problémákat eredményezve. Hasonlóan a szilárd részecskék (por) és ózon mennyisége is megnövekedett, ami az asztma elterjedéséhez vezetett. Kínában a gyermekek között az asztma gyakorisága 2%-os, néhány nagyváros esetében ez eléri a 4,3%-ot is! A higanykibocsátás is
növekedett. Bár a kormányzat bejelentette a szennyezés csökkentését, még nem biztos, hogy az új politika hatékony lesz. Ennek köszönhet en nem meglep , hogy Kína az UCG technológia legjelent sebb fejleszt i közé tartozik. Mit azt a 3.1.3-as alfejezetben kifejtjük, Kína legalább 16 projektet vitt végbe 1991 óta, és a Pekingi Bányászattechnológiai Egyetem kutatási programjait is támogatja. Jelenleg az UCG során képz d szintézisgázt vegyi m vekben és m trágya-el állítás alapanyagaként hasznosítják. Kína olyan eljárásokat fejlesztett ki, mellyel lehet vé vált a kis, bezárt bányák hasznosítása országszerte. Úgy t nik, a kínai vállalatok és kormányzati szerepl k felgyorsítják az UCG gazdasági célú, kereskedelmi hasznosítását. 20. oldal
Több mint 50 UCG teszt vagy próbaüzem volt eddig világszerte és több mint 30 az Egyesült Államokban (3.1, 3.2, 3.3. táblázat; 3.1, 3.5. ábra). A legjobban dokumentált projektek közé tartozik a Centralia (Washington), és a Hanna (Wyoming) (Stephens, et al., 1985a), Hoe Creek, Wyoming (Stephens, et al., 1981) és Chinchilla, Ausztrália (Blinderman and Jones, 2002; Walker, et al., 2001).
3.1. ábra. Az UCG tesztelések eloszlása a világon, beleértve a szövegben említett, és néhány bejelentett, tervezett projektet. Az alaptérkép a geológiai széndioxid-tárolás (GCS) potenciális helyszíneit mutatja (Bradshaw & Dance, 2005 után módosítva) Wilhelm Siemenst, egy német tudóst, tartják a felszín alatti szénelgázosítás els javaslójának 1868-ban. Gyakorlatilag ezzel egyid ben Oroszországban Dmitrij Mengyelejev felvetette a
spontán felszín alatti égés ellen rzését és irányítását, beleértve a betápláló és termel kutak ötletét is (Olness és Gregg, 1977). Az els szabadalom a felszínalatti szénelgázosítást illet en egy amerikaihoz kapcsolódik (A.G. Betts), melyet 1909-ben adtak ki Nagy-Britanniában (3.2. ábra). A következ néhány évben Sir William Ramsey támogatta és továbbfejlesztette Betts ötletét, amely az els földalatti kísérlethez vezetett. A projekt anyagi támogatást is kapott, de sosem valósult meg Ramsey halála és az els világháború kitörése miatt. Ramsey beszédei irányították Lenin figyelmét a felszínalatti szénelgázosítás lehet ségeire 1913-ban, miközben Zürichben volt szám zetésben. 1913 májusában a Pravda lapjain egy cikkben hívta fel a figyelmet a technika el nyeire egy szocialista társadalom számára, hiszen ez megoldotta volna a nehéz földalatti munka problémáját. Sztálin volt a korai szovjet program bajnoka, mely 1928-ban kezd dött és magas fordulazszámon folytatódott a következ 50 évben is, számos gazdasági célú üzemet létrehozva. 21. A szovjet er feszítések messze felülmúlták a többi nemzet közös er feszítéseit is. Az USA az 1960-as években kezdte meg kísérleteit, melyek 1980-as évek közepén szakadtak félbe. Kínában a kutatás 1980 körül kezd dött és jelenleg is folyik, míg Ausztráliában Új-Zélandon és Európában az 1990-es évek óta zajlanak a kutatások.
3.2. ábra. Betts szabadalmának részletei, beleértve a leveg , és ha szükséges, g z befecskendezését a betáplálócs be a pumpáló telepr l, a széntelep in situ elgázosítására, és egy gy jt csövet, mely a termel dött gázt közvetlenül betáplálja az er m be (Olness és Gregg, 1977)
3.1 Az 1960-1999 közötti id szak tapasztalatai Ebben a periódusban az USA-ban és máshol folytatott kutatások az UCG széles kereskedelmi alkalmazásának ígéretét vetítették el re. Az UCG alkalmazásának tapasztalatai világszerte különféle rétegvastagságokra és eltér rétegmélységre is kiterjedtek (3.3. ábra). Az Egyesült Államokban az UCG megvalósíthatóságát mind nagyobb területre kiterjed , mind hosszútávú, széleskör UCG kísérletek során bebizonyították (Thorsness és Britten, 1989). Ezen kísérleti üzemelések során sikerült elég adatot nyerni ahhoz, hogy kiderüljön, hogy a rétegtani, a települési viszonyokban, a szerkezet és a hidrogeológia kapcsolatában, a szén, k zet és a rétegvizek összetételében tapasztalható különbségek, illetve a begyújtási m veletek során alkalmazott eljárások hogyan befolyásolják a hatásmechanizmust, a folyamat irányíthatóságát, a szennyez anyagok eltávolítását, távoltartását az égéstérb l, és a gazdasági hatásokat, a környezet állapotát és az emberi egészséget. Az id k során a fúrási technika fejl désével az UCG m veletek mélysége is jelent sen n tt (3.4. ábra). Miként a 3.3. és 3.4. ábra is mutatja, különösen Európa járt élen a mély rétegekben alkalmazott UCG fejlesztésében. 22. a szénrétegek vastagsága (m)
A széntelepek mélysége (m) 3.3 ábra. UCG kutatások a szénrétegek vastagsága és mélysége szerint (Perkins után módosítva, publikálatlan).
mélység (m)
év 3.4. ábra. Az UCG kutatások a mélység és az id függvényében (Burton, et al., 2004). 23 3.1. táblázat. Nemzetközi UCG projektek a SZU és az USA nélkül dátum
helyszín
19821985
Thulin Belgium
19831984
Kezdetben Bruay (Artois), kés bb La Haute Deule (Fra.)
19921999
Teruel (Spa., El Tremadal)
id tartalom kút- Elgázosított Rendszer táplálógáz széntelep megjegyzések, referencia köz szén (t) nyomás mélysége felügyeleti (m) (m) szerv 12 35 4 30000N2, O2, 860 Institut pour le Chandelle, V, 1986, Overview 80000 CO2 Development About Thulin Field Test, Proceedings of the Twelfth de la Gazeification Annual Underground Coal Gasification Symposium, Souterraine, DOE/FE/60922-H1.
Belgium
1980-tól Kína, 16 napjainkig projekt*
1990-
Chinchilla, Queensland Ausztrália
1994
Huntley, Új-Zéland
75
60
0,3, majd 1,5
45000
N2, O2, CO2
880
550
Groupe d'Etude de la Gazeification Souterraine, France A termel kút eldugult a kátránytól és a szilárd részecskékt l, véget vetve a kísérletnek Spa., Anglia, az EU támogatásával, CRIP használatával A Pekingi Bányászat és Technológiai Egyetem UCG központja
Gadelle, C., et al., 1985, Status of French UCG Field Test at La Haute Deule, Proceedings of the Eleventh Annual Underground Coal Gasification Symposium, DOE/METC-85/6028 (DE85013720).
www.coalucg. com/currentdevelopments2. html www.coalucg. com/currentdevelopments2. html
www.coalucg. com/currentdevelopments2. html USA technikai www.coalucg. segítséggel com/currentdevelopments2. html
*A munkák során elhagyott bányák táróit használták fel. Két függ leges fúrást mélyítettek (termel kút, betáplálókút) és váltakozva, oxigén és g z befúvásával hidrogént termeltek.
3.2. táblázat Az eddigi szovjet UCG kísérletek dátum
helyszín
1959-1976
Satszk, Moszkvaimedence (Satszkaja UCG-1) Tula, Moszkvaimedence (Podmoszkovn aja UCG-1) Moszkvaimedence (Podmoszkovn aja UCG-2)
1941-1946
1946-1963
1977-ben leáll
1955-t l napjainkig
id ta kút (m) rtalo m 17 25-30
gáz (millió m3/év)
262030
5
rendszer nyomás (KPa) 150
széntelep vastagsága (m) 2-4, átlag 2
30
17
1647800 (1950-1960)
Donyecszénmednce (Liszicsanszk)
Szibéria (JuzsnoAbinszk) Angren, Taskent, Üzbegisztán
elgázosított szén (t)
460
831604 (1950-1960)
50
17-40
1735112
25
1040060
156
24
250
széntelep mélysége (m) 30-60, átlag 40
megjegyzések, felügyeleti szerv Vízszintes rétegek
referencia 1
A második 2 fázis jelentéktelen Vízszintes rétegek Az 1 fázis K+F 2 során 110 fúrás mélyült 61 összekötéssel (1588 m), ellenáramú égetés, 1963ban bezárva, részben a széntelep kimerülése miatt, a termelés csúcsa 2 milliárd m3/év volt =0,85 mó tonna Meredeken 3 alábukó, d l rétegek, leállítva 1964-ben a széntelepek kimerülése miatt Meredek 3 d lés rétegek Vízszintes rétegek, Ma is üzemel
3.3. táblázat. Az USA által elindított kísérleti üzemek dátumok
helyszín
id tartam
kút (m)
elgá- rendszer zosít nyomás ott (KPa) szén (t)
air = leveg , steam = g z, unknown = ismeretlen
tápláló gáz
szén telep mély ség (m)
kivitelez /felü- referencia gyelet
31
3.1.1 Az USA kísérletei Mint azt a 3.3. táblázat és a 3.5. ábra mutatja, 31 kísérlet zajlott le az USA területén belül 1973 és 1989 között. Ezek többsége a DOE elgázosító programja részeként valósult meg, jóllehet néhány esetben piaci szerepl k is támogatták (pl. ARCO-I). Minden egyes esetben a begyújtás sikeres, monitorozható és irányítható volt. Bár az egyes tesztek céljai különböz ek voltak, közös bennük, hogy mérnöki szempontú problémák megoldását célozták meg (pl. a szenek megnövelt permeabilitása, tesztelési módszerek, szintézisgázfejl dés energiaigénye). Tapasztalatai és a kinyerhet adatok miatt néhány kísérletet külön is meg kell említeni, ezek Hoe Creek (Wyoming) és Centralia (Washington), amelyeket kés bb részleteiben is tárgyalunk.
3.5. ábra. Az USA UCG projektjei. Több esetben egy-egy pont több tesztelést jelent. Szintén jelölik a széntüzelés er m veket (fekete pont) és a geológiai széndioxid-tárolásra alkalmas területeket (színezett régiók) (Bradshaw & Dance, 2005 után)
3.1.1.1 Hoe Creek, Wyoming 1976-1979 között a Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) 3 UCG tesztet végzett a Hoe Creeknél, Campbell megyében, Wyomingban, kb. 20 mérföldre délre Gillette-t l (Stephens, 1981). A 3.6. ábra a terület rétegtanát mutatja be. A Channel Homok Tagozat és a két szénréteg, a
Felix No. 1 és a Felix No. 2, alkotja a 3 vízadó réteget a területen és a a Felix No. 2 széntelep volt az elgázosítás célpontja. 32 1976-1979 között az LLNL három UCG kísérletet végzett a Hoe Creek-telepnél, mely Gilette-t l kb. 25 mérföldre délre található (Thorsness, 1982). A telep rétegtana fúrásmagokból, lyukgeofizikai vizsgálatokból (karottázs) volt ismert. Ez a kísérletsorozat egyedi az USA kísérletei közül, mert 3 különböz módszert kapcsoltak össze: a robbantásos törést, a fordított (ellenáramú) égetést és az irányított fúrást (explosive fracture, reverse combustion, directional drilling). Mind a három kísérlet során leveg t injektáltak be, illetve a második kísérlet két napja, s a harmadik kísérletsorozat nagy része során g z/oxigén keveréket fecskendeztek be. A kísérlet utáni vizsgálat kimutatta, hogy az összekapcsoló eljárás (linking method) nem befolyásolta a gáz min ségét, amely inkább attól függött, hogy leveg t vagy oxigént használtak, de nem függött a többi paramétert l.
3.6. ábra. Hoe Creek retegsora (Covell és Thomas, 1996) A teszt a Felix No. 1 rétegben történt Gillette közelében, a Wasatch Formáció eocén szenében (3.6. ábra). Ez a réteg a legvastagabb és a legösszefügg bb a formáció szenei között, a Powder River medence klasszikus, szub-bitumenes szene (Qualheim, 1977). A szén közé lencseszer en
durva-és finomszem homokkövek ékel dnek, melyek fluviális közegben rakódtak le. Hirtelen vastagság-ingadozások vannak az egységen belül Hoe Creek felett, amelyet a tesztelés el tti vizsgálatok is felismertek, különösen a No. 2. telepen. Hoe Creek kiválasztását mind a praktikusság (a helyszín szövetségi tulajdon volt, a Bureau of Land Management, Földhasználati Hivatal kezelésében), mind technikai meggondolások (a telep a Powder River medence tipikus üledékeit reprezentálta, 30 m vastag szénréteggel 300 m mélyen) indokolták. 33 Mindhárom Hoe Creek-i kísérletet széles kör eszköztár, eszközhasználat jellemezte. A Hoe Creeknél használt technika három kategóriába sorolható: folyamat/eljárás, üregképzési és geotechnikai. Minden fontos változót folyamatosan mértek és monitoroztak. A betáplálási és termelési áramlást is monitorozták „orifice plates” (?) és nyomásmér k (pressure transducers) használatával, s a nyomást a betáplálási és termel kútban is mérték. A betáplált gázkeverék összetev it, a leveg t és oxigént is külön-külön mérték. A termel dött gáz egy részét megtisztították és leh tötték, s a csapdákban kátrány és víz maradt. A csapdák periodikus mérése megadta a termelt gáz átlagos kátrány- és víztartalmát. Minden egyes kísérletben a CO2, CO, H2, CH4 és más szénhidrogének koncentrációját kromatográfiával, tömegspektrométerrel és infravörös abszorpciós készülékkel mérték meg. Számos m szert használtak az égési, elgázosítási üreg növekedésének megmérésére. A termoelem (thermocouple) az égési front áthaladását jelezte a különböz helyeken a mér kutakban. A nagyfrekvenciás elektromágneses abszorpciós technikát a két utolsó kísérletnél használták az üreg növekedési ütemének mérésére. Az égés utáni magmintavétel az üregek kiterjedését mutatta és lehet vé tette a felszín alatti anyagok átalakulásának megértését. Nyomjelz ket is injektáltak a felszín alá, megmérend az üregek térfogatát, a tartózkodási id t és a felszínalatti rendszerben lév anyagok diszperzitását. Sok geotechnikai m szert is használtak, a földmozgások megfigyelésére, mind a felszínen, mind a föld alatt. A d lés/süllyedésmér k (tiltmeter) és geodéziai eszközök alkalmasnak bizonyultak a felszínsüllyedés mérésére. A fed felszín alatti mozgásának vizsgálatára kutakat képeztek ki tágulásmér ket (extensometer) felszerelve bennük. Ezzel ellentétben a felszín alatti piezométerek, fúrólyuk-elhajlásmér k, nyíródásmér
szalagok (shear-strips) csak korlátozottan voltak
használhatók. Az egyik f oka annak, hogy ez az UCG kísérlet a rétegvízszint alatt történt, az volt, hogy így az irányíthatatlan, ellen rizetlen égést egyszer en az injektálás megszüntetésével is le lehet állítani. Sajnálatos módon jelent s mennyiség szerves kontamináns képz dött és jutott be a rétegvízbe a tesztelés során és a tisztítás több évet vett igénybe (lásd részletesen az 5. fejezetet). A három tesztet Hoe Creek I, II és III-nak nevezték el. A kísérletsorozat egyik legf bb célja az volt, hogy kiértékelje a különféle permeabilitás-növel technikákat, amelyek alkalmasak lehetnek
a betáplálókút és a termel kút összekapcsolására. A robbantásos törést a Hoe Creek I-nél használták és a kísérlet 11 napig tartott a leveg befújásával együtt (Stephens, 1981). A teszt során kb. a gáz 7%-a veszett el. Fordított (ellenáramú) égetést (reverse combustion) alkalmaztak Hoe Creek II-nél (Stephens, 1981). Az elgázosítás itt 43 napig tartott. A gáz min ségét jelent sen csökkentette a vízbetörésb l származó hozzákeveredés. A vízbetörés csökkentésére megnövelt üzemi nyomást alkalmaztak, de ez jelent s, 20%-os gázveszteséghez vezetett. A veszteség zöme vélhet en az égéskamra összeomlásakor keletkezett, a fels Felix No. 1. réteget feltárva, mely alacsonyabb hidrosztatikai nyomás alatt volt. Hoe Creek III során a horizontális fúrást fordított (ellenáramú) égetéssel kombinálták (Aiman, et al., 1980). Az égési zóna a fels szénrétegbe tev dött át, és jelent s gázveszteség volt megfigyelhet a kísérlet során (17%). A süllyedés mind a Hoe Creek I-nél, mind a Hoe Creek II-nél felharapózott a felszínig. 34
3.7. ábra. Az UCG folyamata az égéstér keresztszelvényében (Stephens, 1981) és hosszanti szelvény, mely a folyékony pirolizált szénmaradványok terjedését és kondenzációját mutatja (Covell és Thomas, 1996) Az aktív elgázosítási folyamat mérgez
könnyenillókat és szerves semi-VOC vegyületeket
juttatott a Hoe Creek vízadó rétegeibe, különösen, amikor az égési zónában túlnyomást hoztak létre, megakadályozandó a vízbetörést. De az állandó talaj- és rétegvíz min ségi problémák els sorban a nem-vizes fázisú folyékony (NAPL) kontaminánsok migrációjának eredményei, amelyek az elgázosítás melléktermékeinek maradékai, amelyek a szén pirolízises lebomlása során jöttek létre (viszkózus kátrányok, VOC) (3.7. ábra; Wang et al., 1982b; Covell és Thomas, 1996).
A problémákat csak súlyosbította az üreg fed jének süllyedése és összeomlása, amely a hidrosztratigráfiai horizontok összekapcsolódását és mindhárom lokális vízadó réteg elszennyez dését eredményezte. Hoe Creek számos technológiai tesztre és fejlesztésre jó lehet séget nyújtott (Stephens, 1981). Ide tartozik a CRIP-gyújtási elgondolás bizonyítéka (részletesen lásd 4. fejezet), és a felszínsüllyedési modellek meger sítése, érvényessége (Trent és Langland 1981), az els oxigén/g z injektálásos elgázosítási kísérlet (Stephens, et al., 1985a), és néhány korai szimuláció érvényessége (Thorsness és Creighton, 1982; Thorsness, 1985; 1986a; 1986b; 1987). A telep m szerezettsége szintén említést érdemel s r sége, sokfélesége és a nyomjelz k alkalmazása miatt. (Thorsness és Creighton, 1982). Talán, ironikusan, a rétegvíz-szennyezés potenciális veszélyének felismerésének is ez az els példája az USÁ-ban (Raber és Stone, 1980), miel tt magát a szennyezés tényét felismerték volna a helyszínen. Talán érdemes megjegyezni, hogy a kés bbi telephely-min sítések Hoe Creeket a magas környezeti kockázati tényez vel jellemzhet kategóriába sorolták (5. fejezet). 35
3.1.1.2 WIDCO bánya (Tono-medence), Centralia, Washington 1981 és 1982 között egy kísérletsorozatot, mely nagytömbös kísérletként is ismert, végeztek Centralia közelében, Washington államban a Washington Irrigation and Development Company (WIDCO) szénbányájában (Hill és Thorsness, 1983; Hill, et al., 1983). Ezeket még két teszt követte: egy telep részleges CRIP (Cena, et al., 1984), és egy teljes telep CRIP-módszerrel történ begyújtása (Hill, et al., 1984). A kísérleteket támogatta a DOE, a Gas Research Institute (mai Gas Technology Institute), a Washington Power Company és a Pacific Power & Light; a kísérletek a Lawrence Livermore National Laboratory, a Sandia National Laboratory és a Radian Corporation irányításával és részvételével zajlottak. A kísérletek egy szálban feltárt szénfront mentén zajlottak (3.8. ábra). A szén az eocén Skookumchuck Formáció szub-bitumenes szene, jelent s (14%-os) hamutartalommal. A terület domborzati adottságai könnyebbé tették a hozzáférést és a széles kör monitoringot, amely az esetek nagy részében a kutakban h érzékel k/termoelemek (thermocouple) formájában valósult meg. Ráadásul az UCG reaktorzónáját (égésterét) a tesztek után rövidesen letermelték, ami lehet vé tetta a direkt vizsgálatot és kiértékelést. Ez lehet vé tette a kutatók számára az égési üreg növekedési mechanizmusának jobb megértését, és hogyan befolyásolja ezt a telep geológiai adottsága és lehet vé tette a CRIP technológia tesztelését (lásd a 4. fejezetet részletesen).
3.8. ábra. A nagy blokkos kísérlet vázlatos átnézeti képe 36
3.9. ábra. A tényleges és a becsült üregalak különbsége a betáplálókútra mer leges síkban, a PSC CRIP üreg betáplálási pontjánál (Britten, 1986, 1987; Britten és Thorsness, 1988). A nagytömbös kísérlet elég rövid ideig tartott (4 nap). Nem úgy, mint Hoe Creek esetében, itt szilángázt (SiO4) használtak propánnal együtt a rétegek begyújtására és a horizontális véd burok kialakítására, hogy a lyukb vülést, hátrálást szabályozzák A részleges CRIP teszt 30 napig tartott
és 20-30-szoros szénmennyiséget használt fel, míg a teljes réteget érint teszt további ötször annyit. A kísérletek során változtatták a g z/oxigén arányt, illetve a teljes áramoltatás sebességét. Talán meglep , de ezen tényez k változtatása nem befolyásolta jelent sen a szintézisgáz min ségét és folyamatosságát (Hill et al., 1984). E kísérletek konklúziója az volt, hogy az égéstér (reaktorzóna) önstabilizásó és a befúvás aránya és az oxigén/g z arány nem befolyásolja a gáz min ségét. Az égési zóna utólagos kitermelése lehet vé tette mind a modellek érvényességének, mind a kiégett zóna és a képz dött anyagok közvetlen vizsgálatát. Az UCG üreget f ként kiszáradt szénb l, faszénb l, hamuból és h
hatására átalakult szénb l álló k zettörmelék töltötte ki.
Néhány esetben a horizontális kapcsolókutak kiképzésének nyomait is megtalálták, amely ismét modellezési lehet séget biztosított, illetve a korlátok meghatározását tette lehet vé. A WIDCO bányatelep lehet séget nyújtott számos fontos technológiai tesztre és fejlesztésre. Ezek közé tartozik a teljesen kifejlesztett CRIP technológia els
próbája, a nagy
h érzékel /termoelem s r ség (Hill és Thorsness 1983), a tellúrmágneses monitoring program (Hill, et al., 1984), és az üregfejl dési és el rejelzési modellek megbízhatóságának vizsgálata (3.9. ábra; Cena, et al., 1987; Britten és Thorsness, 1988). Ráadásul kísérletet tettek a gázmin ség és folyamatosság javítására a fúrások elhelyezkedésének és kivitelezésének megváltoztatásával, beleértve a hosszú, ferde fúrású kutakat. 37
3.1.2 Az európai UCG kísérletek (1982-1999) Nyugat-Európában is számos UCG tesztet hajtottak végre. Az egyik legkorábbi ezek közük a
Thulini (Belgium) (Chandelle, 1986; Kurth, et al., 1986). A teszt célja az volt, hogy megoldják a kutak összekapcsolását mélyen fekv szénrétegek fordított, ellenáramú égetésével. A kísérletek 1982-1984 között zajlottak. A Thulin-projektet speciális fúrási technológiák sikeres alkalmazása jellemezte, a kutak összakapcsolásának elérése érdekében. CRIP eljárást is használtak az egyik teszt során, és bizonyították az injekciós pont visszahúzásának hatékonyságát. Speciális korrózióálló ötvözeteket használtak a kútkiképzés során. UCG kísérleteket Franciaországban is végeztek 1983-1984 között, eredetileg Bruay en Artois-ban, majd La Haute Deule területén (Gadelle, et al., 1985). E tesztek célja az volt, hogy jobban megértsék a szén reakcióképességét és a kutak közti kapcsolatok hidraulikus jellemz it. A tesztek során a m ködési feltételeket úgy határozták meg a fordított/ellenáramú égetés során, hogy az öngyulladás kockázata minimális legyen. A kísérleteket leállították, mikor a termel kutat eltömte a kátrány és a szilárd részecskék. Az UCG európai munkacsoportja 1989-ben azt javasolta, hogy indítsanak be egy kísérletsorozatot az UCG megvalósíthatóságára és gazdasági hasznosíthatóságának kiértékelésére
az Európában jellemz vékonyabb és mélyebb szénrétegek esetében. A kísérletsorozatot 500 m mélységben kezdenék, hogy a korábban kifejlesztett technológia megvalósíthatóságát e mélységben is tesztelhessék, s ha ez sikeres, ezt követnék az 1000 méteres mélységben lezajló UCG tesztek, s a termelt gázból el állított elektromos áram termelésének kiértékelése. Az els javaslatot a spanyol kísérletsorozatban (1992-1999) valósították meg. A kísérleteket a spanyol, belga és a brit állam kivitelezte az Európai Tanács támogatásával. A megfelel helyszín El Tremedal volt, Teruel tartományban, ÉK-Spanyolországban, amelyre a választás geológiai alkalmassága, a széntelepek mélysége (550 m) és a rendelkezésre álló fúrásadatok nagy száma miatt esett. (Pirard, 2000, Creedy, 2001). A célkit zés az irányított telepbeni fúrás (in-seam drilling) tesztelése volt, a megfelel kútelrendezés létrehozása érdekében, és hogy megvizsgálják az 500 méternél mélyebb elgázosítás megvalósíthatóságát. A kísérletekben CRIP eljárást alkalmazták. A spanyol projekt sikeres volt, jóllehet csak rövid ideig m ködött. Bebizonyította az elgázosítás lehet ségét a mélyebb rétegekben, az irányított fúrás lehet ségét injektálási/betáplálási és gyújtási pont el nyeit.
a
kútkialakításban,
és
kontrollálható
38 A fúrási és m ködtetési tapasztalatok számos hasznos leckét adtak a jöv beni kutatások számára a felszín alatti összetev k részletes mérnöki tervezését, a telepek geológiai alkalmasságát, kiválasztását, a telepbeni fúrás kontrollálhatóságát illet en. A spanyol projekt során azonosított problémákat viszonylag könny volt megoldani. Például akkoriban a maximális telepbeni fúrás hosszúsága nem múlta felül az 50 métert. Az akkori felszereléssel problémás volt a fúrófej irányítása, és ezt a nem megfelel , kedvez tlen rétegösszlet, és a fúrást végz k szénbányászathoz kapcsolódó csekély tapasztalatának rovására írták (U.K. Department of Trade and Industry, 2004). A jelenlegi technikai szinten és a világszerte felhalmozódott tapasztalatnak köszönhet en egy újabb kísérletsorozat, amely a fenntartható csatornás elgázosításon alapul (sustained channel gasification), megfelel technikai alapokat jelentene a gazdasági célú üzemeléshez, és az UCG folyamatának részletes gazdasági felméréséhez. Zömmel a spanyol projekt eredményeinek köszönhet en a Department of Trade & Industry Technology (DTI, Kereskedelmi és Ipartechnológiai Minisztérium) Nagy-Britanniában az UCG-t a jöv egyik f potenciális technológiájaként értékelte az Egyesült Királyság jelent s szénmez inek kiaknázása szempontjából. A technológiai célokat az UCG fejlesztését illet en a következ képpen fogalmazták meg (U.K. Department of Trade and Industry, 1999): • Az telepbeni fúrás pontosságának növelése; • Az UCG gáz gázturbinában való felhasználásának vizsgálata; • A szárazföldi széntartalékok felbecslése, melyek alkalmasak az UCG-vel való hasznosításra;
• Egy fél-gazdasági célú UCG-projekt helyszínének meghatározása; • UCG paraméterek azonosítása, amelyek versenyképesek az Északi-tengeren folyó gáztermelés költségeivel; • Egy megvalósíthatósági el tanulmány készítése az UCG alkalmazását illet en az Északi-tenger partvidékén (selfjén). Egy el zetes megvalósíthatósági tanulmány már elkészült 2000 januárjára a DTI és a Szénügyi Szakhatóság (Coal Authority) által, és megkezd dött a helyszín kiválasztása is az Egyesült Királyságban a fúrás és az elgázosítás kipróbálására. A részletes terv az UCG geológiai és hidrogeológiai igényeinek figyelembevételével készült. Elkészült a megfelel helyek kiértékelése és a törvényi keretek lefektetése, melyek lehet vé teszik egy UCG-tervezet megvalósítását a tenger alatt. A munka hangsúlyozza a környezetvédelmi meggondolások növekv
jelent ségét, és a
teszthelyszín jóváhagyása el tt átfogó vizsgálatok kezd dnek e célból. Emellett a terepi kutatásokon túl papíron is megvalósíthatósági tanulmányok készülnek az Egyesült Királyság potenciális szénkészleteir l és az UCG technológiájáról.
3.1.3 Kínai Népköztársaság (1980-tól napjainkig) Kína rendelkezik a legnagyobb jelenleg is m köd
UCG programmal, s már eddig is 16
próbaüzemet végeztek vagy végeznek az 1980-as évek végét l. Ezek közé tartozik a Xinhe #2 bányateszt, egy ipari kísérlet a Liuzhuang bányában Tangshanban, a XinWen tesztje Suncunban, Shangdongban, és a Caozhuang bánya Feichengben. A munkák során szénbányák elhagyott tárnáit használják a gázosításra. Függ leges fúrólyukakat mélyítenek a tárnába, amelyek betápláló- és termel kútként m ködnek. Váltakozva leveg
és g z keverékét beinjektálva
hidrogént állítanak el . 39 Köszönhet en a kormányzat ösztönzésének, hogy diverzifikálja a szénhasznosítást, számos cég használ (vagy vette tervbe) UCG szintézisgázt. A XinWen bányásztársaság Shangdong tartományban hat reaktorral rendelkezik, ahol szintézisgázt használ f zésre és f tésre (Creedy és Garner, 2004). Egy Shanxi tartományban futó projekt UCG gázt használ ammónia és hidrogén el állítására. Kis mennyiségú áram el állítását szolgáló, átalakított szenet hasznosító bojlerek és gázturbinák használatát szintén fontolgatják, miként egy 350 MW-os áramtermel
er m ét.
Végül, a XinAo társaság bejelentette, hogy tervezi egy folyékony üzemanyagot el állító létesítmény beindítását, mely UCG alapon m ködne, s feltételezhet en metanolt és DME-t állítana el . A pekingi Kínai Bányászati és Technológiai Egyetem UCG Centruma szintén teszteli
az UCG-t az elhagyott bányákban. Az UCG technikai központját a Pekingi Egyetemen hozták létre és folyamatos a technikát érint információcsere az Egyesült Királysággal. Az itt folyó munka mind a laboratóriumi, mind a számítási m veleteket érinti, beleértve egy túlnyomásos (autokláv) készüléket, hogy nagy nyomáson és h mérsékleten, mélyen betemetett szénrétegekben (large packed beds) végezzenek kísérleteket.
3.1.4 Ausztrália (1990-es évekt l máig) A CSIRO megvalósíthatósági tanulmányokat végez az UCG-t illet en és jelenleg üregfejl dési modelleket értékelnek a Sydney Egyetemmel közösen. A CSIRO szintén vizsgálja az UCG folymatát és energiaigényét és termelését.
3.1.4.1 A Chinchilla Projekt A Chinchilla projekt (Blinderman és Jones, 2002), Chinchilla területén (350 km-re nyugatra Brisbane-t l), Queenslandben 1997 és 2003 között m ködött, s máig a legnagyobb projekt a nyugati világban. Az Ergo Exergy Technologies Inc, Canada (Ergo Exergy) biztosította az UCG technológiát az ausztrál Linc Energy, Ltd. fejlesztési társasággal kötött megállapodása értelmében. Az Ergo Exergy tervezte és m ködtette az er m vet Chinchillában. A projekt hosszútávú célja áram- és folyékony üzemanyag termelése volt, melynek során gázból folyadékot állítottak el
a Fischer-Tropsch szintézis segítségével. A 3.10. ábra a rendszer
egyszer sített elvi m ködését mutatja. A feldolgozóüzem feladata, hogy kondícionálja a gázt a gázturbina szigorú követelményeinek megfelel en. A kútnál képz dött nyers gázt leh tötték, hogy a folyadékot szeparálják bel le, amit kés bb feldolgoznak és el készítik akár az eladásra, akár a hulladékként való elhelyezésre. A gázt aztán megtisztítják gyertyasz r kön (sintered metal candle filters). Mivel a sz r k száraz gázt igényelnek a normális m ködéshez, a gázt itt ismét felhevítik a harmatpont fölé, miel tt a sz r kre engednék. A helyszínen teszteltek egy kísérleti tisztítóm vet, a teljes folyamat feltételeihez hasonló körülményeket el állítva. 40 A gázturbina számára szükséges gáznyomás el állításához egy kompresszorra van szükség. A gázáramból leválasztott vizet használják a nyers gáz h tésére egy h cserél ben, és leveg ére, amit a légkompresszorok köztes h t iben használnak. Víz szükséges szintén a g z-ciklus m ködtetéséhez, miután a g zturbinát üzembe helyezték. Mint azt Blinderman (2003b) leszögezte, a gázkompresszorra csak Chinchilla sajátos adottságai miatt van szükség, a fed vastagsága és permeabilitása miatt. Mélyebben fekv szén vagy kevésbé permeábilis fed k zet
esetén az elgázosítás sokkal magasabb nyomáson is m ködhet, így a gázt közvetlenül a gázturbinába lehet betáplálni elkerülve a további kompressziót. A 3.6. ábra egy 70 MW-os IGCC er m t példáz. A Chinchilla projekt is hasonló méret er m vet célzott meg, azért, hogy megkísérelje a t kebefektetés minimalizálását, és hogy megfelel termékmennyiséget biztosítson ahhoz, hogy vonzó gazdasági perspektívát és megtérülést jelentsen az üzem. Az IGCC fejlesztések célja Chinchilla területén az er m teljesítményének növelése a kezdeti mérett l, a piacon való megjelenés, a gazdasági szereplés számára vélhet en ideális 400 MW-ra. A projekt telephelyválasztása 1997 novemberében kezd dött. 1999 decemberére az építkezés befejez dött, a gáztermelés december 26-án megkezd dött. A teszteket 2003 áprilisára befejezték, ezt követ en a terveknek megfelel en leállították a rendszert.
3.10. ábra. A Chinchilla Projekt elvi vázlata (Blinderman, 2003b) 41
3.11. ábra. A gáztermelés története Chinchillánál (Blinderman, 2003) A tesztek során 9 kutat fúrtak, melyek egy 140 m mélyen fekv , 10 m vastag széntelepb l szolgáltattak szintézisgázt 80,000Nm3/h teljesítménnyel, ami 70 MWe-val egyenérték . 35 000 tonna szenet vontak ki, 80 000 000 Nm3 gázt állítottak el , 5.0 MJ/Nm3 LHV f t értékkel 300 °C h mérsékleten 10 barg (11 bar; 145 psig 1 Pa=6895 psig) nyomáson. A 3.11. ábra a chinchillai gáztermelés történetét mutatja be. A projekt jelenlegi állapotában egy gázturbina és egy gáztisztító létesítésére készen áll, de a Linc Energy, Ltd. nemrégiben bejelentette, hogy egy nagy, szenet folyadékká átalakító telepet akar létrehozni a Syntroleum Corporation-nel együttm ködésben.
3.1.5 Japán Japán, melynek jelent s szén érdekeltségei vannak határain túl, miként a kontinentális selfen is, jöv beli kutatási terveiben szintén szerepelteti az UCG alkalmazását szénkitermelés céljából, és régóta, alacsony szinten futtatja kutatási programját. Gazdasági és technológiai-kivitelezési tanulmányok születtek és jelentések szerint egy Japán finanszírozta kísérlet, feltételezhet en a tengerentúlon, indul be hamarosan. A Tokiói Egyetem gazdaságossági és technikai szempontból vizsgálja az UCG-t és szoros kapcsolatokat tart a NEDO-val. A japán úgy tekintenek az UCG-re mint egy jöv beni exportlehet ségre. 42
3.1.6 A volt Szovjetunió
A volt Szovjetunió volt az els állam, mely nemzeti programként indította el az UCG kutatását és fejlesztését. 1928-ra megszervezték a nemzeti programot, s 1933-ban megkezd dtek a
felszínalatti kutatások Krutova, Tula, Saktyi, Lenyinszk-Kuznyeck, Gorlovka és Liszicsanszk területén. A kísérleti programmal párhuzamosan, az elméleti kutatóprogramok és laboratóriumi kísérletek is beindultak. 3.4. táblázat. Angren termelési adatai 1962-1976 (Olness, 1982) ÉV Gáztermelés (106 m3) Üzemanyag (106 tonna) Als f t érték (Kcal/ m3) Elgázosított szén (106 tonna) Termelt gáz/kg szén (m3) Termelt gáz/m3 injektált robbanóanyag (m3) Gázveszteség (%) Kémiai hatékonyság LCV gáz/LCV elgázosított szén (%) Elektromosság (KWh/1000 m3) Összekapcsolás/év (1000 m3) Költség (rubel/1000 m3) ÉV Gáztermelés (106 m3) Üzemanyag (106 tonna) Als f t érték (Kcal/ m3) Elgázosított szén (106 tonna) Termelt gáz/kg szén (m3) Termelt gáz/m3 injektált robbanóanyag (m3) Gázveszteség (%) Kémiai hatékonyság LCV gáz/LCV elgázosított szén (%) Elektromosság (KWh/1000 m3) Összekapcsolás/év (1000 m3) Költség (rubel/1000 m3)
Ipari jelleg gáztermelés számos helyszínen és hosszú id n keresztül m ködött, a legfontosabbak ezek közül Angren, Sackaja, Kameny, Juzsno-Abinszk és Podmoszkovia. Az UCG aktivitás az 1960-as években volt a csúcson. Az angreni bánya még mindig UCG technikát alkalmaz, hogy el állítsa az angreni er m Adminsitration, 1997). 43
igényelte 18 milliárd köbláb gázt. (U.S. Energy Information
Angren termelési adatait a 3.4. táblázat tartalmazza. 1996-ig a volt SZU UCG telepei több mint 17 millió tonna szenet vontak ki (Blindermann, 2005). A szovjetek számos különféle tervvel próbálkoztak. Az els egy föld alá épített elgázosító kamra volt, mely munkásokat igényelt a föld alatt. Kés bb a mélyfúrásos technikát alkalmazták, ahol a fúrólyukakat felszín alatti irányított fúrással kötötték össze. Az 1950-es évek elejére a SZU sikeres UCG rendszert fejlesztett ki, melyet a Moszkva környéki horizontális, kis d lés rétegekben, és a szibériai meredek d lés rétegekben és a Donyec-medencében alkalmaztak (de Crombrugghe, 1959; Svjagincev, 1979; Stephens, 1980). A 3.5. táblázat a korai UCG projekteket foglalja össze. Ugyanazon eljárást használták minden esetben, csak eltér szögben. A szovjetek ismételten bebizonyították, hogy az UCG sikeresen alkalmazható a szénben az eltér geológiai adottságok, változatos és változó feltételek esetén is, melyek az égési zóna összeomlása és a szén égése során bekövetkeznek. (Gregg, et al., 1976). A szovjet UCG eljárás számos sajátossággal bírt: • A gázszivárgás minimalizálása: az UCG során a repedéseken keresztül távozó beinjektált és képz dött gáz mennyiségét minimalizálni kell. A szovjetek a lehet
legkisebb nyomással
dolgoztak és elérték, hogy a szénben lév permeabilitás magasabb legyen, mint bármely más, süllyedés során bekövetkez permeabilitás, amelyet a termel összekapcsolásával állítottak el az égetés megkezdése el tt (3.12. ábra);
és
betápláló
kút
• Nagy gázáramlási ráta alacsony nyomáson: a szovjetek általában 3000-10000 m3/óra áramlási sebességet biztosítottak, 2,5 atmoszféra nyomásnál nem nagyobb betáplálási nyomás mellett. A nagy áramlási ráta és a minimális elszivárgás fenntartása szintén magas permeabilitást igényelt a betápláló és a termel kút között; • A gázáram irányítása: az irányítás lehet vé teszi, hogy a gázáram a termel kút felé folyjon, lehet vé teszi a m velet megismétlését és optimalizálását. A szovjetek az áramlás irányát nagy permeabilitású összeköttetéssel érték el a széntelep alján. Ez érzéketlenné tette az UCG-t a szénben lév természetes permeabilitás-különbségekre. • Az égéstér számára kierjedt, nagy permeabilitású felületet biztosítottak. Ez zömmel egy törmelékzónát jelentett összeköt és mellékcsatornák nélkül, hogy a gáz-szilárd fázis hatékony reakcióját biztosítsák. A szovjet rendszerben az égésfront a szén alatt halad, s a szén így az üregbe már törmelékként hullik nagy fajlagos felülettel. A meredek d lés rétegekben a szenet alul gyújtották be, az üreg felfelé harapózott, miközben a szén az égéskamrába hullott törmelékként. (3.13. ábra); • Folyadékirányítás: a folyadékok a telep alján felgy lhetnek a gázáramlást és az égést a telep fels részére korlátozva. A szovjet módszer az összeköttetés kialakításával a telep alján még az
égetés el tt csökkentette ennek kockázatát. S mivel a csatornát forrón tartották a folyamat során, a víz és egyéb folyadékok és a pirolízis termékei gáz halmazállapotban maradtak; 44 3.5 táblázat: A szovjet UCG projektek jellemz i 1933-1965 között (Gregg, et al., 1976; Olness and Gregg, 1977) Indulási Szén medence telep év típusa
Donyec
Kuznyeck
Moszkvai
Taskent
Sakta
1933
antracit
Liszicsanszk
1933
bitumenes
Gorlovka
1935
Kamenyszk Lenyinszk
1960 1933
JuzsnoAbinszk
Podzemgaz 1955
Sztalinszk Krutova bánya Podmoszkovia állomás (Tula) Satszkaja Angren
1960 1932 1940 1960 1962
mélysége Rétegvastagság Energiatartalom Gázosítás (m) (Kcal/kg) jellemz i Ismeretlen, d lés 19-22 fok 24-138 m, d lés 20-60 fok
0,38
bitumenes
40-110 m, d lés 70 fok
1,9
bitumenes
28-30 m d lés 20 fok D lés 55-70 fok
4,85
Barnaszén/ lignit Barnaszén/ lignit
16-20 m, vízszintes 40-60 m vízszintes
2 2-4
2000-5000
700-900 kcal/m3 4,6x108 m3/év
barnaszén
110-250 m, vízszintes, 515 fok
4-24
3650
800-850 kcal/m3 1,4x109 m3/év (1965)
bitumenes
0,4-2,7
2-9
asin Site DevelopmenteCoal Type Depth Seam Thracteristics 46
600-1250 Kcal/m3
4500-5000
5000-6000
300-2200 kcal/m3 leveg és g z, 1,5x108 m3/év (1959) 900-1000 kcal/m3, (lég), 1400-2400 kcal/m3 (g z és O2) 900-2400 kcal/m3 1000kcal/m3 3,9x108 m3/év (1965) 989 kcal/m3
3.12. ábra. A szénelgázosítás befúvási-áramlási módszere meredeken d l szénrétegek esetében. Ez volt az els terv, amit a szovjetek ígéretesnek véltek. Er feszítéseik els éveiben
több módszert is kipróbáltak. Ezt az áramoltatási módszert (SM) el ször Licsanszkban, 1935-ben próbálták ki. Betápláló és termel kutakat fúrtak a széntelep mentén, majd a mélyben egy kihajtott aknával összekötötték ket. A tüzet az összeköt csatornában gyújtották, és fokozatosan terjedt tovább teljes hosszúságban. Az áramlás irányát id r l id re vissza kellett fordítani, hogy egy horizontális égési frontot hozzanak létre, mely fölfelé mozgott a rétegben. A rendszer kulcsmomentuma, hogy amint a szén elégett, még több szén esett az üregbe, automatikusan széntörmeléket eredményezve az égési zónában (Gregg et al., 1976). • Minimalizálták a vízadók kontaminációjának valószín ségét. A folyadékkezelési metódus ugyanis lehet vé tette a fenolok eltávolítását, amelyek így nem kondenzálódtak és nem szennyezték el a réteg- és talajvizet; • Maximalizálták a csövek/kutak térközét és élettartalmát: az UCG költségének egyik legjelent sebb részét a szénhez hozzáfér
csövek (access pipes) adják. Ideális esetben a
kútkiképzésnek, kútbélésének eltávolíthatónak kell lennie, hogy újrahasznosíthassák, a térköznek pedig optimálisnak kell lennie, hogy elgázosító lyukanként a maximális hozamot biztosítsa. A szovjet eljárás a kutakat nem a felszíni süllyedési zónába helyezte el, hogy a földmozgásoknak ellenálljon a konstrukció, így minimalizálta azok sérülését és a komolyabb kútkiképzési eszközök használatának szükségességét. A szovjetek vízpermetet használtak a termelt gázok h tésére, hogy a csövekre ható h stresszt és korróziót csökkentsék. A kutak összekapcsolására a felszín alatt éppen a lyukak közötti nagy távolság miatt volt szükség; • Kidolgozták a vastag és vékony rétegekre is alkalmazható ejárást. A szovjetek számára az elgázosítás során nem volt fels határ a rétegvastagságot illet en. Az is észrevették, hogy a 3–4 lábnál véknyabb szénrétegek esetében a gáz f t értéke túl alacsonnyá vált. Véknyabb rétegek esetében túl sok h adódott át a szomszédos k zetrétegeknek. 47 • Nincs ember a föld alatt: a korai szovjet és a brit tervezés során emberekre volt szükség a felszín alatt. Mindig volt esély arra, hogy a gázosítás mérgez termékei beszivárognak a munkazónába, ez tehát egy kulcsfontosságú megfontolás volt. • Olyan rendszert dolgoztak ki, mely alkalmas a többréteg telepek m velésére. A szovjetek bebizonyították, hogy a szekvenciális elgázosítás m ködik a többréteg telepek esetében, ha felülr l lefelé halad a gázosítás. • A folyamatos és szakaszos üzemelés rendszere is az
nevükhöz f z dik: a szovjet rendszer
folyamatosan halad keresztül a széntelepen, így olyan terméket állít el , mely kiszámítható, folytonos utánpótlást szolgáltat az alapjáratú áramtermeléshez . Azt is bizonyították, hogy az UCG égést le lehet állítani és be lehet indítani lehet vé téve a szakaszos áramtermelést; • Az id
során állandó a gázösszetétel: a szovjet rendszerben a termelt gáz összetétele és
f t értéke id ben nem változik, azáltal, hogy ellen rzik a betáplálási áram sebességét;
• Minimális érzékenység a szén duzzadására: a nagy méret csatornák nem töm dnek el a szén duzzadása esetén sem; • Minimális érzékenység a lángfront csatornázására: a szovjet módszer ösztönzi a lángfront csatornában tartását, de elkerüli a változásokat a gáz min ségében, mert a csatornák – részben más említett okok miatt - hosszúak. • A tervezés és m ködtetés egyszer sége: a szovjet technológia nagyon egyszer , csak a fúrólyuk-eloszláson alapul és nagy nyomású leveg befúvásán. Az UCG csúcson a 60-as években volt a Szovjetunióban. Ebbe beletartozik az üzbegisztáni Angren (Taskent). Az UCG Angrennél 1959-ben kezd dött és többé-kevésbé máig megszakítás nélkül folyik. A korai ambíciózus fejlesztési tervek ellenére, úgy t nik, a kezdeti kiábrádító eredmények és a vártnál alacsonyabb hozamok csökkentik a fejlesztési lehet ségeket (Stephens, 1980). Máig bizonytalan, mi okozta az UCG hanyatlását az 1970-es évek után. Sokak szerint a nagy kiterjedés földgázmez k felfedezése az országban elvonta a támogatást az UCG-t l, s az összeget arra fordították, hogy kiépítsék a gázvezetékeket és egyéb infrastruktúrát. Lehetséges, hogy az UCG gazdaságilag már nem volt versenyképes az új gáz enegiaforrással szemben. Az is lehet, hogy valami nem m ködött hatékonyan az orosz UCG technológiában és arra is van bizonyíték, hogy a szovjetek nem vettek figyelembe saját technikai szakért ik véleményét és nem modelleztek eleget, és hiányzott a diagnosztika is eszköztárukból. Oroszországban ma is van UCG-vel foglalkozó szakért gárda a Moszkvai Tudományegyetemen és az egyik eredeti, a szovjet érában elkezdett terv máig m ködik és termel.
3.1.7 Más országok Megvalósíthatósági tanulmányokat nemrégiben Új-Zélandon is készítettek és egy próbaégetés kezd dött Huntley-ben az USA tanácsai alapján. 48 Pakisztán és néhány kelet-európai ország, mint Románia és Ukrajna szintén érdekl dik az UCG iránt és a fejlesztések valószín leg már elkezd dtek.
3.13. ábra. Az ábra egy tipikus szovjet tervet mutat a vízszintes rétegek elgázosítására. A pontzott vonalak jelzik a szénben ellenáramú égetéssel kialakított felszín alatti összeköt csatornákat, mely az elgázosítás el készít lépése. A termelési fázis során konkurrens égetést (egyirányú) alkalmaznak a csatornában. A normál- és ellenáramú gázosítás az égési front haladási irányát jelenti a gázáramlás irányához képest (egyirányú, vagy szembenáramlás). (Gregg et al., 1976).
! A felszínalatti szénelgázosítás kémiája jól ismert. A 4.1. táblázat foglalja össze az elgázosítás folyamata során végbemen reakciókat. A legfontosabb reakció az elgázosítási reakció (1). Ennek során hidrogén és szénmonoxid tartalmú szintézisgáz képz dik. De, miként a táblázat is mutatja, a reakció endoterm, tehát küls h forrásra van szüksége, hogy nagyobb léptékben is végbemenjen. Ezt a két oxidációs reakció biztosítja (5, 6). A szén egy része tehát azért ég el, hogy az így nyert h táplálja az els reakciót. Emellett számos másodlagos reakció is végemegy, miként a metán keletkezése (3. és 4. reakció) és a Boudouard-reakció (7. reakció).
Többlethidrogén állítható el a szintézisgázból a 2. reakcióval, ahol a g z a szintézisgázban lév szénmonoxiddal reakcióba lépve hidrogént és széndioxidot képez. Reakció és h igény 1 Heterogén víz-gáz reakció (oxigéncsere) H = +118.5 kJ mol-1 2 További átalakítás H = -42.3 kJ mol-1 3 Metánképzés H = -206.0 kJ mol-1 4 Hidrogénes gázosítás H = -87.5 kJ mol-1 5 Részleges oxidáció H = -123.1 kJ mol-1 6 Oxidáció H = -406.0 kJ mol-1 7 Boudouard-reakció H = +159.9 kJ mol-1
Folyamat C + H2O = H2 + CO CO + H2O = H2 + CO2 CO + 3H2 = CH4 + H2O C + 2H2 = CH4 C + 1/2O2 = CO C + O2 = CO2 C + CO2 = 2CO
4.1. táblázat. A széngázosítás alapvet reakciói (Ruprecht, et al., 1988 után)
Reaction Enthalpy 4.1.1 Kútkiképzés és az áramlás irányának el segítése
Hogy lehet vé váljon az áramlás a betáplálókúton keresztül az égési zónába, majd a termel kútban, a két kút között, a szén in situ permeabilitását el segítend , kapcsolatot kell létesíteni. Ezt olyan eljárásokkal teszik, mint a fordított (ellenáramú) égetés, vizes bontás, irányított fúrás, elektromos összekapcsolás, vagy robbantásos törés (reversed combustion, hydrofracturing, directional drilling, electrical linking, explosive fracturing). A széntelep nagy távolságon keresztül történ égetését el lehet segíteni a telepbeni csatorna létesítésével, amelyet a szén begyújtása és az elgázosítási üreg képz dése el tt kell kiképezni. Számos módszer létezik a telepbeni csatorna létrehozására, mégpedig: 50 • fúrás egy feltáráson keresztül • ferde fúrás; • emberalkotta tárnák készítése; • irányított fúrás. Ezeket a módszereket számos kísérletnél és gazdasági célú projektben alkalmazták, de mostanáig nincs konszenzus abban, hogy melyik módszer a legmegbízhatóbb és költséghatékonyabb. Két
módszer, ahol az injektálási folyamathoz csatornakialakítás is társult a 4.1.2-es fejezetben részletesen bemutatásra kerül. A felszínalatti direkciós (irányított) fúrás technológiája számottev en fejl dött az 1990-es években a gáz- és olajipari fejlesztéseknek köszönhet en. Hasonló technikát használnak a szénrétegek gáztalanításához Ausztráliában, Dél-Afrikában és az Egyesült Államokban. Itt el ször m ködtek a telepbeni furatok pontosan, a kudarc esélye er sen csökkent. Ráadásul az elgázosítókutak létesítése a sokkal mélyebb, 1000 méternél is mélyebb szénrétegek esetében is lehet vé vált. A mélyebb szénrétegekhez való hozzáférés a környezeti szempontok, az égési üreg nagysága és a termelt energia szempontjából is kedvez bb, miképp a széndioxid elnyeletése szempontjából fontos szuperkritikus állapot fenntartásához is jobb feltételeket nyújt. Az UCG m ködtetéséhez szükséges feltételek közé tartozik a betáplálólókút megépítése és olyan anyagok alkalmazása, melyek ellenállnak az UCG-vel járó rendkívüli h hatásnak és mechanikai feszültségnek és egyéb tényez knek, mint a nagy nyomás, és h mérséklet (1500 Celsius fokig), szulfidációs és oxidációs reakciók és az üregbeszakadás vagy süllyedés. A kútkiképzés f leg szénszálas vagy igen er s rozsdamentes acél. A kutak cementezése a reakciótér felett történik, hogy lehet vé tegyék a leveg
irányított adagolását, és hogy megakadályozzák a gázok
kútfuraton keresztül való felszínre, vagy a fed rétegekbe történ távozását. Ha az UCG infrastruktúrát utólag CCS m ködtetésére használják, akkor a kútkiképzésnek a széndioxid okozta korróziónak is ellen kell állniuk. Az USA projektjei és a világ más részeinek kísérletei sem tartottak elég soká ahhoz, hogy a kutak mechanikus integritásvizsgálata (MIT) megtörténjen. A szovjet tapasztalatok a gazdasági célú hasznosítás során azt mutatják, hogy a betáplálókút élettartalma 2-4 év. A MIT szükséges az injektálás el tt, és amikor az anyagszámítások arra utalnak, hogy az injektált anyag egy része elt nik a kútkiképzés során. (U.S. Environmental Protection Agency, 1999).
4.1.2 Injektálási folyamatok (CRIP és UCG) 4.1.2.1 CRIP Az UCG eljárás során felmerül egyik legfontosabb meggondolás, hogy a termel kút és betáplálókút közötti összeköttetést biztosítani kell. Ha a szén permeabilitása nagy, akkor természetes formában is létezik ez a csatorna. Néha a széntelepben törések és repedések találhatók, amelyek szintén természetes csatornaként m ködnek. De számos esetben a szénnek alacsony a permeabilitása, ami szükségessé teszi a mesterséges kapcsolat létesítését a termel és betáplálókút között. 51
A ma rendelkezésre álló két lehet ség a CRIP (Continuous Retraction Injection Point = folyamatos visszahúzású injektálási pont) és az UCG, amelyet az Ergo Exergy használ. Húsz évvel ezel tt az LLNL kifejlesztette a CRIP módszert a felszín alatti szén hatékony elgázosításához. (Hill et al., 1983; Hill, 1986). A CRIP során a termel kutat függ legesen fúrják, a betáplálási kutat pedig a direkciós fúrástechnikák alkalmazásával képzik ki és összekötik a termel kúttal, mint azt a 4.1. ábra mutatja. Mihelyt a csatorna elkészült, az elgázosító üreg kiképzése is megkezd dik a betáplálókút végén a széntelep horizontális környezetében. Mihelyt a szén az üreg körül elfogyott, az injektálási pontot visszahúzzák, általában a béléscs , bélésanyag (liner) egy részének elégetésével, és egy új elgázosító üreg képz dése kezd dik meg. Ily módon a gázosítás folyamata ellen rizhet vé válik. A CRIP folyamat során visszahúzzák a kombinált g zés oxigéninjektáláson alapuló betáplálási pontot, hogy az égésfront helyét ellen rizzék. A szintézisgáz, melynek több mint harmada hidrogén volt a korai UCG kísérletek során (a maradék CO2, CO, CH4 és egyéb szénhidrogének) a felszínre kerül, ahol megtisztítják a szilárd részecskékt l, széndioxidtól, kénhidrogént l és ahol a szénmonoxidot és metánt és szénhidrogéneket még több hidrogénné alakítják.
4.1. ábra. A CRIP vázlatos folyamatmodellje
4.1.2.2 UCG Az UCG-t az Ergo Exergy alkalmazza, mely feltehet leg egy régi szovjet UCG technológiára épül. A módszer a természetes utak, rések hasznosításán, további b vítésén alapul, hogy, ha szükséges, összekösse a termel és betáplálókutat (Blinderman, 2005). Az UCG technológia
sikeresen szerepelt a Chinchilla projekt során Ausztráliában (3.1.4.1. fejezet), ahol becslések szerint 35 ezer tonna szénb l 80,000,000 Nm3 5MJ/Nm3 f t érték szintézisgázt fejlesztettek. 52 Az UCG technológia szintén szóba került a Powder River Basin UCG projekt során, és az Indiai Gázhatóság (Gas Authority India, Ltd. - GAIL) és az Ergo Exergy közös vállalkozása során. Sajnos, mivel az UCG védjegyzett eljárás, nem sokat publikáltak róla. Néhány kulcskérdés még marad, melyre választ várunk, hogy a begyújtás és betáplálás legjobb módszereit megalapozzuk, és hogy melyik milyen UCG feltétel esetén alkalmazható. Ezek közé tartozik: • Milyen kulcsfontosságú különbségek vannak a régi szovjet UCG, az UCG és a CRIP között? • Milyen módszereket használnak az UCG során, hogy megbízható kapcsolatot létesítsenek a betápláló és termel kút között? • Milyen a viszonya a CRIP-pel a reprodukálhatóság, megbízhatóság és költségek terén?
4.1.3 További megfontolások az eljárásokat illet en Ideális esetben a széntelep abban a régióban helyezkedik el, ahol hasznosítani akarjuk a szintézisgázt. Egy távoli helyszín esetén a gázt szállítható termékké kell alakítani (ilyen a metanol), vagy elektromosság termelésére kell fordítani, amely aztán a hálózat segítségével továbbítható. A folyamat paramétereit, mint a m ködési nyomás, kivezet h mérséklet és áramlási ráta, a szén és a környez k zetek tulajdonságai határozzák meg, melyek térben és id ben változnak (Blinderman and Jones, 2002; Walker, et al., 2001). A folyamat állapotát folyamatosan figyelni és az adatokat frissíteni kell, ahogy az elgázosítási folyamat el rehalad. A nyomásviszonyok változása a mélységgel azt jelzi, hogy a mélyebb széntelepek esetében nagyobb nyomásra van szükség, hogy a szomszédos zónákból a gázosítási zónába betör víz hatását ellensúlyozzák, a vízbetörést megakadályozzák. De a nyomás, mint eszköz használhatósága a vízbetörés megakadályozására az utóbbi evek során megkérd jelez dött (Stephens, et al., 1985b; 1985c). Az optimális nyomás megválasztása az UCG során inkább el segíti a vízbetörést az égési zónába, így a kémiai folyamatok m ködését az elgázosítási zóna közvetlen környékére korlátozva, megakadályozva a tágabb tér elszennyezését (Blinderman and Jones, 2002). Azonban míg a nyomás növekszik, ugyanígy növekszik a termelt gáz vesztesége is. Ha a szenet a mély telepben impermeábilis fed borítja, akkor egyensúly érhet el a nyomás és a gázveszteség között. De a mély telepek a fed és a szén nagy permeábilitása esetén problémásak lehetnek, mert az UCG folyamat m ködéséhez megkívánt nyomás túl nagy gázveszteséget eredményez. A nyomás szintén befolyásolja a kémiai folyamatok jellegét is. A kapcsolat a metántermelés és a nyomás között gyengének t nik (Stephens, et al., 1985b; 1985c).
Az ideális h mérséklet a felszínfeletti elgázosításhoz 1000 Celsius fok, de ez nem minden esetben érhet el az UCG során, els sorban a vízbetörés ellen rizhetetlensége és a reakciótérben lév gázok áramlási viszonyai miatt. Az elgázosítandó széntelep mélysége szintén fontos szelekciós tényez . A mélyebb rétegek irányított fúrástechnológiát igényelnek, melynek során a felszínen kezdett kutak elhajolnak és követik a széntelepet száz métereken keresztül, hogy kapcsolatot létesítsenek a betápláló és a termel kút között. 53 Ez magasabb fúrásköltségeket eredményez. Mélyebb rétegek esetén nagyobb injektálási és m ködési nyomásra van szükség, és ez megnöveli az utólagos kitermeléssel és vízkezeléssel történ kármentesítés költségét. Másfel l viszont a mélyebben fekv rétegek jóval ritkábban kapcsolódnak iható vízadó rétegekhez, így elkerülhet az ivóvízszennyezés. Ha a termelt gáz a turbinákban kerül hasznosításra, akkor a nyomástöbblet szintén nem szükséges. A sekélyebb rétegek jóval hajlamosabbak felszínsüllyedést el idézni. Általában, ahogy a kivonási mélység növekszik, úgy csökken a felszínsüllyedés. A porozitás és a permeabilitás szintén fontos tényez k. A permeábilisabb rétegekben könnyebb a kapcsolat létrehozása a betápláló és termel kút között, miközben növekszik az elgázosítás rátája, ami könnyebbé teszi az anyagszállítást. Például a lignit/barnaszén könnyen gázosítható nagy porozitása miatt (Grens, 1985; Creedy és Garner, 2004). Viszont a magasabb porozitás és permeabilitás növeli a víz hozzákeveredését és a termelt gáz veszteségét. Mint fent megjegyeztük, a telep permeabilitását mesterséges módon is lehet növelni. A széntelep ne tartalmazzon nagyobb vízadót, s vízadó ne legyen a szén felett a stabil üregvastagság kétszereség meghaladó rétegvastagságon belül (Stephens, et al., 1985a). A helyes telepválasztás során nemcsak a létez , de a potenciális áramlási viszonyokat és kapcsolatokat is számításba kell venni. Például egy vékony fed összeomolhat az alatta lév szén elgázosítása során és így kapcsolat jöhet létre az égési zóna és a vízadó között, mely korábban nem létezett. Minden szénfajta az antracittól a lignitig/barnaszénig elgázosítható felszíni üzemekben és tesztelték ket UCG alatt is. Az alacsonyabb szénülés szenek, mint a lignit és a szub-bitumenes szenek alkalmasak az in situ elgázosításra, noha az UCG néhány bitumenes szén esetében is alkalmazható. A volt Szovjetunióban volt példa az antracitos szénelgázosításra is, de sikeresnek aligha nevezhet . Az oka annak, hogy az UCG a rosszabb min ség szenek esetében hatékonyabb, az lehet, hogy azok inkább hajlandók a zsugorodásra h hatására, növelve a permeabilitást és a termel
és betáplálókút konnektivitását. A bitumenes szenek viszont
duzzadásra hajlamosak (Stephens, et al., 1985a) és véknyabb telepekben fordulnak el , amelyek korlátot jelenthetnek a m velés számára. Szintén feltételezik, hogy az alacsonyabb tisztaságú szenek „szennyez dései” javítják az elgázosítás kinetikáját, azáltal, hogy az égési folyamatban katalizátorként m ködnek közre.
A telepvastagság szintén fontos faktor. A vastagabb telepeken kevesebb kútra van szükség, azaz a fúrási költségek csökkennek. A szovjet, brit, és korai USA kísérletek komoly problémákkal szembesültek, amikor 2 méternél vékonyabb szénrétegeket kíséreltek meg elgázosítani (Stephens, et al., 1985a). A h veszteség jelent s ilyen rétegek esetében, amelyek kis hatékonysághoz és a termelt gáz alacsonyabb min ségéhez vezetnek. Az UCG-t könnyebb fenntartani ferde, d l rétegekben, mert így a kátrány és a folyadékok elfolynak a gázosítási zónából (Creedy és Garner, 2004). A széntelep felett fekv er s, száraz fed k zet hasznos, mert minimalizálja a h veszteséget és a fed be távozó gázok mennyiségét. (Stephens, et al., 1985a). 54 A fed litológiája fontos, mert az alacsony permeabilitású fed csökkenti mind a gázveszteséget, mind a víz hozzáfolyását az elgázosítási zónába (Creedy és Garner, 2004). A terepi kísérletek során megállapították, hogy az összekapcsolási módszerek nem befolyásolják a gáz min ségét, legalábbis Hoe Creek esetében ezt tapasztalták (Thorssness és Creighton, 1982).
4.1.4 Felszíni létesítmények Az UCG-vel termelt gázt számos módon lehet hasznosítani, beleértve a következ ket: • Égetés gázturbinában, mely egy generátorhoz van csatolva. A turbinából származó forró gázt g z el állítására használják, mely egy g turbinát, vagy g zgépet hajt meg, mely egy áramgenerátorhoz csatlakozik; • Égetés bojlerben g z el állítása céljából, mely g zturbinát vagy generátorhoz csatolt g zgépet hajt meg; • Közvetlen betáplálás egy üzemanyagcellába, amely elbírja a szénmonoxidot és kisfeszültség eletromos áramot termel, melyet fel lehet er síteni és be lehet táplálni az elektromos hálózatba; • A gázt át lehet alakítani s hidrogén és széndioxid-keveréket lehet létrehozni alacsony szénmonoxid-tartalommal, amelyet aztán betáplálnak egy alacsony h mérséklet üzemanyagcellába, mely alacsony feszültség áramot termel; • Metanol el állítására felhasználni vegyi alapanyagként, vagy Fischer-Tropsch folyamat alkalmazásával más vegyi alapanyagok el állítására Függetlenül attól, hogy mi a véghasználati cél, a gázt meg kell tisztítani, hogy feldolgozhatóvá váljon. A f szennyez k els sorban a kátrány és a szilárd részecskék, valamint a kéntartalmú vegyületek, mint a H2S és a COS.
4.1.4.1 A kátrány és szilárd alkotók eltávolítása Az UCG kevesebb szilárd szennyez t termel (Blinderman, 2002). A termel kúton felszínre jött anyagok eltávolítására számos módszer létezik. Ide tartoznak a gyorsítók (centrifugálás), az elektrosztatikus csapadékképz k és a porleválasztók.
4.1.4.2 A kénes vegyületek, mint a H2S és COS eltávolítása A szintézisgáz kénes összetev inek eltávolítására szolgáló technológiák szintén jól megalapozottak. Az általában AGR-nek (acid gas removal) nevezett technológiák a kéntartalmú vegyületek (f ként H2S és COS) abszorpcióján alapulnak, olyan oldószerek segítségével, mint a metildietanolamin (MDEA-eljárás), a polietilén-glikol dimetiléterei (Selexol folyamat) és a metanol (Rectisol eljárás) (Kohl és Riesenfeld, 1979). Ráadásul a katalízisen alapuló technológiák is hozzáférhet k a kénes vegyületek eltávolítására – els sorban cinkoxid katalizátor segítségével (Kohl és Riesenfeld, 1979). 55
4.1.4.3 A higany és más könnyenilló fémek eltávolítása A könnyenilló elektronegatív fémek, mint az arzén, higany és ólom melyek jelenléte els sorban a hamuban lehetséges, el fordulhatnak redukálódott alakban a termelt gázban g zként, vagy kis cseppekben. Ha jelen is vannak a koncentráció igen alacsony (Sury, 2004). Azonban abban a valószín tlen esetben, hogyha a termel kútból nyert szintézisgáz higany vagy más illó fém koncentrációja nagyon nagy, vannak eltávolítására eljárások. (Western Research Institute, 2006). Az aktív szén a legjobb a higany eltávolítására. Mivel a vizsgálat célja a higany eltávolítása volt a fluidágyas elgázosítóból, a tanulmányban használt módszer a szénrészecskék szintézisgázáramlásba való beinjektálásán alapult. De más elgázosítók esetében, beleértve az UCG-t a fixált ágyas adszorpció technikája is lehetséges (Lund, 1971).
4.1.4.4 Kiegészít felszíni létesítmények Számos kisegít felszíni létesítményre lehet szükség, hogy a szintézisgáz alkalmassá váljon a gézturbinákban való felhasználásra. A következ k tartoznak ide: • Gázh t k, melyek leh tik a gázt olyan h mérsékletre, hogy alkalmassá váljon a sz r kön való keresztülvezetésre;
• Sz r k, melyek eltávolítják a kátrány és hamu részecskéket. Mint korábban említettük, a hamu és kátrány mennyisége, mely az UCG termel kútból származik, jelent sen kisebb, mint egy felszíni elgázosító esetében, de hogy nulla lenne, az valószín tlen, ezért szükség van a sz r kre. Számos standard sz r technika létezik, beleértve a porleválasztókat és elektrosztatikus csapadékképz ket; • CO2 eltávolítása: ha a széndioxidot csapdázzák és elnyeletik, akkor azt célszer bb a szintézisgázból megtenni, mint a kéménygázból. Ez esetben számos technológia létezik a széndioxid eltávolítására (Halmann és Steinberg, 1999); • Ha a szintézisgázt metanol el állítására használják (vagy folyékony üzemanyag lesz bel le), akkor kívánatos összetételének kiegyensúlyozása (H2 arány a CO arányhoz) hogy alkalmas legyen a downstream process- re. Ilyen esetekben egy víz-gáz átalakító reaktorra lehet szükség (lásd a 2. reakciót, 4.1, táblázat, fent)
4.2 Az UCG gazdasági oldala Bár az UCG során termelt szintézisgáz felhasználásának számos módja lehetséges, mint például vegyi alapanyagok el állítása (hidrogén, metanol, ammónia), vagy a folyékony üzemanyagként való hasznosítás, az els dleges alkalmazási módja az elektromos áramtermelés. Ez a részfejezet csak az utóbbival foglalkozik. Az UCG alapú er m nagyon hasonló az IGCC-hez (integrated gasification combined cycle, kombinált ciklusú integrált elgázosításon alapuló er m ), de a felszíni elgázosító nélkül. Így ugyanazokra a felszerelésekre van szükség: gázh t k, és –tisztítók, gázturbinák, h cserél k a g z el állításához, g zturbina és áramtermel generátor. 56 Látható, hogy az UCG-rendszer alapvet el nye abban áll, hogy nincs szüksége felszíni elgázosítóra, és nagyságrenddel kisebb gáztisztító felszerelést igényel, mert az UCG alapú szintézisgáznak mind a kátrány, mind a hamutartalma alapvet en alacsonyabb, mint a felszíni gázosítóból kikerül gázé. Számos tanulmány szól az IGCC és PCPP (porított szén alapú er m ) eljárások gazdasági oldalairól. A GE és Bechtel által ismertetett adatok szerint (Bechtel és General Electric, 2005), egy szuperkritikus, porított széntechnológián alapuló (SCPC) er m költsége 1200-1460 $/kW nagyságú lehet. Ugyanez a tanulmány azt mutatja ki, hogy az IGCC er m vek következ generációja 10%-kal lesz drágább, mint az SCPC er m vek – a jelenlegi 20-25%-hoz képest. Az IGCC er m vek jelenlegi költsége 1440-1750 $/kW a jelenlegi technikával, és 1320-1600 $/kW a fejlesztett technikával. Dalton szerint egy IGCC er m költsége 1350 $/kW (Dalton, 2004), amely ugyanannyi, mint amit Bechtel jelzett a fejlett
technológiájú IGCC er m vek esetében. Másik mér szám az elektromosság költsége (COE). Dalton az SCPC és IGCC er m vek esetében ezt 46.6$/MWh-ra, illetve 49.9$/MWh-ra tette (Dalton, 2004). Az Ergo Exergy adatain alapulva (Blinderman, 2002), az UCG-alapú IGCC megépítése jelent sen olcsóbb és a COE is alacsonyabb. A Blinderman által bemutatott számítások azt mutatják, hogy egy 177 MW-os telep t keköltsége 600$/KW, míg egy 240 MW-osé csak 450$/KW. A COE becslések szerint csak 12$/MWh. Bár egy kvalitatív analízis, melyet korábban e részfejezetben közöltünk, azt mutatja, hogy az UCG alapú er m vek és az áram el állítása is olcsóbb, mint az IGCC esetében, egzakt összehasonlítást nem tehetünk. Legalább négy m köd IGCC er m van a világon számos kísérleti fázisú üzemelés mellett. SCPC-er m b l szintén számos akad. Ez lehet vé teszi a t keköltség és a COE valós alapokon nyugvó becslését. Másfel l viszont nincs m köd UCG er m a nyugati világban, így az Ergo Exergy által közölt adatokat nincs küls forrás, ami meger sítse. Míg nem épül elegend számú UCG er m , addig ez a bizonytalanság a gazdasági adatokat illet en megmarad.
57 " #
$
%
Hogy megsz njön a stigma, amit az UCG kapott, különösen az USÁ-ban, mint környezetkárosító technológia, a jöv beni kísérleteknek káros környezeti hatásoktól mentesen kell m ködniük. A 70-es és 80-as évek Egyesült Államokbeli UCG kísérletei óta sokkal többet tudunk a szennyez anyagok viselkedésér l és típusairól és javult az UCG-re alkalmas komplex geokémiaigeomechanikai-hidrogeológiai kereteket el rejelz képességünk. Az UCG tapasztalatai világszerte azt mutatják, hogy a környezetszennyezés elkerülése a jöv beni m ködtetéseknél lehetséges, de ahhoz integrált szemlélet telepválaszásra lesz szükség. Néhány lépés, amellyel elkerülhet k azok a szituációk, melyek korábban talajvízszennyezést okoztak: • a m ködési feltételek kiegyensúlyozása, hogy minimalizálják a kontaminánsok kifelé terjedését a túlnyomásos égési zónából; • olyan UCG helyszínek választása, ahol a geológiai szigetelés biztosítja az égési zóna környez rétegekt l való izolációját; • kedvez hidrogeológiával rendelkez telepek választása a szennyezett talajvízfolt (szennyezési udvar) szétterjedésének megakadályozása érdekében; • az UCG helyszíneinek izolálása a jöv beni réteg- és talajvízforrásoktól • ha lehetséges, a pirolízis oldhatatlan termékeinek, folyadékfelhalmozódásainak eltávolítása.
5.1 Az USA szabályzási keretei Az Egyesült Államokban az in situ fosszilis energiahordozókat kitermel
kutakat az EPA
kategorizálja és szabályozza m ködésüket (Environmental Protection Agency). A felszín alatti injektálásos/betáplálásos kutak a V. osztályba tartoznak. Az in situ felszín alatti energiahordozókat kitermel kutakat az UIC (underground injection control) szabványai szabályozzák (40CFR 146.5), amely a Safe Drinking Water törvény (SDWA) alapján történik a „a lignit, a szén, olajpala és kátrányhomok in situ kitermelésére szolgáló injektálásos kutak” esetében. 1999-ben az EPA vizsgálatot folytatott az V. osztálybeli felszinalatti injektálásos kutak felszín alatti ivóvízbázisokra (USDW) gyakorolt hatását illet en. (U.S. Environmental Protection Agency, 1999). Számos szövetségi, állami és helyi program közvetlenül kezeli vagy szabályozza a kutak m ködését az V. osztályba sorolt, fosszilis energiahordozókat kitermel kutakat ilet en. 19 államban vagy területen (Alaszka, Amerikai Szamoa, Arizona, Kalifornia, Colorado, Hawaii, Indiana, Iowa, Kentucky, Michigan, Minnesota, Montana, New York, Pennsylvania, South Dakota, Tennessee, Virginia, Virgin-szigetek és Washington, D.C.) és a törzsi földeken az USEPA direkt módon kezeli az V. osztálybeli UIC programokat. Más államokban az állami ügynökségek foglalkoznak az V. osztályú UIC programok implementációjával. 58 A 40CFR 144.12 (a), alapján az V. osztályba tartozó kutak a tulajdonos vagy üzemeltet je nem jogosult olyan injektálási tevékenység folytatására, ami lehet vé teszi a szennyez ket tartalmazó folyadék mozgását a felszín alatti vízbázisban (USDWS), “ha a szennyez jelenléte bármely ívóvízre vonatkozó szabálynak ellentmond, … vagy káros hatással lehet az emberi egészségre”. A CFR 144.26, alapján az V. osztályba sorolt kutak tulajdonosai vagy m ködtet i kötelesek az alapvet információszolgáltatásra. A CFR 144.27 szerint, szintén kötelesek további kiegészít információszolgáltatásra, ha az USEPA ezt szükségesnek ítéli a felszín alatti ivóvízbázis védelme érdekében. A 144.12 (c) és (d) bekezdések azokat szankciókat sorolják fel, amelyekkel az UIC programigazgató (szerve) élhet, ha a kút m ködése nincs összhangban a 144.12(a) paragrafussal. A lehetséges ellenlépések közé tartozik a kényszerít bezárásának elrendelése.
intézkedések alkalmazása és a kút
Az SDWA 1996-os kiegészítése, mely az államokat kötelezte a vízforrások felbecslésére, szintén felvette az V. osztály kútjait a potenciális szennyez források listájára a kijelölt felszín alatti ivóvízbázisok esetében. Az V. osztály kútjainak felmérése során a legfontosabb a kontaminánsok toxicitása, élettartalma és mobilitása. Az EPA véleménye szerint (U.S. Environmental Protection Agency, 1999), a
legtöbb injektált anyag, leggyakrabban a leveg és az oxigén, nem tartalmaz az egészségügyi (MCL, HAL) határértéket meghaladó szennyez anyag-mennyiséget, de ha bejutnak a vízbázisba, akkor kedvez tlenül befolyásolhatják azok tulajdonságait, beleértve a h mérsékletet és a gázokkal való telítettségét . Gyújtás vagy robbanóanyag használata, mint a propán vagy ammónium-nitrát, a begyújtás el segítése érdekében, vagy a széntelep törmelékessé tétele miatt, közvetlenül veszélyeztetheti a felszín alatti ivóvízbázisokat. Az égés melléktermékei, szénhidrogén-maradványok, a hamu, vagy a víz-gáz reakciók, melyet szintén az üzemeltetés okoz, szintén okozhatnak vízbázis-szennyezést. A hamu tipikusan olyan anyag, mely sok toxikus elemet, vegyületet, mint például arzént, ólmot, higanyt, szelént és krómot tartalmaz. A szénhidrogén-maradékok kátrányt, aromás és heterociklikus vegyületeket tartalmaznak. Szintén érdemes megjegyezni, hogy a CCS-re (széndioxid leválasztásra, csapdázásra és elnyelésre) használt UCG helyszínek növelhetik a kontaminánsok többségének mobilitását, mert a szerves anyagok jól oldódnak a széndioxidban és a fémek könnyebben mobilizálódnak savas kémhatású vízben lejátszódó reakciók során. Az EPA megjegyzi, hogy az üzemeltetés nagysága szintén befolyásolja a kontaminációt. Az Államokban az in situ kitermelési eljárások eddig mind kísérleti méret ek voltak, amely méretnél a reakciózóna h mérséklete nem éri el a teljes m ködtetés üzemi h mérsékletét. Alacsonyabb h mérséklet esetén a pirolízis nagyobb mennyiség nem tökéletesen elégetett anyagot eredményez, mint amennyi teljes üzem esetén keletkezik. A nagyobb reakciózóna emellett teljes üzemelés esetén nagyobb talajvíz depressziós zónát hoz létre, amely inkább az égési zónába való áramlást er síti, mint az égési zónából való szétterjedést. (U.S. Environmental Protection Agency, 1999). Az in situ eljárások további el nye, hogy elkerüli a hagyományos szénbányászattal és felszíni elgázosítással kapcsolatos kockázatok nagy részét.
Az UCG-vel a hamu és a szerves
maradványok a felszín alatt maradnak és ezen anyagok felszíni kilúgzása, szivárgása nem szennyezi el a felszínt vagy a felszíni és talajvizeket. Az emberek kimaradása a felszín alatti bányászatból szintén csökkent számos egészségi és biztonsági kockázatot. 59 Összefoglalva: az UCG m veletek optimalizálása és a körültekint telephelyválasztás révén az UCG környezeti kockázata elfogadható szintre esik, mely azonos a hagyományos bányászat és felszín feletti elgázosítás jelentette kockázattal, vagy annál alacsonyabb. A volt szovjet és az auszráliai m ködési tapasztalatok alapján néhány további kijelentést is tehetünk. A teljes kör m ködéssel járó magasabb h mérséklet sok könnyenilló kontaminánst gáz halmazállapotban tart, azaz azok nem maradnak a felszín alatt, hanem a szintézisgázzal a felszínre kerülnek. A m ködési nyomás minimalizálása inkább az égési üregbe való beáramlást,
mint az onnan való elfolyást segíti el . Például az ausztrál Chinchilla projekt során az elgázosítási nyomás éppen a hidrosztatikai nyomás alatt maradt, így a rétegvíz az égési üregbe folyik, egy g zköpenyt létrehozva, mely minimalizálja a h veszteséget és megakadályozza a szennyez k elvándorlását az üregb l (Blinderman and Jones, 2002). A kontaminánsok fennmaradása és mobilitása függ a környezett l és saját kémiai tulajdonságaitól. A benzol, nitrát és ammónia gyakori szennyez k az ivóvízbázisban az in situ fosszilis energiahordozó-termelés során, de jelenlétük nagymértékben függ attól, hogy mennyi oxigén van oldott állapotban a vízadó rétegben. Aerob felszín alatti vizekben az ammónia nem perzisztens, mert nitráttá alakul, ezzel ellentétben anaerob körülmények között a nitrát gyorsan nitrogéngázzá alakul. A mobilitás jellemz en nagy az UCG helyszínein, mert ott vannak természetes és mesterséges permeabilitási zónák, csatornák. A széntelepek sok természetes törést, repedést, vet t tartalmaznak. A szén robbantásos törése és aprítása növeli ezeket a csatornákat. Ha azonban sikerül a felszín alatti vizek folyását inkább az üreg felé, mint onnan elirányítani, az oldható kontaminánsok mobilitása jelent sen lecsökken.
5.2 A kockázaton alapuló döntéshozatal (RBDM) folyamata Az 1970-es évek óta a környezetvédelmi megközelítés jelent sen megváltozott; most már rutinszer en a kockázatbecslési eljárásokon alapszik. A környezetvédelmi kockázaton alapuló döntéshozatal (RBDM) az új olaj és gáztermel és kutató fejlesztések tervezési fázisában is használatos, hogy proaktív, megel z módon védjék az emberi egészséget és a környezetet (e.g., McMillen, et al., 2001). Az RBDM megközelítés szintén szerepet kap az UCG telephelyválasztásban és m ködtetésében azáltal, hogy több lehetséges forgatóköny kockázatát felméri, és meghatározza azokat a feltételeket, amelyek az elfogadható kockázati szinthez szükségesek. Az RBDM-megközelítés megfelel technikai keretet igényel, mely megbízhatóan el rejelzi a kontaminánsok keletkezését, viselkedését. Az 5.1. ábra példa a tipikus RBDM folyamatdiagram, mely azokat a lehetséges „csatornákat” jelzi, ahol az UCG hozzájárulhat a szennyez vegyületek szétterjedéséhez a különböz közegben (leveg , felszín alatti víz, felszíni vizek, talaj). További paraméterek bevonásával, mint a vízhasználat, területhasználat és klimatikus tényez k, ilyen diagramok képezik az alapját a kockázat alapú vizsgálati szintek kialakításának. 60 De a szennyez k viselkedésének el rejelzését lehet vé tev technikai keretek, melyek az 5.1. ábrán meghatározott - az UCG forgatókönyvek m ködésének peremfeltételeit (magas üregh mérséklet, magas h mérsékleti gradiens és az égési folyamat során és után keletkez feszültségmez k) illet
- csatornákat érintik, még nem épültek ki. Ez a telephely
sztratigráfiájának, szerkezetének és hidrogeológiájának el zetes felmérését, a szén égési melléktermékeinek mobilitásának, jellegének ismeretét, - beleértve a szerves és szervetlen összetev k, folyamatváltozók (oxigén, h mérséklet), melléktermékek és termékek mennyiségét, az üregfejl dés és beszakadás során bekövetkez permeabilitás-változást hatásait, a szennyez k transzportját befolyásoló h hatásokat és a mechanikai er változásokat, a felhajtóer hatását teszi szükségessé. Fontos megjegyezni, hogy az üreg széndioxid-elnyeletésre való használata hat a melléktermékek mobilitására és módosítja a kockzati tényez t.
5.1. ábra. Az UCG RBDM folyamatdiagramja
5.3 UCG telephelyek geológiai felmérése és alkalmassága A telephely geológiájának korrekt felmérése kulcsfontosságú jöv beni UCG folyamatok minimális környezeti kockázata szempontjából. Míg számos helyszín létezik, ahol a széntelepek alkalmasak az UCG-re, különösen ott, ahol a modern bányászati módszerek nem praktikusak vagy gazdaságtalanok, a mély, geológiailag izolált széntelepek különösen alkalmasak az UCG-re. A j v beni UCG-hasznosításnak megfelel telepek mélyen fekv k, ahol a felszín alatti vizek sósak, nem jöhetnek szóba ivóvízként, rétegtanilag elkülönülnek, szigeteltek, szerkezeti
egyveret séggel, mely nem teszi lehet vé az égéstér fed jének üregesedését, mely a szomszédos ivóvízrétegekkel való összekapcsolódáshoz vezetne.
5.3.1 Rétegtani keretek Az eredeti permeabilitás a potenciális UCG telephely körül az üledékek geológiai történetét l, a rétegtani sorozat sajátosságaitól és a régió geológiai szerkezetét l függ. Az UCG megváltoztatja az eredeti jellemz ket, hiszen új termális és geomechanikus feszültségteret hoz létre és hatása a természetes feszültségtérrel (stress field) való kapcsolatától és a rétegsor saját bels geomechanikai tulajdonságaitól függ. A sorozat gyors sztratigráfiai jellemzése els rend információkat nyújt a szennyez k szökésének lehet ségeir l, amely az egyik rangsorolási kritérium a szennyezési kockázatot illet en a lerakódási környezet alapján. Néhány széntelep vastag és izolált, míg mások véknyabbak és regionálisan nagyobb kiterjedés ek. Egyes k zeteket impermeábilis, szigetel ként m köd rétegek fednek, mint a lakusztrikus és tengeri agyagpalák, míg más széntelepeket delta vagy folyami üledékekhez kapcsolódó átereszt zónák fednek.
5.3.1.1 Rétegtani sorozatok és az erózióbázis szintjének változásai Az medencében lezajló üledékfelhalmozódás során a tektonikai és klimatikus viszonyokban, a tengerszint eusztatikus mozgásaiban és az üledékszállításban bekövetkez változások az üledékes környezetben is változásokat eredményeznek. (e.g. Mitchum, et al. 1977; Jervey, 1988). Ezek a rétegtant befolyásoló tényez k az erózióbázist is megváltoztatják, azt a szintet, mely alatt erózióról nem lehet beszélni. (Davis, 1902; Twenhofel, 1939; Schumm, 1993). Az erózióbázis szintje meghatározza az üledékfelhalmozódás helyét és jellemz it, s a legtöbb üledékes rendszerben az erózióbázis a tengerszinttel azonos. Az erózióbázis szintjének változása az id k során, bármelyik rétegtani tényez is idézze el , er sen hat az üledékes környezetek jellemz ire és típusaira. A hatótényez k úgyszintén befolyásolják az üledékgy jt nagyságát, amely az üledékfelhalmozódás teréül szolgál. (Jervey 1988; Van Wagoner, et al 1990). Például a süllyedés ütemének növekedésével, vagy a tengerszint abszolút emelkedésével növekszik az üledékes tér. Az erózióbázis és az üledékgy jt változásának elméleti kereteit a szekvencia-sztratigráfia adja meg (e.g. Mitchum, et al 1977; Van Wagoner, et al., 1990). Az üledékgy jt méretében s az erózióbázis szintjében bekövetkez
növekedés vagy csökkenés az üledékes rendszerek
kiszámítható eltolódásához vezet, amelyet ideiglenes felszínek jeleznek, beleértve az árasztási felszíneket és üledékhézagokat, diszkordanciákat. Az ilyen felszínek felhasználhatók az erózióbázis szintjének változásainak azonosítása kapcsán, aholis lowstand, transgressive, és highstand system tract (sorozatok) különíthet k el, amelyek a bels jellemz kön és az általános
rétegtani mintázaton alapulnak. Megvizsgálva eme kulcsfelszínekhez köt d
rétegösszletek
kifejl déseit, el rejelezhet k az üledékes egységek laterális és vertikális jellemz i, adatpontok (mint a kutak), szeizmikus vonalak vagy feltárások segítségével a mintapontoktól távolabb is (Van Wagoner, et al., 1990). A szén gyakran halmozódik fel mocsarakban, kezdetben t zeg formájában (e.g., Moore, 1989). Ehhez magas vízszintre és alacsony törmelékszállításra, lassú feltölt désre van szükség. (McCabe 1984, Courel 1989; Allen 1990; McCabe 1991). 62 Az elhelyezkedés, a mennyiség, a széntelepek min sége és kiterjedése mind az üledékgy jt ben és a t zeg akkumulációs rátájában bekövetkez változásokat tükrözik (e.g., Hamilton és Tadros, 1994; Bohacs és Suter, 1997). Egyéb csatlakozó üledékes rendszerek, mint a delták, tengerpartok, árapály-zónák, folyók, parti síkságok szintén a rétegtani tényez k hatásainak eredményei. (Jervey, 1988, Van Wagoner, et al., 1990). Szén három lerakódási környezetben képz dhet: regionális jelleg
(pl. a sziliciklasztos törmelék-utánpótlás széles kör
megsz nése egész
medencékre kiterje en), folyómedrek nodális avulziója (medervándorlás, mederelhagyás) során, és lehet helyi jelleg (elhagyott medrekben, vagy aktív medrek között). Az 5.2. ábra ezeket a különböz
szituációkat mutatja be. Látható, hogy e szenek közül némely hajlamos nagy
permeabilitású, porózus rétegekhez köt dni, az üledéklerakódási környezett l függ en.
5.2. ábra. A szénel fordulások általános típusait mutató vázlatos blokdiagrammok: (A) medence jelleg , (B) szubregionális (C) lokális. (Hamilton és Tadros, 1994 után)
Az 5.3. ábra mutatja, hogy ezek a különféle szénhez kapcsolódó környezetek hogyan mozogtak, módosultak a térben és id ben az erózióbázis egy ciklusba tartozó fluktuációja során. Jóllehet ezek tengeri üledékes rendszerek, hasonló módszertan alkalmazható a lakusztrikus széntelepek erózióbázisának ingadozásaira is (e.g., Hamilton és Tadros, 1994). Az erózióbázis szintjének növekedése transzgresszióhoz vezet (transzgressziós sorozat, transgressive systems tract) és az üledékgy jt rendszer hátrálását, visszahúzódását eredményezi. Bizonyos körülmények között ez azt eredményezi, hogy a szenet tengeri vagy tavi agyagpalák temetik be, melyeknek alacsony a permeabilitása. Az erózióbázis szintjének relatív csökkenése az üledékes rendszerek progradációjához vezet és regresszióhoz, ahol a szeneket folyóvizi sorozatok, vagy erózió követi, vagy a felszínen maradnak (e.g., Dalyrymple, et al., 1992). Ezek a változások szintén befolyásolják a szén vastagságát és horizontális kiterjedését. (Bohacs és Suter, 1997). 63
A szenes szervesanyagban gazdag k zetek hiányoznak, izoláltak, vagy rosszul konzerváltak, mert a talajvízszint csökken, ahogy a tengervíz és a felszín alatti sóhorizont visszavonul, a folyóvizi rendszerek bevágnak, a csatornák összekeverednek, összefutnak és a nem csatornákhoz köt d fáciesek nem rz dnek meg. A parti síkságon a felszín szubaerikus felszínformálásnak kitett talajképz dés dominál és ritka, kis intenzitású áradások vannak.
A széntartalmú szervesanyagban gazdag k zetek viszonylag ritkák, korlátozott kiterjedés ek, szórtak. A gyorsan növekv talajvízszint a tengerszint emelkedésének és a sófront el renyomulásának köszönhet en a mocsarakat tavakká alakítja. A partközelben a mocsár a brakk vagy sósvíz szintje alá süllyed, megnövelve a kéntartalmat. A t zeg akkumulációja a kezdeti és gyors transzgresszió során nem folytonos, hanem szórt a transzgresszió bonyolult kinematikájának köszönhet en.
A széntartalmú szervesanyagban gazdag üledékek a viszonylag vékonytól A széntartalmú szervesanyagban gazdag üledékek igen vastagak, a vastagig terjednek, összefügg k és viszonylag jó megtartásúak a viszonylag izoláltak és jól meg rzöttek, mert a talajvízszint növekv talajvízszint miatt (a növekv tengerszint és a felszín alatti emelkedésének üteme lecsökken annyira, hogy a t zeg
sófront el rehatolásának köszönhet en). A fluviális medrek stabilak és az akkumulációja ellensúlyozza a vízszint emelkedését. A magas ártéri képz dmények meg rz dnek. talajvízszint és a stabil folyómedrek el segítik a mocsárképz dést és megmaradást. A parti síkon nagy intenzitású árhullámok finomszem klasztos üledékeket halmoznak fel. Az avulzió gyakori, a parti folyóvizek elhagyott medreket alkotnak.
A széntartalmú szervesanyag-tartalmú üledékek igen vastagok, relatíve izoláltak és jó megtartásúak a folyamatosan növekv talajvízszint miatt, a medrek stabilak, növekszik az ártéri fáciesek függ leges kiterjedése és meg rz dése
A széntartalmú szervesanyagban gazdag üledékek viszonylag véknyak, összefügg k és mérsékelten konzerváltak, mert a talajvízszint magas szinten stabilizálódik, s csak lassan emelkedik, a t zegfelhalmozódás sebességével azonos mértékben vagy annál alig lassabban. A stabilis medrek miatt a törmelékes üledékfelhalmozódás elenyész . A mocsarak nagy horizontális kiterjedést érhetnek el.
5.3. ábra Egy tengeri ciklushoz kapcsolódó rétegtani sorozatok (Bohacs és Suter, 1997 után) 64
5.4. ábra. Akkumulációs üledékciklus sematikus rajza és a kapcsolódó széntelepek jellegzetességei és elhelyezkedése (fent). Üledékes sorozat sematikus rajza egy üledékes cikluson belül, a szenes rétegek (fekete) általános elhelyezkedését és a hozzájuk kapcsolódó fácieseket bemutatva (alul). Az erózióbázis ciklusai. A hat kategóriát jelz szám magyarázata a lenti kockázati mátrixban. (Bohacs és Suter, 1997 után) 65
5.3.1.2 A szén környezetével való kapcsolata és a rétegtani sorozatok Mivel a rétegtani hatótényez k megváltoztatják a rétegek laterális és vertikális elhelyezkedését, közvetlen módon hatnak a szenet körülvev mez permeabilitására is. Hatnak a szenet közvetlenül határoló litológiára, pl. a szenet alacsony permeabilitású parti síkságra jellemz iszap, agyag, vagy nagy átereszt képesség mederhomokok határolják. A rétegtani ciklicitás és a hatóér k szintén meghatározzák a szenes rétegek vertikális fejl dését (lásd fent), ami befolyásolja a szén feletti nagy permeabilitású zóna megjelenésének valószín ségét. Az ilyen zónák nem vízzáróak, amelyek talajvízforrásokként funkcionálnak számos területen (pl. mez gazdaság). A szekvencia-sztratigráfia által felállított keretek lehet séget biztosítanak a szén UCGalkalmasságának vizsgálatára. Bohacs és Suter (1997) modellje is ezt a megközelítést alkalmazza, hat kategóriára bontva a szénrétegeket vastagság és összefügg ség szerint, a sztratigráfiai helyzet
függvényében (5.4. ábra). Nem-lineáris dinamikából kiindulva, ezek a változások az egyes kategóriákból másikba való átmenet során többdimenziós fázis-térben megjelen üledékes rendszerekként jelennek meg, amelyeket az üledékgy jt tér, a tengerszint és a t zeg akkumulációs rátája határoz meg. Fontos, hogy a modellek által vetített el rejelzések, ritka és szabálytalanul elhelyezked adathalmazokon alapulnak, amelyet a környez feltárások, a fúrások karottázs-görbéi vagy ritka magmintavételek alkotnak. Egy képzett geológus számára ez lehet vé teszi annal megállapítását, hogy a vizsgált szén a 3. vagy 5. kategóriába tartozik, annak ellenére, hogy vastagságuk és összetételük hasonló.
5.3.2 Szerkezeti keretek A lerakódás utáni kibillenés és töredezés megváltoztathatja a „szigetel k” integritását a rétegtani sorozatokban. A tektonikus deformáció kibillent sorozatokat eredményezhet, ahol a széntelepek a medence egyik oldalán izoláltak, de ezek a rétegek a felszínt l kis ménységekre találhatók, s t feltárásokban akár felszínre is kerülhetnek a medence egyes részein. A Ferron szén (lásd lent) például 520 m-t l 1250 m-ig bukik alá (Lamarre, 2002, 2003). A déli részeken azonban az erózió és a kiemelkedés miatt a szén a légköri hatásoknak kitetté vált, és így a szén likacsos, rossz szigetel , s többé nem képes a széntelepben lév metán csapdázására, mely a medence északi részében jelen van. A f törések és a kisebb repedéssorozatok csatornákat jelentenek az elgázosítási zónából más rétegekbe vagy a felszínre. Az UCG kockázatos, mert gázveszteség, szennyezés-terjedés és vízbetörés léphet fel (Creedy és Garner, 2004). Az UCG telephely felméréseknek elegend geofizikai és karottázs-információt kell szolgáltatniuk, hogy a széntelep integritását befolyásoló korlátozó tényez k üledékekben felismerhet jeleit azonosítsák. Ezen túlmen en fontos figyelembe venni, hogy a feszültségtér, melyet az égés és az üregbeszakadás indukál, befolyásolja a környez feszültségteret. Az üregbeszakadás folyamata a fed k zetek mechanikai tulajdonságaitól függ és a geológiai és h stresszt l (feszültségt l). Bármely ehhez társuló süllyedés és hatása a fed ben lév vízadókra az üreg geometriájától és mélységét l függ (Creedy és Garner, 2004). 66
5.3.3 Hidrológiai és geomechanikai keretek Az UCG során jelent s hidrológiai és geomechanikai változások játszódhatnak le a széntelepet környez rétegekben. Az UCG eredményeképpen a felszín alatti vízkészleteket fenyeget környezeti kockázatbecslés elkészítésében a következ tényez k játszanak szerepet: • Az égéstérben szennyez k keletkeznek;
• Az égéstér feletti k zetmátrixban megnövekszik a vertikális hidraulikus vezet képesség a beszakadás és a repedéshálózat következtében; • A felhajtóer által felfelé irányuló áramlás a folyadéks r ség különbségei által, amelyet az ágástér közelében a felszín alatti víz oldott sótartalom-különbségei okoznak; • termális feláramlás a felszín alatti vezekben, amit a szén in situ elégetése okoz; • a szerves anyagok képz dése és lebomlása ill. az oldott állapotú fémek a szállításnak vagy az ásványi felszínen történ adszorpciónak kedveznek-e; • az ivóvízkészletekbe szivárgó szennyez anyagok biodegradációs lehet ségei. Hogy közvetlenül becsülhet vé tegyük a felszín alatti vizekre jelentett környezeti kockázatot, az említett releváns folyamatokhoz köt d paramétertereket kvantitatív módon fel kell mérni és azonosítani azokat a forgatókönyveket, melyek a legkedvez bbek vagy legkedvez tlenebbek az UCG
alkalmazása
esetén.
E
felmérés
eredménye
a
kockázati
forgatókönyvek
összehasonlíthatósága.
5.3.4 Geokémiai keretek Kémiai szempontból az UCG egy szénréteg részleges in-situ elégetése (oxidációja), használható gáz termelése céljából. G z és leveg vagy oxigén beinjektálása után a széntelepet begyújtják, s az elgázosítás reakciói elkezd dnek. A 4. fejezet 4.1. táblázata tartalmazza e reakciókat. Az el állított gáz összetétele és a szennyez melléktermékek a g z mennyiségét l, s attól függnek, hogy oxigén vagy leveg befecskendezése történik a folyamat során, továbbá a h mérséklet és a nyomás is befolyásoló tényez (Stephens, 1980). Az el állított gáz f ként szén-monoxidból, széndioxidból, hidrogénb l és metánból, kisebb mértékben hidrogénszulfidból áll, valamint néhány egyéb nagy atomsúlyú pirolízis-termékb l áll (pl fenolok, policiklikus aromás szénhidrogének). A tipikus elgázosítási reakciók 1000°C felett játszódnak le, a megfelel gázkeverék el állítása érdekében (5.5 ábra), és nagy nyomás szükséges, hogy a folyamat a metántermelés felé tolódjon el. A alacsonyabb h mérséklet több szennyez melléktermék termel déséhez vezet. 67 Fontos megjegyezni, hogy bár a termodinamikus folyamatok, mint az 5.5 ábrán bemutatottak, jelent s szerepet játszanak az elgázosítás folyamatának befolyásolásában, de nem kizárólagos tényez k a végtermék kialakításában. A nagyszámú reakció kinetikája, és a tömegtranszfer a reakciózónában szintén fontos és gyakran korlátozó szereppel bír. Például, bár a metánképz reakció (4.1. táblázat 3. reakciója) nagyobb metánmenyiséget produkál nagyobb nyomáson, az adatok és megfigyelések ezt a következtetést nem mindig támasztják alá. (e.g., Stephens, et al., 1985a, 1985b).
Szénelgázosítási egyensúlyi dinamika vízmentes fázisban
5.5. ábra. Példa ekvilibrium (egyensúlyi) számításokra a szénelgázosítás folyamatához (Stephens, 1980 után) Az UCG melléktermékei között van számos káros vegyület. A meléktermékek zömmel BTEX vegyületeket tartalmaznak (benzol, toluol, etilbenzol és xylolok), fenolokat és aromás vegyületeket (naftalin) és gázokat is (CO, H2S, stb.).
Szintén fennál a nehézfémek
kibocsátásának veszélye a felszín alatti szénhamuból. A szervesanyagok oldékonyságát ráadásul el segíti az UCG-vel járó megnövekedett h mérséklet. Ha az üreget és a szomszédos rétegeket, mint potenciális széndioxid elnyelési helyet vesszük számításba, akkor ezen szervesanyagok nagy oldhatósága a széndioxidban, szintén problémás lehet. A fémek szintén jobban oldhatók savas kémhatás alatt, amit a széndioxid UCG-üregbe táplálása okoz. Az UCG és a széndioxidleválasztás felszín alatti vizekre jelentett káros környezeti hatásainak minimalizálása és megszüntetése érdekében nélkülözhetetlen el rejelezni és elkerülni azokat a feltételeket, amelyek során az UCG-hez kapcsolódó kontaminánsok oldhatóvá válnak és a felszín alatti vizekbe kerülnek. 68 A múltban lezajlott felszín alatti szénelgázosítási m veletek során, melyek felszín alatti vizek elszennyezéséhez vezettek, els sorban kis molekulasúlyú szerves összetev k alkották a kontaminánsokat. A leginkább problémás összetev k a fenolok és a kis molekulasúlyú
policiklikus aromás szénhidrogének voltak, els sorban a rákkelt benzol, amelyet a szén termális lebomlása okozott a magas h mérséklet elgázosítási kamrában. Vegyi alkotók / égés el tt (mg/l) / égés után (mg/l)
5.1. táblázat. Felszín alatti vizeket szennyez anyagok a texasi kísérleti UCG telepen (Humenick és Mattox, 1978) Chemical constituent Before burn (mg/l) After burn (mg/l) 69 Mikor az UCG m ködése során kapcsolatba kerül a felszín alatti vízzel, számos szerves és szervetlen szennyez kerülhet a vízbe. A texasi kísérleti telep példája tanulságos, itt a felszín alatti vizek szervesanyag, ammónia, szulfát és teljes összoldott-anyag (TDS) tartalma növekedett az UCG után (5.1. táblázat). A Hoe Creek-nél lezajlott környezetszennyezés is illusztratív.
5.3.4.1 A víz tulajdonságai A víz képessége, hogy az üledékes szervesanyaggal reakcióba lép hidrotermális feltételek között a magas h mérséklet folyékony halmazállapotú víz fizikai tulajdonságainak köszönhet , és
hogy ezen tulajdonságok hogyan befolyásolják azokat a mechanizmusokat, melyek lehet vé teszik, hogy a víz a szerves anyagot oldja, illetve reakcióba lépjen vele. A környezeti faktorok között a víz er sen poláris folyadék, nagy kapacitással ionos és poláris kovalens vegyületek oldására, de nem poláris vegyületeket alig old. Nagy h mérsékleten azonban a víz tulajdonságai drámaian megváltoznak (250-350°C). H mérséklet
S r ség
Viszkozitás
Elektromos áll.
Disszociációs állandó
5.2. táblázat. A víz fizikai tulajdonságainak változása a h mérséklet függvényében rature Density Viscosity Dielectric DissociationC) (cp) Constant Constant A víz h mérsékletfügg tulajdonságai közé tartozik a viszkozitás, s r ség, vezet képesség és a disszociációs állandó. 200°C felett a víz elektromos állandója azonos a szobah mérséklet metanol és aceton hasonló értékével. Magas h mérsékleten a folyékony víz igen diffúz közeggé válik, közepest l jó oldóképességel mind a poláris, mind a nempoláris szerves vegyületek szempontjából. Az 5.2. táblázat mutatja be a víz tulajdonságait különböz h mérsékleteken (Todheide, 1982; Cobble és Lin, 1989; Siskin és Katritzky, 1991). A vegyületek oldhatósága a vízben jelent sen változik a megnövekedett h mérsékleten, és hogy ez hogyan befolyásolja a szennyezés terjedését, azt be kell kalkulálni az UCG szennyez transzport-modelljébe. Például a szerves vegyületek oldhatósága forró, hidrotermális folyadékokban jelent sen megn és homogén oldódáshoz vezethet, amely mind az ionos, mind a nempoláris kovalens szerves vegyületekre érvényes. A nagyobb molekulasúlyú PAH-vegyületek drámai vízoldhatóság-növekedését az 5.6. ábra mutatja be, ahol a fluorol, egy 3-gy r s PAH oldhatósága, 150°C-ig növekszik (Leif és Knauss, publikálatlan adat). Más 3-5-gy r s PAH vegyületek – számos közülük karcinogén – vélhet en hasonló módón viselkednek. 70
5.6. ábra. Szerves anyagok oldhatósága vízben a h mérséklet függvényében (Wauchope és Getzen, 1972, után módosítva, beleértve Leif és Knauss nem publikált adatait) Tehát az UCG folyamat ellen rzése és a geológiai szigetelés mellett a magas h mérsékleten megnövekedett vízoldhatóságú szén-pirolízis termékek problémájával is szükséges foglalkozni, mindemellett a szén hidrolitikus lebomlási lehet ségének jobb megértésére is figyelmet kell szentelni az UCG m ködtetésének lezárulta után. A víz-szénhidrogén fázis viselkedése a környezettudományok érdekl désére tart számot, miként az olajiparéra és a vegyiparéra is. Ez egy aktív kutatási terület (Knauss és Copenhaver, 1995; Jou és Mather, 2003; Marche, et al., 2003), amelyet mind az adatigény, mind az is ösztönöz, hogy kevés a témára vonatkozó egybehangzó véleményt mutató tudományos szakirodalom, vagy sok esetben adat sincs. A Kw nagy növekedése a h mérséklettel összefüggésben a semleges kémhatású vizet 300°C-on 5.7 pH-júvá teszi, s képes savas kémhatású katalitikus reakciókra (Leif és Simoneit, 1995, 2000; Siskin és Katritzky, 1991). Ráadásul a szén pirolízis-termékeinek megnövedett oldhatósága mellett a forró vízzel érintkez szén valószín leg hidrolitikus lebomláson megy keresztül, ami több vízoldható vegyület oldatba kerülését jelentheti.
71
5.3.4.2 A szerves szennyez k tulajdonságai Mivel az UCG egy magas h mérséklet
és nyomású folyamat, a toxikus szervesanyag
termel dése és terjedése az égéstérb l nem fog az elgázosított szén típusától függeni. A
környezeti kockázat csökkentése a szerves vegyületek terjedésnek, mobilitásának csökkentésében rejlik. A mobilitás pedig a szennyez k oldhatóságától függ, de az erre vonatkozó adatok sajnos korlátozottak. Van adat néhány vegyület vízben és szuperkritikus széndioxidban való oldhatóságáról (Yaws, 1999, Bartle, 1991). Sajnos azonban a vizsgált h mérsékleti intervallum alacsony (tipikusan 37 Celsius fok alatt és csaknem mindig 100 Celsius fok alatt). Mint azt Bartle (1991) megjegyezte, az alacsony értékeket egy adathalmazban óvatossággal kell kezelni (Knauss, et al., 1999). A mélyebben fekv
UCG telephelyeket nagy nyomás alatt kell m ködtetni az égési zóna
fenntartásához. A magasabb nyomás egyik el nye, hogy sokak szerint nagyobb metánarányt tesz lehet vé, jóllehet nincs általános egyetértés e tekintetben. A magasabb m ködési h mérséklet és a mélység növekedésével arányosan nagyobb hidrosztatikus nyomás növeli a regionális felszín alatti vizek felé való kiáramlást, jóllehet az ivóvízbázis általában nem helyezkedik el olyan mélyen, mint a mély UCG telephelyek. Az utóbbiak magasabb reziduális felszín alatti vízh mérsékletükkel, képesek nagyobb atomsúlyú PAH vegyületek mobilizására és szállítására, a szokásos alacsony molsúlyú szennyez vegyületek mellett. Az üzemeltetés utáni kontamináció minimalizálása érdekében a jöv beni UCG-nek mind a reziduális NAPL felhalmozódás megakadályozását szem el tt kell tartania, mind hatékony eljárásokat kell kidolgozni az égetés után NAPL eltávolítás érdekében, lehet leg, míg a képz dmények jelent s – az UCG folyamatból származó - h maradékot tartalmaznak, mely el segíti ezek eltávolítását.
5.3.4.3 Szervetlen szennyez k A szervetlen szenyez k zömét a szén hamujából vonják ki, mikor a felszín alatti vizek behatolnak az égés után maradt üregbe; és az összetev i meglehet sen hasonlítanak a felszíni és felszín alatti vizekben talált szennyez kéhez, amelyek konvencionális szénm velési technikák során kimosódással kerülnek a felszíni vizekbe. A szervesanyag és ammónia az elgázosítás során az égéstérb l kikerül gázok h lése során kondenzálódik (Humenick és Mattox, 1978; Wang, et al., 1982; Campbell et al., 1978, 1979). Ezt követ en, miközben a szennyezett felszín alatti víz az égéstérb l eltávozik, reakcióba lép a környez k zetekkel adszorpció és deszorpció révén, csapadék-képz dés és oldás során és ioncserél
folyamatok segítségével (Chaback, et al., 1996). Ráadásul a biológiai aktivitás
lebonthatja a szennyez ionokat, melyek így új vegyülettípusokat hozhatnak létre. E folyamatok közös hatása, néhány kevésbé mobilis szennyez lefékezése, s a szennyezési udvar kémiájának módosulása lesz annak terjedése során.
72 Néhány esetben a felszín alatti víz áramlási útvonalában lév bizonyos ásványtípusok sikeresen eltávolították a szennyez ket a felszín alatti vizekb l. A Fairchild TX-telephelyen az égéstér feletti és alatti lignit/barnaszén és agyagrétegek hatékonyan kötötték meg a szerves szennyez ket és az ammóniát (Humenick és Mattox, 1978). A határoló agyagrétegek szintén fontosak, mert korlátozzák a szén és a talaj/felszín alatti víz kommunikációját, mint fentebb kifejtettük.
5.4 Felszínsüllyedés A szén in situ gázzá alakítása és kivonása felszíni tömegáthelyez déshez és a hasznosanyag kiemeléséhez vezet, ami a felszín alatti égéstérben üreget eredményez. Ez a tömegeltávolítás az oldalfalak összeomlását és leválását eredményezheti, s okozhatja az üreg tetejének beszakadását és az égéstér feletti zóna süllyedését (Gregg, 1977). A süllyedés nagysága és formája számos tényez függvénye, beleértve a rétegmélységet, a fed vastagságát, a k zet merevségét, töréss r ségét, a repedések irányultságát, a telep szerkezeti sajátosságait és az in situ feszültségteret (Britten, 1985, 1986, 1987). A legtöbb esetben még a sekély telepeknél is potenciálisan kicsi a felszínsüllyedés nagysága. A legtöbb terepi kísérlet esetében beleértve Centraliát és Chinchillát a megfigyelt és az el rejelzett süllyedés is elhanyagolható volt. De a legtöbb teszt, még az USA kísérleteit is beleértve nem gazdasági hasznosítás céljából történt, így nagy mennyiség
szenet sem emeltek ki. Ezzel
ellentétben a volt szovjet projektek esetében töbször is mértek süllyedést, amely meghaladta az 1 métert, és volt, ahol helyi kráter képz dött. Ráadásul, ha süllyedés nem is következik be, a termelt gáz vagy vizes fázisú szennyez k még mindig elszökhetnek a tönkrementeli repedéseken keresztül (Gregg, 1977). Így a süllyedés potenciális veszélye és a társuló kockázatok, mind a társadalmi elfogadottságot, mind a létesítmény-tervezést és m ködtetést befolyásolja, azaz további tanulmányozást igényel.
5.4.1 Szimuláció és el rejelzés Négy f tönkremeneteli típust különíthetünk el, amely különböz típusú felszínsüllyedéshez vezet:
ez
a
stoping
(beszakadásos
üregfeltölt dés),
a
kürt képz dés,
a
lehajló
süllyedés/megbillenés és a plug failure (eltömedékel dés, blokkos tönkremenetel) (Gregg, 1977). • Beomlásos, felszakadásos feltölt dés (stoping) a fed progresszív felszakadozása és az égéstér kitöltése az ebb l származó törmelékkel (Hartman, 1992). Ez általában egy ív, vagy elliptikus
alakú tet kialakulásához vezet. A felszakadozás növeli a k zettérfogatot és csak akkor áll le, ha a beomló anyag feltölti az üreget. • Kürt képz dés (Chimney formation) (Obert and Duvall, 1967) akkor játszódik le, ha viszonylag kis területen felharapózó, területileg korlátozott kiterjedés , a fed be mélyen behatoló a repedés, viszonylag nem kompakt, törésekkel átjárt k zeten, mely gyakran nagy d lés
telepeken
jellemz . 73 • Lehajló süllyedés (Bending subsidence) egy tekn szer képz dményt hoz létre a kitermelt zóna felett, a mechanikai egyenleteknek megfelel en, ahol a kéreg viszonylag er s (Krastch, 1983). A besüllyedés mind vertikális, mind horizontális elmozdulásokat eredményezhet (5.7. ábra). Sok, hosszú falfejtés , nagy kiterjedés bánya esetében megfigyelték már, és így feltehet en nagyüzemi jelleg gazdasági hasznosítást célzó UCG-projektek során is megjelenhet. A folyamat mechanizmusa jól ismert és mérhet . • Blokkos tönkremenetel (Plug failure) (Obert and Duvall, 1967) hasonlít a csuszamlások során bekövetkez elmozdulás típusaira, ahol egy elkülönül anyagblokk hirtelen tömegesen megsüllyed. A függ leges elnyíródás dominál ez esetben. Ez a típus a leggyakoribb a gyengén konszolidált üledékekben vagy a s r törésekkel szabdalt de gyenge k zeteken. Els sorban olyan területeken fordul el , ahol a felszínsüllyedés már korábban is bizonyítható volt. Jelenleg tudásunk e deformációkról a sekély mélység felszínalatti bányászat ismereteib l jön, és nagy számú szakirodalom és számos eszköz áll rendelkezésünkre jellemzésükhöz és a süllyedés mértékének kvantifikációjához (National Coal Board, 1975; Karmis, et al., 1992; Shu and Battacharyya, 1993; Ambrozic and Turk, 2003). A sekély mélység UCG m veletek esetében az eszközök és a sajátosságok analóg módon levezethet k a kis mélység szénbányászat eredményeib l. 74 A mélyebb m velés telepek esetében a felszíndeformációk nagysága (mélysége) általában kisebb, de kiterjedésük nagyobb (5.7. ábra). De az el rejelzések nem mindig pontosak, különösen, ha a tönkremenetel magasan helyezkedik el, pl. a kürt képz dés során. Ez azért van, mert számos k zet nem lineáris feszültségi-szilárdsági viszonyokkal jellemezhet , ami bonyolítja az el rejelzéseket. Ráadásul gyakran nehéz megbízható terepi adatokhoz jutni, a töréshálózatban mutatkozó bizonytalanságok és a feszültségre adott nem lineáris reakciók miatt. Számos intézet dolgozott ki olyan modellt az el rejelzésekre, melyek terepi teszteken alapulnak (Trent és Langland, 1981; Blinderman & Jones, 2002; Morris, et al., 2002), beleértve véges számú elemet és különféle megközelítéseket.
5.7. ábra. Felszíndeformáció fix szélesség és vastagságú szénkitermelés során, a behajlásos modell geometriája szerint. H = a széntelep tetejének vastagságával, Hs = az alatta fekv réteg vastagsága és so(xo) = a süllyedési profil (Shu and Battacharyya, 1993 alapján). Hogy a süllyedésb l származ veszélyek kockázatát felmérjük, az analízisek hasznosak lehetnek. Például Langland & Fletcher (1976) két forgatókönyvet, „merevet” és „rugalmasat ” alkalmaztak és a deformációt 0.06–3.5 inch közé tették (0.15–8.75 cm). A középvonal menti maximális süllyedés 4,5 cm-nél kisebb volt, beleértve a h hatását is (Trent and Langland, 1981). De a jobb kitermelési arány elérése érdekében az empirikus és numerikus modellek kombinációja nyújtja a legjobb el rejelzési lehet séget.
5.5 Az integrált kockázatbecslés tényez i Ezeket az alapvet koncepciókat használva lehetséges egy nyers mártixot kidolgozni az adott telep jellegzetességeib l – beleértve a rétegtani és szerkezeti tényez ket, a különböz szénülési fokú és összetétel szén elégetéséb l származó potenciális szennyez k és a választott eljárás
sajátosságait (h mérséklet, nyomás), a szennyez k mobilitását, a szomszédos rétegek tulajdonságait és a mikróbákat, melyek a szállítás során lebontják, lassítják a szennyez ket adódó kockázatok felbecslése érdekében. Sztratigráfiai kategória 1 2 3 4 5 6
Laterális izoláció
Fed jellege
Szivárgás kockázata
Alacsony Alacsony Nagy Mérsékelt Mérsékelt Alacsony
Homok Agyagpala Agyagpala Agyagpala Homok Homok
Magas Mérsékelt Alacsony Mérsékelt Magas Magas
5.3. táblázat. A rétegtani helyzetet figyelembe vev kockázati mártix Stratigraphic category A sztratigráfiai és szerkezeti meghatározottságokat mutató átereszt zóna a bányászott szén környezetében az els tényez , mely befolyásolja a telephely-választást. Ez két összetev b l áll: a széntelep vertikális és laterális kapcsolatainak er ssége, és a fed rétegek karakterisztikája a befolyásoló tényez k. Az izoláltság el nyös, mert csökkenti annak veszélyét, hogy a kontaminánsok bejussanak a szomszédos víztartó rétegekbe. Az agyagpala jelleg szénfed k hasonlóan kívánatosak. 75 E két aspektus eseteinek kombinációja relatív rangsorolást tesznek lehet vé. Ezt a rangsorolást egy nyers el zetes felmérés eszközeként is lehet alkalmazni, a nagy potenciállal bíró telephelyek esetében, amelyet a többi fent felsorolt hatótényez okozta kockázatok megfontolása követ. Fontos megjegyezni, hogy az égési folyamat és az üregfejl dés a környezet eredeti, rétegtani és szerkezeti adottságaiból ered átereszt képességének megváltoztatásához vezethet a telephelyen. Az égetés utáni átereszt képesség a rétegek geomechanikai tulajdonságaitól függ, a természetes feszültségtérhez járuló létrehozott feszültségtöbblet hatásától, és hogy ezek a tényez k hogyan befolyásolják a k zetek reakcióját az égés által létrehozott mechanikai és termális hatásokra. Például, míg a széntelepek fed jében elhelyezked agyagos rétegek kedvez k a víz visszatartása, vagy a vízzárás szempontjából, valószín leg nem rendelkezik a szükséges mechanikai tulajdonságokkal, hogy integritásuk megmaradjon az égési folyamat után is. Ráadásul néhány agyag olyan ásványokat is tartalmazhat, melyek adszorbeálják a szerves szennyez ket, más agyagok viszont kevésbé hatékonyak. Három példát mutatunk be a rétegtani kritériumok hasznosítására a következ kben, mind a Nagymedence nyugati részének kréta üledékeib l. Az oldalirányú izolációt és a fed
jellegét
figyelembe véve hat kategóriát állítottunk fel (5.3. táblázat). Ezek a példák a relatív, sztratigráfiai alapú osztályozás módszertanát illusztrálják és az esetek túlnyomó többségében a módszer alkalmazható. Hoe Creek a negyedik példa, ahol a rétegtani és egyéb tényez k befolyásolják a végeredményt.
5.8. ábra. A Brooks-McCourt Sorozat keresztszelvénye a Rock Springs-b l, Dél-Wyoming. A szén (fekete) a sorozaton belül. Az izolált szén az #1 telep alatt és a korrelatív elárasztási térszínek jelentik a legkisebb kockázatot a szomszédos porózus, átereszt rétegekbe való beszivárgás esetében (Bohacs és Suter, 1997). 76
5.5.1 Rock Springs Kiemelkedés Els
példánk Dél-Wyomingból a campaniai emelet (kés
Kréta) képviseletében, a
Brooks/McCourt intervallum egységeihez tartozik (Hendricks, 1981; Beauboeuf, et al., 1995). A f bb széntelepek közé tartozik az #1 és a #3 réteg, jóllehet számos változó vastagságú és min ség szénréteg látható a szelvényben (5.8. ábra). A szenek egy része fluviális mederkörnyezetben rakódott le, míg mások a parti síksághoz kapcsolódó területek lápi környezeteit képviselik. Az #1telep alatti szenek a 3. kategóriába (alacsony kockázat) nyernek besorolást és vastag tengeri palák fedik ket. Ezzel ellentétben a #3 telep az 5. kategóriába esik és fluviális homokkövek fedik. A k zetek fizikai tulajdonságainak egyszer vizsgálata nem leplezi le ezt a tényt, csakis a teljes sorozat rétegtani felépítésének elemzése ad erre lehet séget. A kb.
400 m-rel magasabbra elhelyezked Almond Fm. szenei szintén a 3. kategóriába tartoznak, de jobb kifejl dés ek, vastagabbak, izoláltabbak és a Lewis Agyagpala Fm. fedi be ket (Van Wagoner, et al., 1990). Így a Rock Springs kiemelkedésben regionálisan két jó min ség , alacsony kockázatot jelent
réteg alkalmas az UCG-re. A többi szén, bár hozzáférhet , de
általában nagyobb kockázatot jelentene termelésük a porózus és átereszt rétegek közelsége miatt (Erickson Fm.).
part
tenger
5.9. ábra. A Ferron Homokk Tagozat (Mancos Agyagpala Fm., Emery-szénmez ) szénrétegeinek vastagsága, vertikális és horizontális elterjedése (Bohacs & Suter (1997) (LST,TST, lásd 5.3. ábra)
5.5.2 A Ferron Homokk széntelepes összlete A Ferron Homokk Tagozat a Mancos Agyagpala Fm. alkotója és a turoni emelet során (korai Kréta) halmozódott fel Kelet-Utahban (Cotter, 1976). A Ferron egy a Mancos Agyagpalába benyomuló homokk test (prizma), és mint ilyen a szenei zöme valószín leg alacsony és mérsékelt kockázatot jelent (Ryer, 1981, 1984). 77 Az Emery-szénmez n 5 vastag szénréteg kapcsolódik össze egy aggradációstól a retrogradációsig terjed sorozatban. Ezek közül az I és J széntelep jelenti a legkisebb kockázatot, s az I széntelep ráadásul még vastag is (5.9. ábra).
5.5.3 A Blackhawk Fm. széntelepes összlete A campaniai (fels kréta) Blackhawk Fm. progradációs fázishoz tartozó többszörös transzgresszív és regresszíós ciklusok sorozatát tartalmazza (5.10. ábra; Young 1955, Taylor & Lovell, 1991). A sorozat legalább egy tucat nagyobb széntelepet tartalmaz, amelyeket elektromos áram termelése céljából m velnek. A nagy vastagság, folytonosság és gazdasági hasznosság ellenére mindaány réteg nagy kockázati tényez vel bír. Progradációs jellege miatt a sorozatra és környezetében fluviális és deltahomokok települtek laterálisan és vertikálisan. Ezért ezek 5-6. kategóriába sorolt széntelepeknek tekinthet k az üledékes sorozatok kontextusában.
5.10. ábra. A Blackhawk Fm., Kelet-Utah, általános progradációt és többszörös összetett széntesteket mutató összlete (Young, 1955 után) Vannak példák, ahol úgy t nk, hogy a 3. kategóriás szenek jelent s gázfelhalmozódást mutatnak részben a laterális és vertikális rétegtani szigetelésnek köszönhet en (Lamarre, 2002). Ezek a szenek vélhet en kevésbé szivárogtatják át a beinjektált széndioxidot, vagy az injektálás eredményeképpen keletkezett szennyezett vizet, és valószín leg kevésbé érvényesülnek itt a potenciális sztratigráfiai és szerkezeti szivárgási zónák. (Friedmann & Nummedal, 2003). Ha ez
igaz, akkor a módszertan a nem m revaló szenekbe való injektáláshoz kapcsolódó, a szivárgást befolyásoló rétegtani adottságok gyors felmérésére ad lehet séget. 78 A korábbi UCG kísérletek részletes talajvíz-analízise számos, a szén pirolíziséb l származó – a regionális felszín alatti vizeket szennyez mellékterméket mutatott ki (Campbell, et al., 1978; 1979; Humenick és Mattox, 1978; 1982; Humenick et al., 1987; King, et al., 1978; Mattox és Humenick, 1980; Mead, et al., 1982; Stuermer, et al., 1982; Wang, et al., 1981; 1982a). A Hoe Creeknél megfigyelt szerves szennyez k az UCG folyamata során indukált magas h mérséklet pirolitikus lebomlás során képz dtek. Az elgázosítás során az égési zóna h mérséklete meghaladta a 1000°C-ot. A h kiszárítja és pirolizálja a szenet, miközben szerves vegyületek százai képz dnek, amelyek volatiloktól a nagy molekulasúlyú kátrányokig terjedhetnek. A nagyobb nyomás az UCG üregben és a felhajtóer felülmúlhatja a hidrosztatikus nyomást. Ebben az esetben a kontaminánsok a nem melegített zónába is bekerülhetnek, ahol a környezet h mérsékleténél nagyobb forrásponttal rendelkez gáz halmazállapotú kontaminánsok kondenzálódnak és felhalmozódnak. Alacsony h vezet -képességük miatt a szenek h mérsékleti gradiense meghaladhatja a 3000°F/lábat; ezért a kondenzálódott pirolízistermékek nagy része az égéstér falában halmozódik fel, viszonylag közel a forró égési kamrához. A kondenzált égéstermékek vagy elhasználódnak az égéstér növekedésekor, vagy mozognak a kamra növekedésével együtt. Folyamatos gázáram melett a repedésekben vagy egyéb szállítási csatornákon a forró elszök gázok felmelegítik ezeket a csatornákat, lehet vé téve, hogy a normál esetben kondezálódó égéstermékek messze szállítódjanak az égéstérb l (Wang et al., 1982b; Covell és Thomas, 1996).
5.6 UCG kísérleti projektek tapasztalatai 5.6.1 Hoe Creek, Wyoming A Hoe Creek felszín alatti elgázosítási telep 32,4 hektár területen helyezkedik el Campbell megye (Wyoming, Gillette közelében) magántulajdonban lév földjén. 3 kísérleti üzemeltetés zajlott 1976-1979 között. A két elgázosított széntelep, a Felix I és Felix II, vízadókban helyezkedett el, amely fed jét mederhomokok alkották. A vízadók mintázása azt bizonyította, hogy az égéstér összeomlása összekötötte a három vízadó réteget, a felszín alatti víz feltöltötte a reaktorzónát és számos szerves égéstermék került be a felszín alatti vízbázisba. Sok szervetlen vegyület szintén kiszabadult a visszamaradt hamuágyból. Az USA Energiaügyi Hivatala (DOE) jelenlegei tevékenysége a telep remediációjára korlátozódik. A tulajdonjog a Területhasználati Hivatalé
(Bureau of Land Management, BLM), mely jogot adott a DOE-nak a felszín alatti szénelgázosításra és az ezt követ talaj- és rétegvíztisztításra. 1993-ban az Energiaügyi Hivatal egy el zetes felmérést készített a telepre, melyben megállapította, hogy a felszín alatti vizek szennyezése jelent s kockázatot jelent az emberekre és él állatokra a környez
ivókutakon
keresztül, és a telephelyt l alacsonyabban elhelyezked nedves él helyekre szintúgy (Dames and Moore, 1996). 79 A megnövekedett k olajszármazék-szint, beleértve a kátrányokat, maradék szerves szenet és szerves vegyületeket (benzol, toluol, etilbenzol, xilol) elszennyeztek a telepben egy vízadót, mely a felszín alatt 55 méterrel helyezkedett el. A DOE Fosszilis Energiaügyi Osztálya remediációs tevékenységeket
végez
a
helyszínen
Wyoming
állammal
együttm ködve.
Egy
légkeveréses/bioremediációs rendszert dolgoztak ki a szennyezett felszín alatti vizek megtisztítására 1997 júliusában a wyomingi Környezetmin ségi Hivatal jóváhagyásával, és a rendszer 1998 januárjára kiépült. 1998-ban a DOE 64 kutat hozott létre Hoe Creek kútmez in, amelyb l 45 kút a Felix 1 és 19 a Felix 2 széntelepet célozta meg. 1990-ben újabb 50 kutat hoztak létre a Hoe Creek 3-on, ebb l 42 kút a Felix 1-et 8 pedig a Felix 2-t tisztította. Egy tanulmány két égéstermék felhalmozódás-típust különített el, egy könny folyadék fázisút és egy viszkózus szénkátrány fázisút (Dames és Moore, 1995; Covell és Thomas, 1996). Ezek a NAPL lerakódások voltak az els rend
problémaforrások Hoe Creek-nél. A legfontosabb
telephely-specifikus migrációt okozó paraméter a felszín alatti vizek áramlási sebessége volt, és a szennyez k közül a kis molekulasúlyú vegyületek jelentették a nagy problémát, mert nagy vízoldhatóság jellemezte ket, s nem mutattak adszorpcióra való hajlamot. Ezek közé tartoztak a fenolok és a benzol, melyek rákkelt k, s meghaladták a határértékeket (Humenick és Novak, 1978). Hoe Creeknél a legjelent sebb problémát a benzol jelentette. Felszín alatti normál körülmények esetében a benzol vízoldhatósága elég jó ahhoz, hogy gondot jelentsen. A pirolízis folyamata, a kondenzáció egy lepárlási/desztillációs folyamat, amely szerves vegyületek forráspontkülönbségeken alapuló felhalmozódásához vezet. Ez játszódott le Hoe Creek-nél is. A remediáció során (pump and treat módszer) aktív szenet használtak a szerves összetev k eltávolítására. A természetes hígulás lecsökkentette néhány szerves vegyület mennyiségét, de a benzol és a fenol szintje magas maradt. A benzol eltávolításának kudarca kombinált megközelítéshez vezetett, melyben a légkeveréses tisztítást és a bioremediációt egyaránt használták (Covell és Thomas, 1996). A légbefúvásos-bioremediációs rendszer m ködését 5 évre tervezték az üzemleállítás után: ebb l egy évet annak vizsgálatára fordítanak, hogy a felszín alatti vizekb l sikerült-e eltávolítani a
szennyez ket. Ha a szennyezés még mindig mérhet , a rendszer újra m ködésbe lép egy évre, vagy mindaddig, míg a mért érték a határérték alá süllyed, amely már elfogadható a wyomingi Környezetmin ségi Osztály számára. Az elgázosítási kísérlet sikeresen végrehajtásához a DOE kutatási és fejlesztési licenszhez, engedélyhez jutott a Környezetmin ségi Osztálytól és a Földmin ségi Alosztálytól. A törvényi kereteket ehhez az 1973-as wyomingi Környezetmin ségi Törvény és a felszíni bányászati törvény 1977-b l biztosította. 80 Ennek eredményeként e törvényeknek meg kell felelni még a tulajdon átruházása el tt. A felszín alatti vizek koncentráció értékei nem haladhatják meg a háttérkoncentrációt, vagy bizonyos tiltásokat kell életbe léptetni, ahol csak a Best Practicable Technology (BPT) haszálata lehetséges. Az alkalmazott remediációs rendszer BPT-nek min sül. A DOE felel s a tevékenységek fenntarthatóságáért és a felügyeletért Hoe Creek-nél. A remediáció után, melyet 2006-ban terveznek befejezni, a DOE - Wyoming állammal összhangban - figyeli a felszín alatti vizek és a növényzet állapotát 2014-ig. A szükséges hosszútávú, széleskör tevékenységek közé tartozik a talajvíz és növényzeti monitoring, a folyamatos dokumentáció és az intézményes ellen rzés, s ha szükséges, fúrási korlátozások bevezetése is a Wyomingi Állami Mérnöki Hivatalon keresztül (U.S. Environmental Protection Agency, 1999). A hosszú távú kezelési tevékenység költsége, beleértve a felszín alatti vizek monitoringját, a dokumentációt és az intézményi felügyeletet, 3 millió dollárra rúg 2004 és 2014 között. Ezután a BLM a víztisztítást követ en eladhatja a tulajdont. A felszín alatti vizek remediációja után a DOE nem lesz felel s a Wyomingi Környezetmin ségi Osztálynak, és a kutatási és fejlesztési engedély lejár. A földet valószín leg a BLM eladja, és állattartásra használják majd (U.S. Environmental Protection Agency, 1999).
5.6.2 Carbon County, Wyoming A meredeken d l széntelepes rétegsoron kezdett UCG kutatásokat 1995 áprilisa és augusztusa között végezték az Indian Springs Coal Resource területen Rawlins (Wyoming) közelében. A m velet el tti, majd az azt követ monitoring azt mutatta, hogy néhány szervesanyag megnövekedett koncentrációban van jelen a felszín alatti vizekben az elgázosítás után. Ismét, mint Hoe Creek-nél, magas benzolszintet mértek a felszín alatti vízadókban a céltelepben, a szénrétegek fed jében és feküjében.
5.6.3 Chinchilla Projekt, Ausztrália A Linc Energy, Ltd. és az Ergo-Exergy szerint a Chinchilla UCG-projekt során nem állapítottak meg felszín alatti vízszennyezést. Ez az optimális üzemi feltételeknek köszönhet : az elgázosítás nyomása alacsonyabb volt, mint a fed
és a széntelep nyomása (5.11. ábra). Ennek
eredményeként az elgázosítási kamrából nem került sor vízkiáramlásra, termékvesztésre, vagy szennyez k kikerülésére (5.12. ábra). A telephelyen, melyen minden évben környezetvédelmi auditálás zajlik, teljes az összhang a környezethasználati terv és a környezetvédelmi ügynökség szabályai és szabványai között. Az egyik kulcsfontosságú jellemz
a felszín alatti vizek
folyamatos megfigyelése 19 monitoringkúttal a telephely szomszédságában. 81 Blinderman (2003a, 2003b) szerint az adatok nem utalnak felszín alatti vízszennyezésre, felszíni szennyezésre, vagy süllyedésre.
5.11. ábra. Az UCG m ködése negatív nyomáson (Blinderman és Jones, 2002 után)
5.12. ábra. Szerves szennyez k, benzol, fenol és policiklikus aromás szénhidrogének, koncentrációja összevetve Chinchilla (els három oszlop) Hoe Creek és Carbon County adataival. Az égéstér környezetében a kondenzálódott víz és olaj, a második és harmadik oszlopban nagy értékeket mutat, de a talajvízben az 1. oszlopban a háttérszint (vörös szaggatott vonal) alatt maradt (Blinderman és Jones, 2002).
82 ' (
$% )%
A széndioxid-leválasztás és csapdázás (CCS) az üvegházgázok csökkentésének egyik alapvet technológiai elemévé n tte ki magát, különösen a szén-dioxid és geológiai elnyeletése esetében. A széndioxid általában szuperkritikus állapotban tárolható geológiai rétegekben. A geológiailag alkalmas rétegek közé tartoznak a mély, sós vízadó/víztartó-rétegek, kitermelt gázmez k, aktív olajmez k (EOR), kimerült olaj- és gázmez k és m velésre alkalmatlan széntelepek. E célrétegek mindegyike gyakran társul az UCG-re kiválasztott széntelepekhez, vagy helyezkedik el közelükben. Számos alkalommal hangsúlyozták, hogy a szénmedencék jó lehet ségeket nyújtanak a tározásra (e.g., Schroeder, et al., 2001; Stevens, et al., 1998), ezért valószín nek t nik, hogy a tárolás a jöv beni UCG telepekhez köt dik majd. A széndioxid-elnyelés gazdaságossága és a tárolási helyek egybeesése az UCG-CCS eljárást vonzó széndioxid-kezelési perspektívává teszik.
6.1 A széndioxid leválasztása Három f
megközelítés létezik a szén-dioxid leválasztására, elnyelésére ipari és er m vi
alkalmazások esetében (Thambimuthu, et al. 2005): • az égetés utáni (post-combustion) rendszerek az els dleges energiahordozók, mint a szén és a földgáz elégetéséb l származó gázáramból különítik el a széndioxidot; • az oxigén üzem égetés oxigént használ leveg helyett, s g zb l és széndioxidból álló kürt gáz keletkezik. Ebben az esetben a széndioxid elég egyszer en elkülöníthet a g z kondenzálásával; • az égetés el tti rendszer különválasztja a hidrogént és a széndioxidot. A három módszer bármelyike kombinálható az UCG-vel széndioxid leválasztása és csapdázása céljából. Az égetés utáni eljárás egyértelm . Az oxigén üzem égetés akkor használható, ha mind a gázosítás, mind az égetés inkább oxigént, mint leveg t használ. Az égetés el tti eljárás akkor alkalmazható, ha a gázosítás során oxigént használnak, amelyet víz-gáz átalakuláshoz vezet reakciók követnek, hogy a szén-monoxidot széndioxiddá alakítsák át, így hidrogén és széndioxid áramot állítva el , amelyb l a széndioxid könnyedén elávolítható több eljárás segítségével is. Thambimuthu, et al. (2005) a széndioxid elnyeletésének költségeit elemezte külöféle piaci, félpiaci technológiák összevetésével. „Az er m vek számára a jelenlegi széndioxid csapdázási rendszerek 80−90% kW/h-val csökkentik a széndioxid kibocsátást (85−95% csapdázási hatékonyság). Eközben minden er m típusnál az elektromosság költsége (COE) 12−36 US$ MWh−1 (US$ 0.012−0.036 kW/h)-kal n tt - egy hasonló típusú, de csapdázás nélküli er m esetében - amely megfelel 40−85% -os növekedésnek egy szuperkritikus porított szén alapú er m nél (PC), és 35−70% -nak egy kombinált ciklusú földgázzal m köd (NGCC) er m esetében és 20−55%-ot egy integrált elgázosítással m köd kombinált ciklusú bitumenes szenet használó (IGCC) er m nél. 83 A COE a fosszilis energiahordozókkal m köd széndioxid-csapdázásos er m veknél 43−86 US$ MWh−1, mely széndioxid-tonnánkénti 11−57 US$ csapdázás esetén vagy 13−74 US$ a széndioxid keletkezésének megakadályozása esetén (ez függ az er m típusától, méretét l és más tényez kt l). E költségek tartalmazzák a széndioxid kompresszióját, de nem a további szállítási és tárolási költségeket. Az NGCC üzem er m vek alacsonyabb COE-vel rendelkeznek, mint az új PC (szénpor alapú) és IGCC (széndioxid-csapdázással vagy anélkül), 4 US$/GJ alatti gázárak esetén. A legtöbb tanulmány szerint az IGCC er m vek kicsivel költségesebbek leválasztás nélkül, és kicsivel olcsóbbak csapdázás esetén, mint a hasonló PC er m vek, de a csapdázás költségbeli különbségei függnek a szén típusától és egyéb faktoroktól. A legkisebb széndioxid költségek (átlagosan kb. 12 US$/felfogott t CO2 vagy 15 US$/megakadályozott t CO2) a hidrogént termel ipari üzemeken álltak el , melyek koncentrált
széndioxid-áramot állítottak el ; az ilyen ipari folyamatok képviselhetik a CCS (széndioxid leválasztás és csapdázás) legkoraibb lehet ségeit. A széndioxid elnyelésének költségei minden esetben függnek a technikai, gazdasági és pénzügyi tényez kt l, melyek a termelési folyamat valamint az alkalmazott széndioxid-leválasztási és csapdázási módszerek tervezéséhez és m ködtetéséhez kapcsolódnak. Így az alternatív technológiák vagy a CCS költségeinek összehasonlítása és becslése körültekintést igényel, hogy az eredmények értelmezhet k s valóban összevethet k legyenek”. Fontos felismerni, hogy az új vagy továbbfejlesztett széndioxid elnyelési módok, melyek az új típusú er m vek fejlesztéseihez kapcsolódnak, lehet séget nyújtanak az elnyelés költségeinek és a hozzátartozó energiaszükséglet csökkentésére. A gazdasági hasznosítású technológiák fejlesztése 20-30%-kal csökkentheti a széndioxid-elnyelés költségeit a következ évtizedben (Thambimuthu, et al., 2005). A fejlesztés alatt álló új technológiák még jelent sebb költségcsökkenést eredményeznek, függ en a K+F tevékenységre fordított költségekt l. A széndioxid leválasztására, más gázoktól való elkülönítésére számos eljárás létezik, amelyeket a következ képpen csoportosíthatunk. • elnyel , abszorbeáló rendszerek, ahol folyadékban való elnyeletést használnak a széndioxid elnyeletésére az els
fázisban. Az adszorbeált széndioxiddal terhelt folyadékot a következ
fázisban megtisztítják, és visszaforgatják, újrahasznosítják. A széndioxidot további eljárások során kezelik és el készítik a kivonásra. Példa erre az amin-alapú széndioxid-elnyel rendszer. Legalább három, folyadékot hasznosító elnyelési technika van a kereskedelmi forgalomban. • membrán szeparáció, ahol egy szelektív membránt használnak, hogy a széndioxid vagy a többi gáz átjusson és elkülönítsék a többit l; • kriogén szeparáció, ahol a teljes gázkveréket cseppfolyósítják és a gázkomponenseket desztillációval szeparálják. Világos, hogy nem minden technológia alkalmazható minden esetben. A három technológiatípus részletese leírása megtalálható Halmann and Steinberg monográfiájában (1999). 84
6.1. ábra. Széndioxid-csapdázás nélküli és csapdázással m köd er m típusok hatékonysága %-ban LHV-alapon (Thambimithu, et al., 2005 után, és az itt található hivatkozások Davison 2005, IEA GHG 2004, IEA GHG 2003; 5 IEA GHG, 2000b; Dillon et al., 2005).
6.2. ábra. A f t anyaghasználatban jelentkez százalékos emelkedés/kWh a széndioxidleválasztás hatására, összevetve a hasonló üzem , de csapdázás nélküli er m vekkel Thambimuthu, et al., 2005 után, Davison, 2005; IEA GHG, 2004; IEA GHG, 2003; IEA GHG, 2000b; Dillon et al., 2005).
85 A fenti konvencionális technológián túl új eljárások is fejlesztés alatt állnak. Ilyenek pl.: • újabb oldószerek; • adszorpció molekuláris szitákon vagy aktív szén segítségével PSA használatával (pressure swing adsorption, nyomás hatására bekövetkez
adszorpció) vagy TSA (temperature swing
adsorption, h mérséklet által befolyásolt adszorpció); • szilárd szorbensek, mint nátrium- és káliumoxidok és karbonátok; • új típusú membránok; • hibrid membrán-oldószer folyamatok Az UCG-alapú er m specifikus energiaigényét még nem elemezték, bár becslések már születtek erre (Thambimuthu, et al., 2005). A 6.1. és 6.2. ábra mutatja a különböz típusú er m vek energiahatékonyságát.
6.2 UCG és a hagyományos széndioxid-leválasztás és csapdázás (CCS) Sokat írtak már a geológiai széndioxid tárolásról a különböz rétegekben (GCS). A Klímaváltozás Kormányközi Bizottsága (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) speciális jelentésben tette közzé a széndioxid leválasztásának és csapdázásának eredményeit (Thambimuthu, et al., 2005), ahol az 5. fejezet a geológiai tárolásról szólt. Az UCG-hez társuló GCS, valamint a CCS fizikai és kémiai folyamatai, elméleti háttere, célpontjai és költségei között nincs jelent s különbség. A másodlagos tényez k, mint a kontaminánsok, szennyez k egyidej tárolása (pl. kénhidrogén) szintén hasonló lehet ségekkel rendelkeznek. Valószín tlen, hogy a GCS és az UCG m ködtetése – a geológiai viszonyokat tekintve - zavarná, akadályozná egymást. A hagyományos tárolás során a széndioxidot szuperkritikus állapotban táplálják be, rendszerint 800 méternél mélyebben fekv rétegekbe. A sekély UCG projektek esetében (kisebb, mint 500 m) pedig a CCS és az UCG elkülönítése nagy k zettestek által válik lehet vé és valószín tlen, hogy anyagtranszport lejátszódna közöttük. Jóllehet nyomástranszfer lejászódhat a széndioxod rezervoár és az UCG-re kijelölt telepek között, ez a nyomásváltozás viszonylag kicsi az elgázosítás során keletkez nyomásváltozásokhoz képest, s míg az üreg nyomása a hidrosztatikai nyomást nem haladja meg, a transzportra nem lesz hatással. Valószín tlen, hogy van bármilyen zavaró hatás az UCG és a CCS komponensek között, ami miatt azt külön kellene kezelni.
6.3 UCG és az égéstérben való széndioxid-tárolás lehet ségei Az el bbi vizsgálatban a hagyományos széndioxid raktárak alkalmasnak bizonyultak az UCG szintézisgázáramlat széndioxid-mentesítésére. De van lehet ség az UCG folyamat során a reakciótérben keletkezett üregben való tárolásra is. Számos tényez arra mutat, hogy a reakciótérben, égéstérben való széndioxid tárolás (RZCS) el nyös, de vannak problémái is. Ezeket a következ kben felsoroljuk, a célból, hogy körüljárjuk a kockázati faktorokat és egy kutatási terv vázlatát körvonalazzuk a jövend re nézve, mely csökkenti e kockázati faktorokat. 86
6.3.1 Az RZCS lehetséges el nyei és hátrányai A széndioxid UCG üregekben történ tárolásának 3 nagy el nye emelhet ki. Az els , hogy ott megfelel tér (kapacitás) áll rendelkezésre. Az UCG során nagy méret (5-8 méter átmér j ) üreg keletkezik két kút között. Egy egyszer égés, 300 m térköz kutakkal 6000-15000 köbméter üreget össztérfogatot jelenthet. Ha az üregek csak fele hozzáférhet (köszönhet en a tet , vagy az oldalfalak gyakori beomlásának) 1000 m mélyen, a hagyományos geotermikus gradiens-értékkel számolva (30ºC/km), közel 1700-4500 tonna széndioxidot lehet elraktározni az üregekben. A másik el ny, hogy a kutak eleve elérnek üregekig. Az égetés szakszer végrehajtása esetén mind a termel , mind a betáplálókút alkalmas a széndioxid felszín alá juttatására, mind az eltömítésre és a felhagyásra. Mivel maga a kútfúrás a tárolási költségek jelent s részét tenné ki (40-60%), ez a tény önmagában is csökkenti a tárolás költségeit. Végül a szén fizikai tulajdonságai szintén kedveznek az elnyeletésnek, tárolásnak. El ször is a szenek a széndioxid jelenlétében megduzzadnak és plasztikussá válnak, ennek következtében a repedések bezárulnak, s a porozitás csökken. Másodsorban a széndioxid szerves anyagokon való megköt dése csökkenti a széndioxid szivárgását, mivel az üregb l eltávozó széndioxid megköt dik a szénmátrix felületén. Végül, ha a szén egy regionális vízzáró alatt helyezkedik el, akkor el ször az üreg fala, majd a szénmátrix, legvégül a fed k zet akadályozza a széndioxid távozását. A tározótér ilyen meger sítése csökkentheti a tározási kockázatokat és növelheti a megbízhatóságot. Elképzelhet , hogy a tárolási problémák felülmúlják az itt említett el nyöket. Az els probléma, hogy az üreg maga is meglehet sen zavart jelleg . A h , a hirtelen h lés, a vízbetörés és a fal beszakadása súlyosan csökkenthetik az üreg integritását. Ismeretes, hogy ilyen folyamatokkal talákozhatunk az UCG során, ezért nehéz el rejelezni ezek nagyságát a tározás el tt. Jóllehet a gondos telephely-választás csökkentheti ezek jelent ségét, de nem valószín , hogy teljesen elhanyagolhatók lennének.
Másodszor, a széndioxid kölcsönhatásba lép a vízzel, szénsavat formázva, amely viszont reakcióképes a szénnel, faszénnel és a hamuval, s ez kénessav, kénsav képz déséhez vezethet. Ezek a savak kiszabadulhatnak a tárolóüregb l és reakcióba léphetnek a k zetekkel és a fluidális kéreganyaggal. Ezekben az esetekben a fémek és más káros anyagok kilúgzódása és szivárgása a vizekbe jelent s lehet. Ráadásul a szerves illóanyagok, mint a benzol, feloldódhatnak a széndioxidban, kikerülhetnek a rezervoárból és felfelé vándorolhatnak a kérgen keresztül a széndioxiddal egyetemben. Ezek a folyamatok jelent sen növelik a felszín alatti vizek szennyez désének kockázatát, még mély UCG projektek esetében is. Végül a kéreg maga is heterogén közeg. A felszín alatti m veletekben mindig lesz egy bizonytalansági tényez . Míg ez a bizonytalanság sem az UCG-re, sem a szeparált CCS-re nem hat, a repedéshálózat kezdeti eloszlásának, a kéregszerkezet reakciójának bizonytalanságai, a repedéshálózat fejl dése a süllyedésnek köszönhet en és az üreg csurgalékvizeinek és szénmaradványainak összetételbeli bizonytalanságai bonyolítják a tárolási m veletek sikerességét. Tudván, hogy a széndioxid injektálása a h mérséklet, nyomás, feszültség, pH, kémiai összetétel, a reakciósebesség, s a szén átereszt képességének, porozitásának változását eredményezi (6.3. ábra), egy tudományos program elindítása ezen válaszreakcióknak jobb megértéshez hasznos lenne. 87
6.3. ábra. A reakciótér tulajdonságait befolyásoló fizikai és kémiai változók sematikus ábrája.
6.3.2 A f tudományos problémák A tároláshoz szuperkritikus állapotú széndioxid szükséges, azért, hogy számottev térfogatú gázt tárolhassunk. Ehhez viszont 800 méternél mélyebb UCG üregekre van szükség. Ez az injektálás idejét az üreg kiégése és leh lése utáni id szakra korlátozza. Ha mégsem így járunk el, akkor az aktív vagy reziduális h anomáliák lehet vé teszik, hogy a széndioxid gázként kitáguljon, vagy növelje az üregben uralkodó nyomást és az ehhez kapcsolódó környezeti kockázatot. Sajnálatos módon, ha az injektálás azután következik be, hogy az üreg megtelik sós csurgalékvízzel, a könnyen illó szerves anyagok távozhatnak az injektálás során kiszorított vízzel együtt. Ez azt jelenti, hogy egy minimális áramlás lesz a szigetel fed vel bíró sós formációkon belül. Szerencsére, a kiszorított víz nem úszik és áramlik tova, hanem a célterület közelében marad. Miel tt a széndioxid üregbe injektálására vonatkozó programok megindulnak, számos kulcsfontosságú tényez t kell figyelembe venni. Ez a kezdeti lista a f bb gondokat és a megoldásukra irányuló kísérleteket tartalmazza: • h mérsékleti és nyomásviszonyok: Az üreg h mérséklete az adott nyomáson kell en alacsony kell hogy legyen, elkerülend a széndioxid belobbanását (flashing), forrását (boiling). Hasonlóan az injektálási nyomásnak is alacsonynak kell lennie, elkerülend a fentieket. A hirtelen fázisváltozás kockázatát ismerni kell, mint az injektálás alapfeltételét, s ez mind szimulációkat, mind kísérleteket igényel. • geomechanikai válaszreakciók: Az injektálási nyomásnak meg kell haladnia a hidrosztatikai nyomást, hogy az üregben lév folyadék kiszorítása lehetségessé váljon. 88 Ez számos geomechanikai válaszreakciót eredményez, mint a repedések tágulása, kéreg emelkedése, és a törések lehet sége. Ezek a feszültségtér és a törésgeometria függvényében változnak, amit nehéz leírni ilyen körülmények között. Ez a kockázat növekedhet a tet és az oldalfalak beomlása esetén. Ezzel ellentétben a szén duzzadása a repedések bezárulásához vezet. Érvényes geomechanikai modellre van szükség a feszültséget és a deformációkat illet en, amelyek geomechanikai/folyadékáramlási szimulátorokkal társulnak. • a felszín alatti vizek elvándorlásának kockázata: A hidrosztatikai nyomást meghaladó nyomáson történ injektálás kiszoríthatja az üregben lév csurgalékvizeket a széntelep és a környez rétegek felé. Ez a szerves illóanyagokat és a nagy fémkoncentrációt az üregb l a sós víztartókba és a szénrétegbe öblíti át. Ezen anyagok jellegét részletesen körül kell írni, és szimulációk és kísérletek során koncentrációjukat és sorsukat modellezni kell.
• geokémiai válaszreakciók: a CO2 injektálás szénsavat eredményez az üregben, amely gyorsan reakcióba léphet az üregben lév szénnel, k zettel, hamuval, vagy salakkal. Ez a fémek bemosódásához vezethet az üregben lév vízbe, ami növeli a felszín alatti vizek szennyezésének veszélyét. Hasonló módon az injektálás mobilizálja a kenet, ami kénsavképz déshez vezet, megváltoztatva a helyi kémiai viszonyokat, növelve a kockázatot. A VOC-vegyületek feloldódhatnak a szén-dioxidban és a mobilis közegben maradva elszivároghatnak. A tipikus szenekben el forduló reagenstípusok reakcióképességét vizsgálni kell, amely a kémiai reakciókon alapuló transzport szimuláció alapjául szolgálhat. • a CO2 sorsa: a szabad fázisú (free-phase) széndioxid szuperkritikus állapotban marad és jelent s saját felhajtóer vel rendelkezik. Ez felfelé ható nyomást gyakorol az üregre és hasonló kockázatokhoz vezet, mint a hagyományos széndioxid-tárolás esetében. Ebben az esetben a geomechanikai kockázat, a törések mentén bekövetkez vándorlás veszélye és a kutak szivárgásveszélye még nagyobb lesz a h sokknak és a törmelékesedésnek köszönhet en. Az üregben történ tárolás során jelentkez specifikus szivárgási veszélyeket körvonalazni kell, összhangban a hagyományos folyamatokkal (szén-gáz adszorpció). A tudományos feladatok nagyok, mivel a rendszer nem-lineáris jelleg és korlátozottan ellen rizhet . És így jelent s tudomyányos er feszítésekre lesz szükség a f problémák megoldásához.
6.3.3 Tudományos program körvonalazása az RZCS kockázatainak és veszélyeinek megoldása érdekében Ez az el zetes analízis számos kulcskérdést tárgyal, mely a széndioxid UCG üregbe való injektálásából származik. Az el nyök jelent sek lehetnek, és ha a telephelyválasztás körültekint en zajlik lecsökkentve a rétegtani és szerkezeti földtani kockázatokat, ezek a problémák kezelhet vé válnak. Egy átgondolt, célirányos kutatóprogram lehet vé teszi a geológiai széndioxid tárolás veszélyeinek és hatásainak körvonalazását. Egy ilyen program szükségszer en nagy mennyiség laboratóriumi és szimulációs tevékenységet igényel, hiszen a korábbi UCG terepi kísérletek során nem történt geológiai széndioxid-tárolás, hiszen a telephelyek gyakran túl sekélyek voltak ehhez. 89 A javított geomechanikai modellek kulcsfontosságúak egy ilyen er feszítés során, s képesnek kell lennie a töréshálózat és az alagút-beszakadás modellezésére a nyomásviszony változása
esetén. A jó szimuláció képes a sztratigráfiai viszonyok figyelembe vételére, az anyak zet és a szomszédos k zetek sajátosságait illet en és a f problémát jelent anyagokra, kátrányokra és salakhamura vonatkozó fókuszált laboratóriumi kísérletekkel támogatadó. Minden említett területre fókuszálni kell, kockázatbecslést kell végezni, miel tt egy telephelyet kiválasztunk a széndioxid felszín alatti tárolására. 90
(
++
,
A széles kör tapasztalatok, a hosszú szakirodalom és a folyamatban lév gazdasági célú UCG kísérletek elegend
információt biztosítanak a legfontosabb tanulságok levonására. Ezek
hasznosak a potenciális befektet k, m ködtet k és döntéshozók számára a tervezési fázisban, a döntéshozatalban és a m ködtetésben egyaránt. Ezeket a tapasztalatokat lent részletesen kifejtjük, de összefoglalva a következ k mondhatók el: • A telephely geológiai szempontú jellemzése központi jelent ség a technikai siker elérése és a környezeti kockázatkezelés érdekében; • a szimulációk jobb betekintést nyújthatnak a felszíni létesítmények tervezésébe, m ködtetésébe • az UCG projekteket kisebb („negatív”) reaktornyomáson kell m ködtetni, hogy a vizet a reaktorzónába vonzzuk, az eláramlást megakadályozandó.
7.1 Telephelyválasztás és m ködtetés 7.1. táblázat. Az UCG telephelyválasztás és m ködtetés minimum-követelményei. Szénülés foka
Minimális követelmények Bitumenes vagy gyengébb min ség
Széntelep vastagsága
> 0,5 m vastagság
Telep mélysége
12 m
Telephely hozzáférhet sége
Széles kör fúrási és monitorozási lehet ségek Talaj/rétegvízszint alatt Helyi ivóvízkészlet kizárva
Vízszint Víz összetétele
Egyéb megjegyzések Problémát okozhat a magas fokú szénülést mutató bitumenes szén 1,5 m vastagság felett el nyösebb 150 m-nél mélyebb rétegek alkalmasabbak
Jobb, ha nem ivóvíz min ség TDS>1000ppm
Az UCG biztonságosan m ködtethet
különféle feltételek és széntípusok mellett is. De a
közeljöv ben a környezeti problémák megkívánják a telephely tulajdonságainak átgondolását jóval az égetés megkezdése el tt: • a telephelyeknek ki kell elégíteniük a 7.1. táblázatban lefektetett minimális követelményeket; • a sztratigráfiai és szerkezetföldtani jellemzés szükséges a megfelel
információmennyiség
el állításához a gyors kockázati kiértékeléshez (lásd 5. fejezet); • a 200 m-nél mélyebb telephelyek alkalmasabbak; • az er s vagy merev fed rétegek szintén el nyösek; • azon telephelyek kevesebb figyelmet érdemelek, ahol a széntelepek, vagy a környez rétegek ivóvízbázisnak tekinthet k.; • csökkentett figyelem illeti az er sen deformált szerkezeteket, illetve a meredeken d l rétegeket. 91 Az els két pont a legfontosabb, mely meghatározza a m ködtetés kereskedelmi és technikai sikerét. Számos más probléma is gyorsan tesztelhet (pl. meredeken d l rétegek). Ezek a telepek eredend en nagy kockázattal bírnak és csökkent
tényez k felkutatására is szükség lehet a
kezdeti megnövekedett kockázat elhárítása érdekében.
7.2 Az UCG égetés beindítása Számos különféle megközelítés létezik az UCG beindítására (pl., UCG, CRIP, nyílt színi begyújtás). Az irodalom alapján azonban nem egyértelm síthet , hogy melyik a legalkalmasabb eljárás az égés beindítására. Mivel az égetés beindítása nagyban függ a termel és betápláló kút közötti kapcsolat létrehozásától (közös légtér kialakításától), a technológia megválasztása a szenek átereszt -képességét l és permeabilitásától függ. Ez megintcsak szükségessé teszi a telephely jellemzését, tulajdonságainak felmérését a tesztelés megindítása el tt.
7.3 Felszíni létesítmények telepítése és m ködtetése A Chinchilla projekt demonstrálta, hogy az UCG szintézisgáz termelése és szállítása kivitelezhet állandó sebesség és összetétel mellett is. De a jelenlegi technológiai fejlettségi szint és tapasztalat alapján elmondható, hogy a gáztartalom, min ség, összetétel és a hozzákeveredés nem elhanyagolható. Ráadásul kátrány, VOC, higany és kén termel dik, jóllehet kisebb mértékben, mint a felszíni elgázosítás esetén. Ezzel összefüggésben a felszíni létesítményeket úgy kell kialakítani, hogy ezeket a termelés (és termék) tulajdonságait befolyásoló tényez ket,
különbségeket kezelni tudják. Bár számos lehetséges megoldás létezik, de ezek közül a megfelel t már korán, a kérdéses telep mélysége és összetétele ismeretében ki kell választani. A szimulációk további betekintést nyújtanak a kérdéses rendszer varianciájába.
7.4 A m ködési terület kiterjesztése Az UCG szintézisgáz valószín síthet elektomos
áramtermelés)
jelent s
felhasználása (folyékony üzem- és f t anyagok,
t kebefektetéseket
igényel
fix,
nem
mozdítható
létesítményekbe. Kezdetben az UCG reaktor meglehet sen közel helyezkedhet el ezen létesítményekhez. De az id során, a kutak számának növekedésével, hogy hozzáférjenek a további széntelepekhez, a kitermelend mez eltávolodik a felszíni létesítményekt l. Míg ekkor a teljes igénybe vett terület (ökológiai lábnyom) kicsi marad, valószín , hogy cs vezetékekre lesz szükség, hogy a szintézisgáz mihamarabb eljusson az er m be. Ez a m ködtet számára csak kisebb kihívást jelent, de tervezését más a kezdeti fázisban el kell kezdeni. 92
7.5 Környezet-menedzsment 7.5.1 Kútterevezés és kivitelezés A kutak épsége fontos kihívás a felszín alatti vizek védelme és az égési folyamat irányítása érdekében. A kutak elhelyezése során el kell kerülni azokat a helyeket, melyek k zetdeformációt vagy felszínsüllyedést mutatnak, amelyek befolyásolhatják a kút épségét. Az irányított fúrás használható az elhelyezés problémáinak elkerülésére egy geológiailag instabil területen. A kút kialakításához használt anyagoknak korrózióállónak kell lenniük és bírniuk kell a megnövekedett h mérsékletet, melyet az injektálás és a termelt folyadékok okoznak. A mechanikai tesztelés (MIT) kezdett l fogva ajánlatos és az UCG során szabályos id közönként szintén érdemes elvégezni.
7.5.2 Kutak üzemeltetése A befecskendezett g z vagy folyadék nyomása a kulcs, mely az égési folyamatot irányítja és megakadályozza a termelt gáz elszivárgását és a szennyez k szökését az égéstérb l. A túlságosan magas betáplálási nyomás, miként Hoe Creek-nél történt, jelent sen növeli a szennyez k felszín alatti vizekbe jutásának veszélyét. A betáplálási nyomás határait el zetesen kell megállapítani és
az üzemeltetés során végig monitorozni kell. A szovjet módszer, mely a betáplálókút és a termel kút közti permeabilitás növelésén alapult, szintén lehet vé teszi, hogy gáztermékek és a könnyenilló szennyez k bekerüljenek a nagy permeabilitású repedésekbe, csatornákba másodlagos migrációs útvonalakon keresztül. A megfelel
betáplálási áramlási sebesség, a
folyamatos áramlás fenntartása szintén fontos. A nagy áramlási sebesség pneumatikus pumpaként emeli fel a felszín alatti vizet és a szennyez ket a reakciózónából a felszínre. Az optimalizált áramlási sebesség biztosítja a kívánt égési h mérsékletet, ami számos szennyez elégetéséhez vezet.
7.5.3 Az égésfront szabályzása és ellen rzése Az in situ elégetéssel keletkezett üregek omlásokhoz vezethetnek az égéstérben, melyek befolyásolják a termel
és betáplálókút épségét, miként a szigetel ként m köd
rétegtani
egységekét is. A monitoring és az égésfront ellen rzése megakadályozza a nem tervezett útvonalak kialakulását és az üregnövekedést a kutak közvetlen szomszédságában (lásd 7.5.7 fejezet).
7.5.4 Bezárás és felhagyás Ha az in-situ kitermelés során a szenek és a felszín alatti ivóvízbázis hidraulikus kapcsolatban állnak, akkor a reakciótérben maradó szennyez ket el kell távolítani, elkerülend a felszín alatti víz kés bbi elszennyezését. Az USA teszhelyszínein az eltávolítást irányított árasztással és a víz reakciótérbe pumpálásával, szivattyúzásával érték el. Ráadásul a kút teljes hosszában való eltömítése és az ezt követ
körültekint
kezelés a betápláló, termel
és megfigyel kutak
felhagyása esetében szintén szükséges. A cementtel, bentonittal vagy fúróiszappal való tömítés megakadályozhatja a szennyez k vándorlását. 93 Függ en a fúrólyuk fenékkiképzését l és a kút égéstér l való relatív távolságától, a kútkiképzés megkövetelheti egy packer (pakker, vízadó réteget kizáró gumiharang) kialakítását a kútfurat alján a kútkiképzés során, majd a kút feltöltését.
7.5.5 A felszín alatti vizek védelme A Hoe Creek-nél és Williams telephelyen lejátszódó események felhívták a figyelmet az UCG jelentette környezeti veszélyekre a vízbázist illet en. A Cinchilla projekt bizonyította, hogy e
veszélyek elkerülhet k, ha a reaktornyomást a környez nyomásmez értéke alatt tartják (negatív nyomás, a litosztatikus nyomással nagyjából megegyez érték). Ilyen esetekben a víz a befogadók zetb l az UCG-üregbe áramlik, ezáltal megakadályozza a szennyez k szomszédos vízadókba való bekerülését. A „negatív nyomáson” történ üzemeltetés jelent sen csökkenti a felszín alatti vizekre jelentett veszélyt. A rossz telephelyválasztáson túl, mind Hoe Creek, mind Williams azért vált problémássá, mert ivóvízbázison belül helyezkedett el a szénréteg. Az ivóvízkészlet elszennyez dését elkerül másik módszer a vízadó rétegek alatti mélym velés. A legtöbb medencében a rétegvíz 150-200 m alatt túlságosan sós a hagyományos használatra, ezért az ennél mélyebbi rétegek m velése tanácsos. Megjegyzend azonban, hogy néhány helyen a vadózus zóna rendkívül vastag (> 300 m) és az édesvíz az üledékes egységekben 500 m mélységig is el fordulhat. Általánosságban ezek a zónák jól felismerhet k, behatárolhatók, így az UCG m ködtetése egy ilyen zónában elkerülhet .
7.5.6 Felszínsüllyedés Mivel az UCG szenet gázzá alakít át, majd ezt a gázt a felszínre hozza, a k zettérfogat szükségszer en csökken. Az ennek hatására bekövetkez felszínsüllyedés összehasonlítható a hosszú tárnás felszín alatti kitermelés során bekövetkez terheléssel, ha az UCG is hasonló mélységben m ködik. Ha a szén fed je gyenge, a felszínsüllyedés jobban látható és nagyobb károkat okoz. A felszínsüllyedés csökkentése és kezelése számos módon végbemehet. El ször is, egy nagy mélységben elhelyezked széntelep kiválasztása eleve csökkenti a felszínsüllyedést. Általában véve igaz, hogy a 200 méternél mélyebben elhelyezked rétegkitermelésnek csak kis felszíni vetülete van, részben, mert számos k zet mechanikai er ssége a mélységgel növekszik. Tehát lehet ség van a süllyedés okozta hatások csökkentésére, ha a fed szilárdsága nagy. Másodsorban a fed megfelel szerkezeti és geomechanikai jellemzése központi jelent ség a süllyedés kezelésében. Az egyszer földtani térképezés és geológiai kutatómunka már a kezdeti fázisban is nagy mértékben csökkentheti a süllyedés bekövetkeztében való bizonytalansági tényez t, a kockázati tényez k azonosítása (pl. nagy törési zónák) által. Hasonlóképpen a fed k zetet képvisel k zetmintákon végzett laboratóriumi tesztek szintén szolgáltathatnak becsléseket az UCG célpontok feletti kéregkeménységr l. Végül számos eszköz létezik a szerkezeti analízishez (pl., TrapTester, Rockware, Petrel, GeoSec), amely használható a potenciális kockázati tényez k azonosításához. 94 Természetesen a bonyolultabb szimulációk lényegesen jobb eredményeket hozhatnak és a bizonytalansági tényez jük is alacsonyabb, és nagyobb valószín séggel adnak érvényes, garantált
eredményt a célok és a projektjellemz k tekintetében. Végül a süllyedés valós idej monitorozása mind a felszínen lezajló változásokat nyomozni tudja, mind a felmerül problémák kezelésében segít, lásd a 7.5.7. fejezetet.
7.5.7 Monitoring Mind a felszín alatti vízhez, mind a felszínsüllyedéshez kapcsolódó problémák kezelhet k terepi monitoring tevékenység segítségével. Chinchilla esetében 19 kút mérte a nyomást és a vízkémiát, hogy a felszín alatti vizek szennyez désér l elegend adatot szolgáltasson. Ez a tevékenység nagy jelent ség volt annak bizonyításában, hogy az UCG a felszín alatti vizeket nem károsítja. Hasonlóképpen a süllyedést is számos konvencionális passzív geofizikai eszközzel lehet mérni, beleértve a GPS-állomásokat, InSAR-t és a d lés/billenésmér k sorozatát. A mikroszeizmikus mér m szerek a mechanikai hibákat mérik, amely a fed beszakadásához, a kürt képz déshez és a termelt gáz szökéséhez vezethetnek. A sekélygeofizikai elektromos eszközök sorozata, mint az ERT (elektromos elenállás tomográf), elektromágneses indukciót mér tomográfok lehet séget nyújtanak az üregfejl dés mérésére, a felszín alatti vízmozgásokba, és a termelt gáz szökési lehet ségeinek azonosításában. A monitoring figyelmeztetheti a m ködtet ket a korai fázisban az UCG hatására a kéregen lejátszódó nem várt komplikációkra. Meg kell jegyezni, hogy a korai UCG tesztekre úgy is lehet tekinteni, mint összetett monitoringtevékenység bevezetésére tett, párhuzamos tudományos programokat. Az ilyen megközelítés mind a kéregben lejátszódó folyamatokról és jellemz kr l tájékoztatást nyújt, mind pedig olyan rendszerezett adathalmaz, adatbázis kiépítését teszi lehet vé, mely meggy z módon segíthet csökkenteni a részvényesek és befektet k aggodalmait. Különösen igaz ez a széndioxid termelés és tárolás esetében. A Sleipner és Weyburn projektek esetében, melyek kereskedelmi szempontokat tartottak szem el tt, jelent s tudományos és technikai programok valósultak meg; a SACS és a Weyburn tárolási projektek (Torp és Gale, 2002; Wilson és Monea, 2004). Ezek a kutatóprogramok technológiai fejlesztéseket tettek lehet vé, s a kés bbiekben érvényes szabályozási rendszer kidolgozásában és a társadalmi befogadás el készítésében számítottak mérföldk nek. A biztonságos üzemeltetés kidolgozása és érvényessége jelent sen növelheti az UCG, mint energiaszolgáltató technológia gazdasági kilátásait. Ráadásul, még marad jelent s potenciál a reaktorfolyamatok monitoringjának elvégzésére és így talán a folyamatok kontrollálására is. Maga az UCG (az égési folyamat) monitoringja még gyermekcip ben jár. A kereskedelmi, vagy demonstrációs célokat szolgáló tesztek jelent s el nyt kovácsolhatnának egy átfogó monitoring programból, mely az in situ gáz-átalakítás és a reaktorzóna vizes fázisú anyagmozgásainak jobb megértését célozza. (Lásd: 8.2.2 fejezet, az UCG monitoring K+F tevékenységének hiányosságait).
95
7.6 A széndioxid kezelése 7.6.1 Telephelyválasztás Az UCG telephely kiválasztásának problematikájához társulnak a nagy GCS m veletek telephelyválasztásához kapcsolódó aggodalmak, melyek további figyelmet és megfelel körültekintést érdemelnek. A GCS telephely kiválasztásának szakirodalma b séges, és bár számos eredmény nem elfogadott széles körben, ugyanakkor nagy számú konszenzus született (pl., Friedmann 2005).
Ezek közé tartozik a célrétegek injektálhatóságának, hosszútávú
tárolóképességének, kapacitásának és általános hatékonyságának jobb megértése iránt megnyilvánuló szükséglet. Az ilyen jellemzés költséges, de kulcsfontosságú a technikai sikerhez. Általánosságban lehetséges a GCS-re vonatkozó adatgy jtés az UCG adatgy jtés fázisában. A hasonló adathalmaz (pl. karottázs-geofizika, geofizikai kutatások, magelemzések) mindkét célra alkalmas. Az adatok jó hozzáférhet sége szintén megkönnyítheti a telephely jellemzését, és néhány esetben további adatokra van szükség a projekt telephely-választásában és m ködtetésében rejl kockázatok jobb megértéséhez (pl., MIT ; IEA/CSLF).
7.6.2 A CO2 leválasztása és csapdázása Mint a 7.1. fejezetben említettük, a CO2–ra elkülönített és koncentrált (>95% tisztaság) állapotban van szükség a beinjektáláshoz. Számos UCG alkalmazás (pl. szintetikus földgáz, folyékony
f t -
és
üzemanyagok,
hidrogéntermelés)
hasonló
tisztaságú
széndioxid
mellékterméket hoz létre, mely alkalmas a GCS-re. Áramtermelés esetében a széndioxidot le lehet választani a szintézisgáz égetés el tti fázisában, Selexol vagy Rectisol folyamat alkalmazásával, mely viszonylag kis költséggel jár (~0.01$/kW-h; 24$/t). Ennek használatával a szintézisgázból el állított áram „széndioxid-lábnyoma” nem lesz nagyobb, mint egy hagyományos NGCC eljárás során keletkezett ökológiai lábnyom. Mélym velés UCG esetén (>600 m), a szintézisgáz-áramlat a felszínt nagy nyomás alatt fogja elérni. Néhány kereskedelmi eljárás során (pl. metanol vagy DME-képzés) ez a nagy nyomás felhasználható a m ködési költségek és a többlet energia-igény fedezésére. Hasonlóképpen, néhány széndioxid-csapdázó technológia nagyobb nyomáson hatékonyabban m ködik (pl. fluorizált oldószerek, Nexant-széndioxid-hidrát eljárása). Lehetségessé válik a csapdázási és leválasztási költségek további csökkentése ezen eljárások felhasználásával. Sajnos azonban kereskedelmi méretekben ezek egy részét még nem tesztelték, és alkalmazás el tt további elemzéseket igényelnek.
7.6.3 A CO2 tárolása Mint azt az 5. fejezetben tárgyaltuk, a megfelel telephelyválasztás és jellemzés kritikus lehet a sikeresség
szempontjából.
Általában
a
hagyományos
tárolási
eljárások
(sós
viz
képz dményekben, szénhidrogén-telepeken) hatásai jól ismertek. A GCS ezekben az egységekben valószín leg nem jelent további kockázatot az UCG m veletekre és a projekt kezdetén is célterületekként vehet k számba. 96 Ezzel ellentétben, a nem hagyományos rétegekben való tárolás (agyagpala, bazalt) további kutatásokat igényel, a jelenlegi tudományos szinten el nyeik nem kiaknázhatók. Hasonlóképpen az égéstérben megvalósuló GCS (RZCS) szintén nagy lehet séget nyújt, de nagy kockázatot is jelent (Blinderman and Friedmann 2006). Jóllehet jelent s mennyiség széndioxid tárolása a reaktorzónán belül elvileg lehetségessé válhat, több technikai tudásra van szükség a m ködési nehézségek azonosításához és leküzdéséhez. Ha ez a lehet ség számot tart az üzemeltet érdekl désére, akkor egy gyorsított kutatóprogram képes megszabni a korlátokat, a m ködési feltételeket, a potenciális tárolótér nagyságát, a kockázati tényez ket, kockázatkezelést és – elhárítást. 97
*
-.
.
Nagy számú tudományos és technológiai hiányosság áthidalására lesz szükség az UCG rutinszer alkalmazása el tt. Itt összefoglaljuk azokat a teend ket, melyek a jelenlegi tudásunk és az UCG technológia biztonságos üzemeltetéséhez szükséges tudás közötti hiátus áthidalásához lesz szükséges. Ismereteink hiányosságai két alapvet témakört ölelnek fel: • A CFD elgázosítási modellhez szükséges fejlesztések: o Elmozdulás a statikustól a dinamikus folyamatok, modellek felé o 2-D –t l a 3-D modellezés felé; nincs tengelyes szimmetria o a csatorna hosszának növelése o a sugárzás számításba vétele o a szén – metán kinetika számításba vétele o néhány reakció felszíni reakcióként való kezelése o az égés és újratermel dés, újraalakulás kinetikájának elkülönített számításba vétele o fejlesztések a porózus zóna kezelésében
o a szén lokális fogyásának, hátrálásának (recession) számítása o Az Aspen integrálása a CFD modellel; • Fejlesztések a környezeti monitoring eszközöket és a környezeti hatástanulmányokat illet en o Elektromos kritikus ellenállás tomográfia (ERT) és EM indukciós tomográfia (EMIT) o Passzív szeizmikus monitoring (pl., mikroszeizmikus vizsgálatok) o a kéregdeforáció mérése, mint pl. d lés/billenésmér (tilt-o-meter), InSAR és GPS o az akusztikus, termális, elektromos, deformációs és gravitációs jelenségek megértése és el rejelzése o Integrációs és inverziós eljárások, beleértve a sztochasztikus inverziót, Monte-Carlo Markovláncok segítségével o az UCG égés során az er térben, feszültségmez ben bekövetkez
változások mérése és
el rejelzése és azok hatása a k zet tulajdonságaira o Az UCG hatásának a közet-folyadék rendszerre gyakorolt hatásának kísérleti vizsgálata.
8.1 K+F hiányosságok Bár a fent felsorolt eszközök rendelkezésre állnak, kutatásokra még mindig szükség van ahhoz, biztosítandó, hogy a modellek alkalmazhatók legyenek a megfelel telephely kiválasztásához, biztosítva mind az UCG folyamatok sikeres beindításához szükséges feltételeket, mind azt, hogy a kiaknázható vízadó rétegeket káros hatás nem fogja érni a folyamat során. Jóllehet a legtöbb UCG üzemelése nem járt káros környezeti következményekkel, néhány kísérlet (az USÁ-ban) a felszín alatti vizek szennyezését eredményezte. 98 A telephely-választás és a m ködési és monitoring feltételek összehangolására van szükség ahhoz, hogy a felszín alatti vizekre jelentett környezeti kockázat problémája elháruljon. A telephelyet és folyamatot érint meggondolások kölcsönösen összefüggnek, s az egyik befolyásolja a másikat. Kvantitatív megközelítésbe ágyazva azonosítani kell a fontosabb folyamatokhoz kapcsolódó paramétereket, hogy mely forgatókönyvek a legkedvez bbek és melyek a legalkalmatlanabbak az UCG-re az adott helyszínen. A széntelepnek olyan helyen kell elhelyezkednie, ahol a melléktermékek tárolása vagy hasznosítása is lehetséges, ellenkez esetben egy költséges szállítási vagy átalakítást, ártalmatlanítást is magában foglaló forgatókönyv kidolgozása válik szükségessé. Mihelyst a modellek egységesek, az ilyen megfontolások a modell integráns részévé válnak, mintsem ad hoc, önálló tényez kként t nnek fel.
8.2 Technológiai hiányosságok 8.2.1 Az elgázosítási és égetési modellek továbbfejlesztése Az égetési folyamatok alapjai alapvet en világosak számunkra. Számos nemzeti laboratórium és egyetem foglalkozik általánosságban a begyújtás és égetés, a láng kiolt(ód)ásának, emisszióknak, az égés gyorsítását és megakadályozását befolyásoló üzemeltetésnek és módosításának problémájával, és az üzemeltetés befolyásolásával a különböz
céltermékek el állítása
érdekében, illetve képes összehasonlító modellek készítésére. Az UCG folyamatok átfogó, széles kör tanulmányozására került sor a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratóriumban az 1970-es évek vége és az 1980-as évek közepe között, az akkor rendelkezésre álló legjobb eszközök és módszerek segítségével (Kang, 1986). Azonban dönt
változások következtek be a
számítástechnika, a programok és a modellezés módszertanának területén az elmúlt 20 évben. Ráadásul növekedtek ismereteink arról, hogy a szennyez k miként hagyják el a gázosítási zónát és jutnak be a környez rétegekbe. Emiatt a jelenlegi modellek nem alkalmasak az UCG során jelenleg tapasztalható problémák megoldására. Ráadásul számos környezetterhelési és transzportmodell került kidolgozásra, melyek nem illeszkednek a létez folyamatmodellekhez. Az LLNL aés mások már elkezdték egy új, fejlesztett UCG modell kidolgozását a CFD, számítógépes folyadékdinamika segítségével (Wallman, 2005; Perkins, 2005). Bár ezek a modellek a helyes irányba tett lépésként értelmezend k, még jónéhány fejlesztés szükséges miel tt ezek a modellek használhatóvá válnak az UCG folyamatok tervezésére, m ködtetésére és ellen rzésére. • nyugalmi-dinamikus állapot. A jelenlegi CFD modellek nyugalmi-statikus jelleg ek, míg a valóságban az UCG folymatok tranziensek, átmenetiek; • 2-D
3-D modellezés; nincs tengelyszimmetrikusság: a jelenlegi 2D modellek tengelyesen
szimmetrikusak, míg a valóságban az UCG folyamatok 3 dimenziósak és aszimmetrikusak; • A csatorna hosszának növelése: memóriakorlátok miatt az LLNL modellje kis távolságokban érvényes csak, összevetve a jelenlegi UCG tesztek kiterjedésével; • a sugárzás beszámítása: az LLNL modellje elhanyagolja a szétsugárzó h
átvitelét, mely
jelent s lehet és magas láng és falh mérsékletként jelentkezhet; 99 • a szén lokális hátrálási, fogyási rátájának számítása: mindkét modell elhanyagolja a szén lokális recessziós sebességének figyelembe vételét, pedig az üregnövekedés ütemének legf bb tényez je a szén recessziós rátája;
• A teljes termelési el rejelzés figyelembe vétele: az égési szimuláció során el re kell jelezni a kátrány, faszén képz dést, elhelyezkedést és a termel dést az égési folyamat során, és a kén, higany és szilárd részecskék sorsát. Az UCG fent említett CFD modelljei önálló modellek, és nem társulnak hozzá felszín feletti létesítmények. Nagyon hasznos volna ezeket az UCG folyamatmodelleket a felszín feletti létesítményekre vonatkozó modellekkel párosítani, amelyeket egy folyamat-szimulátor, mint az AspenPlus segítségével fejlesztettek ki. Így az egész folymatot egyszerre lehetne szimulálni, s nem szekvenciálisan, egy rákövetkez modellel.
8.2.2 A monitoring fejlesztése Mostanáig az UCG kísérletek és kereskedelmi méret telepek m ködésének monitoringja igen korlátozott volt. Ez általában termoelemek/h szondák (thermocouple), elhelyezését jelentette a monitoringkutakban a sekély égési zóna felett (Metzger, 1984; Beyer, 1986). Korlátozottan kísérleteztek EM indukciós eszközökkel is. A Chinchilla-kísérlet során a felszín alatti vizek nyomását és elemösszetételét 19 kút segítségével vizsgálták az égési zóna körül (Blinderman and Jones, 2002). Ezen túlmen en egy UCG projekt során sem végeztek olyan jelleg monitoringot, mely a folyamat részletes figyelemmel kísérését segítette volna, vagy az in-situ égéstér fejl dését mutatta volna be. Mind a geofizikai és geokémiai technológiák használhatók egy széntelep hidrológiájának jellemzésére és más vízadókkal való kapcsolatának mérésére. De a standard megközelítések általában nem elégségesek az UCG alkalmazásához szükéges viszonyok vizsgálatához. Például a szén-gáz rendszerek rendkívüli szerkezeti heterogenitása gyakran kizárja, megnehezíti a szeizmikus módszerek használatát, vagy a képz dmények kiértékelését a széntelepek és vízadók közötti permeábilis csatornák el rejelzéséhez. A geofizikai eszköztár egy kis szegmense különösen ígéretes lehet a folyamatokra vonatkozó információk szolgáltatása terén, ráadásul valós idej információkat szolgáltatnak. Ezek mindannyian kifejlesztett technológiák, amelyek azonnal alkalmazhatók az UCG monitoring során, a következ feladatokra szabottan: • Elektromos ellenállás tomográfia (ERT) és EM indukciós tomográfia (EMIT); • Passzív szeizmikus monitoring (pl., mikroszeizmikus); • kéregdeformációt mér eszközök, mint a billenés/d lésmér (tilt-meter), InSAR és GPS; • felszín alatti h mérséklet, nyomás és vegyi monitoring. Jóllehet a 3-D és 4-D reflexiós szeizmikus monitoring szintén kulcsontosságú adatokhoz juttathat minket, a magas költségek és a hosszú mérési id korlátozzák használhatóságának lehet ségeit.
Az LLNL úttör volt a geofizikai elektromos ellenállási tomográfia módszerének kifejlesztésében és most is folyamatosan fejleszti a technikát. Az ERT képet ad a felszín alatti szerkezetr l és folymatokról felszíni vagy felszín alá telepített eszközök, elektródák sorozatával, melyek a felszín alatti képz dményekbe vezetett áram eredményként feszültséget mérnek. 100 Ezekb l az adatokból az elektromos ellenállás eloszlása kiszámolható, az adatok és numerikus modellb l számolt voltértékek közötti eltérések minimalizálása révén. A mintavételezés teljességét l függ en egy két- vagy háromdimenziós rekonstrukció is lehetséges. Az ERT alkalmazható létez , fémb l készült kútkiképzés használata esetén is, a monitoring felszerelés részeként. Ez a technikát különösen alkalmassá teszi olaj és gázmez k monitoringjára. A kútfurat fémkiképzései hosszú elektródaként használhatók egy speciális eszközzel együtt, mely 10 amperes vagy ennél er sebb áram el állítását és mérését teszi lehet vé (kb. 100 V). A függ leges kutak információt biztosítanak a laterális változásokat illet en, míg a horizontális furatok a mélység növekedésével bekövetkez változásokról adnak információt. A legújabb tesztek során, felhagyott acélcsöveket használva egy széndioxid elárasztással küszköd olajmez n, az ERT által az elektromos tulajdonságokban detektált változások megfeleltek a termelés során bekövetkez eseményeknek (Newmark et al., 1999, 2000). Ha a képalkotás lehet vé válik a kútfuratok, mint elektródák segítségével, akkor ez egy viszonylag olcsó eljárást biztosít a monitoring számára. A felszínalatti infrastruktúrát hasznosítva nem lesz szükség további furatok készítésére a mérésekhez. Az ERT –en alapuló kutatások, mérések automatizálhatók, távolról is elvégezhet k. A lehet ség, hogy bármikor kutatásokat végezzünk az üzemeltetés megszakítása nélkül, el nyökkel rendelkezik a konvencionális karottázs- és szondás módszerekkel szemben, melyek gyakran megkövetelik a pumpa és a csövezés eltávolítását, ezáltal a munkálatok megszakításához vezetve. Az ERT használható mind a statikus tulajdonságok felmérésére, mind az id tényez t l függ folyamatok nyomon követésére a felszín alatt, és különösen jól alkalmazható a folyadékokat érint monitoring tevékenység esetén. A k zetek és talajok elektromos ellenállása és impedanciája függ a vízzel való telítettségt l, a víz és a benne lév ionok típusától, a pH-tól, az ásványi anyagok kationcserél -képességt l és a h mérséklett l. Ezen meghatározottságoknak köszönhet en az elektromos jellemz k nagy felbontóképesség tomográfiáját sikerrel használták a telephelyek jellemzésekor, leírásakor, a felszín alatti képz dmények, mint a szennyezett felszín alatti vizek tovaterjedését megakadályozó gátak térképezésekor, és a folyadéktömegek felszín alatti mozgásának követésekor (pl.,Binley et al., 1996; Daily et al., 1992; Daily and Ramirez, 2000; Kemna, et al. 2000, Lundegard and LaBrecque., 1995, Newmark et al., 1998, Ramirez et al., 1993; Ramirez et al., 1996).
Mind sekély, mind 5000 lábnál mélyebb olajmez k esetében sikeresen használták a módszert a folyadékmozgás feltérképezésére. Bár szén esetében szintén használták az ERT-t (pl., Singh, et al., 2004), arra, úgy t nik, nincs példa, hogy a széntelepben lév vízrétegeket tapogatták volna le e módszerrel a felszín alatt. Mivel az UCG égés el rehaladása nagy kontrasztot okozhat az ellenállásban, az ERT optimális eszköz lehet az UCG folyamat el rehaladásának jellemzésében. Az eljárás szintén használható lehet a gázok és vizek fed be, vagy vízadókba való migrációját kimutató, környezeti monitoringra alkalmas eszközként. A vizek geokémiai nyomjelzése az UCG telepeken információt szolgáltathat a széntelep hidrológiájáról, így megakadályozva a vízadó kés bbiekben bekövetkez elszennyezését. A geokémiai nyomkövetés általában egy nyomjelz , vagy radioaktív izotóp használatát jelenti, melyek aránya jelent s változást mutat a víz összetételének változása során. Például a kozmogén forrásokból származó eltér felezési idej sugárzó izotópok használhatók a vizek életkorának hozzávet leges meghatározására. 101 A jód 129-es izotópja a maga 16 millió éves felezési idejével az aktívan visszatölt d felszín alatti vizekben el fordulhat, de csak alacsony mennyiségben van jelen a kréta szénnel egykorú vizekben. A klór 36-os izotópja 0,3 millió éves felezési id vel rendelkezik, ezért egy kréta korú szenet is tartalmazó vízadó rétegb l szinte teljesen hiányzik normális esetben. Néhány esetben a víz ionjaiban tükröz d jelent sebb különbségek fontos adalékot tartalmaznak a víz geológiai történetét illet en, de értelmezni ezeket az adatokat nehéz, mert a fúrás során használt folyadékok hozzákeveredése módosíthatja a kutak vizének ionháztartását akár 6 hónapos intervallumban is. A nyomkövetés szintén hasznos információkat tartalmazhat a bírósági eljárások számára olyan esetekben, amikor az UCG vélhet en hozzájárult a szennyezéshez és segíthet az égetés utáni üreg széndioxid elnyeletésére vagy EGR-re való alkalmasságának megállapításában. Az LLNL kutatói geokémiai nyomkövet
rendszereket dolgoztak ki, a felszín alatti víz változatos geológiai
környezetben történ nyomon követésére, beleértve a Fruitland Fm-t a San Juan-medencében (USA), amit a szénágyban található metán miatt aknáznak ki (pl., Snyder, et al., 2002, 2003). Számos tanulság származhat az UCG során történ közvetlen felszín alatti monitoringból. Az els
annak lehet sége, hogy valós, egyidej
betekintést kaphatunk az UCG-b l ered
veszélyekr l (pl. süllyedés, szennyez anyag-transzport). A második ilyen eredmény az UCG szimulációk érvényességének bizonyítását és fejlesztését tenné lehet vé. A harmadik a felszín alatti kulcsfolyamatok megértésének fejl dése lenne (a szénkitermelésre és h hatásra való geomechanikai reakció). Végül a monitoring lehet vé teszi az egyidej
folyamatkontrollt a
monitoring adatok segítségével. „Az okos fúrólyuk-kiképzés” során s r n elhelyezett szenzorok hálózatát alkalmazzák az olajkutak csövezése mentén és körülötte, a felszínalatti rezervoár kritikus paramétereinek vizsgálata céljából. A sokféle, több tényez mérésére alkalmas szenzortípusból nyert adatokat
modern adatfúziós eljárások segítségével kombinálják, hogy eddig nem ismert tudáshoz jussanak a rezervoárban m köd folyamatokról. A technológia lehet vé teszi a felszín alatti folyadékok összetételének és rezervoárban való eloszlásának folyamatos, valós idej térképezését és megfigyelését. E technológiának 3 aspektusa van: • Szenzorok létesítése a fúrólyuk csövezésén kívül, miel tt az a helyére kerül; • Különféle, többfunkciós szenzorttípusok telepítése, melyek a komplementer adatokat szolgáltatják; • Ezen adathalmazok feldolgozása sztochasztikus modellezés segítségével, a Monte Carlo Markov-lánc felhasználásával, az integrált adathalmazokon alapuló statisztikailag optimalizált modellek elérése érdekében (Ramirez et al., 2004). Ennek a megközelítésnek számos el nye van a tradícionális, a karottázs görbék kiértékelésén alapuló vagy egyéb módszerekkel szemben a rezervoárra vonatkozó információnyerést illet en, miután a kútfúrási m veletek elkezd dtek. A rezervoárban mélyen elhelyezked
szenzorok
sokkal érzékenyebbek, mint a felszíniek. Adataik valósak és folyamatos mintavételezés ek. A szenzor hardvere és az adatkinyerési folyamat nem akadályozza a normáls kútm ködést. A módszernek viszonylag kicsi a nettó m ködtetési és t keköltsége a többi létez , hasonló adattípusokat kinyer
módszerekhez képest. Az adatszerzés távolról is lehetséges. Az
alkalmazható szenzorok közé tartoznak a szeizmikus, ERT elektródák, billenés/d lésmér k, h szondák, EM indukciós tomográfok szenzorai. 102 Ezen tudományos és technikai értékek mellett a kereskedelmi szektor és a részvényesek (szabályzók, biztosítók) számára is jelent sek lehetnek ezek az eljárások, az in situ szénátalakításról való tudás, az ellen rizhet ség és a kiszámíthatóság bebizonyításában. A távérzékelés olyan gyors technikát jelent, mellyel nagy területet lehet monitorozni a káros környezeti hatások tettenérése céljából. Ha a távérzékelést alkalmazó kutatások már a m veletek megkezdése el tt elindulnak, akkor a kezdeti állapotról is lesz állapotfelmérés, mellyel a kés bbi, üzemi hatások összevethet k. A hiperspektrális képalkotás és elemzés például alkalmas a gázszivárgás hatására bekövetkez , növényzetben jelentkez stressz kimutatására. Az LLNL szintén megkezdte a NASA m holdas eszköztárának felhasználását, a gázösszetétel rb l történ meghatározása céljából. Míg a távérzékelést a múltban számos kritika érte, mert nem rendekezett a megfelel felbontással a környezeti problémák kezelésére, az új eszközök és adatfeldolgozási eljárások már megfelel en részletes felbontást biztosítanak a gázszivárgás okozta környezeti változások kimutatásához. A felszíni vagy felszínközeli gázszivárgással kapcsolatos kockázatok függetlenül attól, hogy a gáz az UCG eredménye, vagy a m ködés abbahagyása után eltárolt széndioxidból származik – modellezhet k felszín alatti (vadózus zóna) vagy atmoszferikus diszperziós modellek segítségével, kockázati indexet rendelve az egyes eszközökhöz. Például a
nehéz gázok, mint a széndioxid, ha rosszul szell zött aljzatot érnek el, vagy az atmoszférába jutnak a töréseken felszivárogva, szivárgó kutakon keresztül vagy a fed k zet szigetelésén át; akár halálos dózisban is felhalmozódhatnak. A nyílt térszín, a topográfiai, mélyedések és a kis szélsebességgel jellemezhet területek olyan tényez k, melyek megnövelik a lokálisan halálos dózis felhalmozódásának kockázatát. Az ilyen körülmények az emberek és az állatállomány pusztlásához vezethetnek. A metán pedig könny gáz, melynek szabadtéri felhalmozódása valószín tlen, de zárt területen felhalmozódva t z és robbanásveszélyes lehet. Ezek eszközök ezen kockázattípusok felmérésére. E megközelítés el nye, hogy az UCG-CCS projektek teljes élettartalma során használhatók maradnak. A telephely-választás során egy gyors screening-eszközként funkcionál, a potenciálisan veszélyt jelent területek felmérésében. Kés bb a kockázatcsökkentés, elhárítás hatékonyságának növelésében tölthet be lényeges szerepet, például területek kijelölésében a felhagyott kutak további, részletes tanulmányozása céljából. Végül pedig egy katasztrofális gázszivárgást feltételezve használható olyan területek kijelölésére, ahol a válaszreakciókat lehet vizsgálni.
8.2.3 A környezeti szimulációk fejlesztése Jóllehet a legtöbb UCG m velet nem járt jelent s környezeti következményekkel, néhány UCG teszt, így az USA-ban kett is, a felszín alatti vízbázis elszennyezéséhez vezetett. Az integrált szemlélet
telephelyválasztás, a m ködési és monitoring irányelvek kifejlesztése szükséges
ahhoz, hogy a jöv beni UCG m veletek ne jelentsenek számottev környezeti kockázatot. A szokványos, környezeti hatások felbecslésére használt hidrológiai modellek nem alkalmasak az UCG során történ felhasználásra, és ha alkalmazzák ket, félrevezet eredményt adhatnak. Ezek a modellek ugyanis nem tartalmazzák az UCG m veletek teljes hatásskáláját, amelyek mindegyike jelent sen befolyásolhatja az áramlási mez t és a szennyez k sorsát és szállítását az égés során vagy utána. 103 A modelleknek tartalmazniuk kell az egymással kapcsolatban álló termális-hidrogeokémiaigeomechanikai folyamatokat, hogy teljesen világossá váljon az UCG által a felszín alatti környezetre jelentett kockázat, és hogy hogyan csökkenthet a széndioxid szivárgása vagy a rétegek összeomlása által okozott kockázat az összekapcsolt UCG-CSS során. Köztudott, hogy kölcsönhatás-mechanizmusok vannak a felszín alatti hidrológiai, geokémiai és geomechanikai változások között. Mikor az UCG folyamat keresztülhatol a rétegeken, párhuzamosan változások játszódnak le a k zet feszültségterében, változásokat okozva a repedések nyílásában, a pórusnyomásban, a h mérsékletben és a felhajtóer ben, feláramlási
grádiensben. Ezek a változások befolyásolják a hidrológiai áramlási útvonalakat. A régebbi ásványok feloldódhatnak, új ásványok képz dhetnek az újonnan nyílt repedésekben és pórusterekben, további változásokat okozva a permeabilitásban. Ha az ezt követ EGR (Enhanced Gas Recovery) vagy széndioxid-tárolás a fejlesztési terv része, akkor szintén fontos annak biztosítása, hogy a modell tartalmazza az égésnek és a széndioxid-betáplálásnak a hidrológiára, geokémiai összetételre és mechanikai sajátosságokra gyakorolt hatásaira - mint pl. a savas kémhatás dominanciája a vízadókban, mely fokozhatja a szennyez k migrációját, mobilitását, azáltal, hogy permeábilis csatornákat hoz létre a k zet feloldása, vagy a fémek oldatba kerülése által - vonatkozó észrevételeket. A felszín alatti baktériumok (pl., Amy és Haldeman, 1997) természetes anaerob biogén reakciók során gyakran a leghatékonyabb módot szolgáltatják a szerves szennyez k és néhány fém okozta kontamináció remediálására, de hasznosításuk nehéz, mert nem könny a tisztulási sebességet felbecsülni. Az LLNL volt a PCR (polimeráz láncreakció) detektálás használatnak pionírja, hogy számszer sítse a felszín alatti természetes bioremediáció sebességét. Léteznek hozzáférhet szimulációs eszközök, melyeket az UCG környezeti kockázatbecslésére fel lehet használni. Ezek közül némelyiket azért fejlesztették ki, hogy környezeti hatásbecslést végezzenek velük felszín alatti nukleáris tesztek esetén, vagy radioaktív anyagok tárolásának forgatókönyvéhez, amelyek az áramlási mez ben bekövetkez h és geomechanikai változások hatásának figyelembe vételét igénylik. A példák közé tartozik a FEFLOW (egy kereskedelmi forgalomban is hozzáférhet
véges elem szimulátor az áramlási és szállítási folyamatok
modellezésére porózus közegben, telített és telítetlen viszonyok között, magában foglalva a h hatás okozta s r ségkülönbség hatására meginduló áramlások modellezésének lehet ségét) és a NUFT (véges-differenciális reaktív transzport modell az LLNL fejlesztésében). A geomechanikai aspektus megragadása érdekében az LLNL eszköztára magába foglalja az inverz és el reható módszereket (forward solvers) - hogy modellezze az akusztikus, termális, elektromos, deformációs és gravitációs változásokat, - az integráló és invertáló technikákat, beleértve a sztochasztikus inverziót, mely Monte-Carlo Markov-lánc szemlélet megközelítést használ. Ezek az eszközök alkalmasak mind a környezeti kockázatbecslés modellezésére, mind a geofizikai monitoring adatok értelmezésére. Bár még sokat kell tenni ahhoz, hogy egy integrált szimulációs modell szülessen az UCG környezeti kockázatbecsléséhez a jelenlegi részmodellek alapján, még nagyobb hiányosságot kell pótolni a modell teszteléséhez és feltöltéséhez szükséges adatok tekintetében. Ezek az adathiányok magában foglalják a következ területeket: 104 • A szén in situ elégetése során képz d potenciális szennyez anyagok sorsát és transzportját meghatározó paraméterek azonosítása (pl., vízoldhatóság, szerves szén bomlási koefficiense)
• a hidraulikus vezet képességben (tensor) és a porozitásban bekövetkez
változások
kvantifikációja, mely a k zet töredezettségét és a törések, repedések behatolását tükrözi az összeomlott zónában; • Modell kalibrációja a telep kiégetés utáni összeomlásának eredményeként megjelen
új
nyomásviszonyok és koncentráció-értékek meghatározásához olyan telephelyeken, ahol korábbi adatok rendelkezésre állnak; • A termális-hidrológiai modell összekapcsolása és a létez termohidrológiai adatok kalibrálása, mint a h mérsékleti profilok; • A h hatás s r ségre és viszkozitásra gyakorolt hatásának összekapcsolása a fizikai folyamatok jobb megértése érdekében; és a termális hatások és s r ség indukálta - a szennyez anyagok migrációja szempontjából fontos - er hatások kvantitatív mérése; • a biológiai hígulás (bioattenuation) kvantifikációja (ahol ennek rátája irodalmi adatokból lesz rhet ) és összevetése a tényleges adatokkal, beleértve a sekély talajvizi rendszerek szerves szennyez désére vonatkozó irodalommal. Szintén kutatást kell indítani annak érdekében, hogy a modellek alkalmasak legyenek a telepként szóba jöv
területek el zetes felmérésére (screening), hogy kritériumokat állítsanak fel a
megfelel telephelyválasztáshoz, magában foglalva mind az UCG m ködtetéséhez szükséges feltételeket, mind a felszín alatti vizek szennyezésének minimális kockázatát. Amire szükség van az egy integrált és egységesített-egyesített modell, mely magában foglalja mindazon részmodelleket, melyek itt említésre kerültek: a CFD folyamatmodellt az UCG-re, a felszín feletti létesítmények Aspen-modelljét, és a szennyez k termel désére, sorsára és szállítására vonatkozó modellt.
8.2.4 UCG + CCS (széndioxid leválasztása és csapdázása) Komoly szinergikus hatás van az UCG és a széndioxid-tárolás között. Néhány esetben jelent s költségcsökkenést okozhat a széndioxid elnyeletése és leválasztása a magas h mérséklet és nyomásviszonyok miatt, amely az UCG szintézisgáztól ered. Mint korábban említettük az UCG során fejldött üreg használható a szuperkritikus állapotú széndioxid tárolására. Minden esetben igen valószín , hogy a szomszédos k zetek sótartalmú rétegeket tartalmaznak, (nem iható vízadók) vagy kimerült olaj és gázmez k, melyek alkalmasak a széndioxid tárolására. A legvalószín bb esetben, ahol a szomszédos képz dményeket tárolásra használják, a telep sajátosságai és a tárolás kockázata hasonló a hagyományos CCS telepekhelyek esetében tapasztalható tulajdonságokhoz (Blinderman and Friedmann, 2006). De fontos hézagok maradnak a tekintetben, hogy az UCG m veleteket hogyan lehet kereskedelmi m veletekbe integrálni. A mérnöki szempontok, a rendszer lehetséges visszahatásai és a költségek mind a
rendszerjellemz k integráns részeként tekintend k. S bár várhatóan a technkai jelleg problémák megoldhatók, ma még mindig hiányosak az ismeretek és további kutatást igényel a terület. 105 Bár a széndioxid tárolása a kiürített égéstérben lehetséges, a tárolás kockázatairól még keveset tudni. Ez a lista felsorolja a jelent sebb problémákat és megkísérli a tudományos válaszadást: • T-P viszonyok: az üreg h mérséklete az adott nyomás mellett kell en alacsony kell, hogy maradjon, hogy elkerüljük a betáplálási nyomáson lév széndioxid forrását. Hasonlóképpen az injektálási nyomásnak is elég nagynak kell lennie, hogy a széndioxid szuperkritikus legyen megel zend a belobbanást (flashing). A hirtelen fázisváltozás kockázatával számolni kell, mint az üregbe táplálás egyik f problémájával, ez további szimulációkat és kísérleteket igényel. • geomechanikai válaszreakciók: Az injektálási nyomásnak meg kell haladnia a hidrosztatikai nyomást, hogy az üregben lév folyadék kiszorítása lehetségessé váljon. Ez számos geomechanikai válaszreakciót eredményez, mint a repedések tágulása, kéreg emelkedése, és a törések lehet sége. Ezek a feszültségtér és a törésgeometria függvényében változnak, amit nehéz leírni. Ez a kockázat növekedhet a tet és az oldalfalak beomlása esetén. Ezzel ellentétben a szén duzzadása a repedések bezárulásához vezet. Érvényes geomechanikai modellre van szükség a feszültséget és a deformációkat illet en, amelyek geomechanikai/folyadékáramlási szimulátorokkal társulnak. • a felszín alatti vizek migrációjának kockázata: A hidrosztatikai nyomást meghaladó nyomáson történ injektálás kiszoríthatja az üregben lév csurgalékvizeket a széntelep és a környez rétegek felé. Ez a szerves illóanyagokat és a nagy fémkoncentrációt az üregb l a sós víztartókba és a szénrétegbe öblíti át. Ezen anyagok jellegét részletesen körül kell írni, és szimulációk és kísérletek során koncentrációjukat és sorsukat modellezni kell. • geokémiai válaszreakciók: a CO2 injektálás szénsavat eredményez az üregben, amely gyorsan reakcióba léphet az üregben lév
szénnel, k zettel, hamuval, vagy salakkal. Ez fémek
bemosódásához vezethet az üregben lév vízbe, amei növeli a felszín alatti vizek szennyezésének veszélyét. Hasonló módon az injektálás mobilizálja a kenet, ami kénsavképz déshez vezet, megváltoztatva a helyi kémiai viszonyokat és növelve a kockázatot. A VOC-vegyületek feloldódhatnak a szén-dioxidban és a mobilis közegben maradva elszivároghatnak. A tipikus szenekben el forduló reagenstípusok reakcióképességét vizsgálni kell, amely a kémiai reakciókon alapuló transzport szimuláció alapjául szolgál.
• a CO2 sorsa: a szabad fázisban lév széndioxid szuperkritikus állapotban marad és jelent s felhajtóer vel rendelkezik. Ez felfelé ható nyomást gyakorol az üregre és hasonló kockázatokhoz vezet, mint a hagyományos széndioxid-tárolás esetében. Ebben az esetben a geomechanikai kockázat, a törések mentén bekövetkez vándorlás veszélye és a kutak szivárgásveszélye még nagyobb lesz a h sokknak és a törmelékesedésnek köszönhet en. Az üregben történ tárolás során jelentkez specifikus szivárgási veszélyeket körvonalazni kell, összhangban a hagyományos folyamatokkal (szén-gáz adszorpció). Az el ttünk álló tudományos feladatok nagyok, a rendszer nem-lineáris és kereteit, korlátait nem ismerjük. Ezért jelent s kutatási tevékenységet kell kifejteni a f problémák kezeléséhez. Ennek ellenére az el nyök még mindig jelent sek lehetnek, ha a telephelyválasztás helyes elvek alapján történik, hogy a szerkezeti és rétegtani kockázatokat lecsökkentsük, akkor a gondok kezelhet vé válnak. 106
8.2.5 Laboratóriumi kísérletek Az UCG folyamattervezésének optimalizálásához és a szennyez melléktermékek sorsának és transzportjának felméréséhez számos laboratóriumi kísérlet szükségeltetik. A szükséges adatok közt vannak a szénb l származó vegyi szennyez k vízoldhatósága magas h mérsékleten és nyomáson és szuperkritikus állapotú széndioxidban, a különböz
típusú szenekb l eltér
körülmények között kimosódott különféle szennyez kre vonatkozó adatok, és a biodegradációra való hajlam és annak kinetikája és más reakciótípusok, melyek e szennyez k elpusztítására vagy átalakítására képesek.
8.2.6 Integrált folyamat és felszín alatti modellezés A telephelyet és folyamatot érint elgondolások kölcsönösen függnek egymástól és az egyik hat a másikra. A folyamatokhoz kapcsolódó paramétereket meg kell határozni és kvantifikálni, s meg kell határozni, mely forgatókönyvek a legalkalmasabbak és a legkevésbé alkalmasak az UCG-re az adott telephelyen. Mihelyt a modellek egységesek, az ilyen megfontolások is a modell integráns részei lesznek, inkább mint ad hoc önálló faktorok, amelyeket kés bb vesznek csak figyelembe. A kifejlesztett új szimulációs eszközök, melyek integrálják a felszíni és felszín alatti folyamatokat számos hasznos célt szolgálnak: • A lehetséges m ködési forgatókönyvek ellen rzése, felülvizsgálata, beleértve a fúrástechnikát és elhelyezést, a betáplálás sebességet és a felszíni er m tervezését.
• meghatározza a m ködési feltételeket, beleértve a reaktornyomást, az elviselhet süllyedést, a kúts r séget. • lehet vé teszi a rendszer válaszreakcióinak megértését, beleértve a CCS és az UCG kombinációját. • monitoring tevékenység tervezése és kivitelezése, beleértve a m szerek elrendezését és a monitoring jelzések értelmezését. • javítja a környezethasználatot, beleértve a felszínsüllyedés és felszín alatti vizeket ért hatásokat, a szennyez k mozgását és sorsát, az égéstérben történ
széndioxid-tárolást és a lehetséges
elhárítást és csökkentést Korábban sokat dolgoztak jóval egyszer bb, lineáris modellek segítségével. Számos modern megközelítés nagyobb pontosságú, precízebb információkat ad, melyek jobban közelítik a valóságot. Például a modern számítógépes folyadékdinamika (CFD) sok szintézisgáz-paraméter pontosságát növeli, beleértve a gáz összetételének elemzését, a szennyez k összetételét. A fenti részfejezetek a részösszetev k vizsgálatának szükségességét tárgyalták (CFD, környezetmodellezés), de a földkéreg, zavaró hatásokra való reakcióinak nem lineáris mivolta, és a rendszer összetettsége az integrált modellezés iránti kívánalmakat er síti. Egy integrált szimuláció és jellemzés létrehozását célzó kutatóprogram jelent s segítséget nyújtana a döntéshozóknak és a m ködtet knek a saját feladatkörükben.
/ % Aiman, W.R., R. J. Cena, R.W. Hill, C. B. Thorsness, and R. R. Stephens, 1980, Highlights of the LLL Hoe Creek No. 3 Underground Coal Gasification Experiment., Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-83768. Allen, J.R.L., 1990, The formation of coastal peat marshes under an upward tendency or relative sea level, J. of the Geol. Soc. London, 147, 743-745. Ambrozic, T, and Turk G., 2003, Prediction of subsidence due to underground mining by artificial neural networks Computers & Geosciences 29, 627–637. Amy P. and Haldeman D.L., 1997, The Microbiology of the Terrestrial Deep Subsurface. CRC Press, New York. Bartle, K., 1991, Solubilities of solids and liquids of low volatility in supercritical carbondioxide. Journal Of Physical And Chemical Reference Data, 20(4): 713-756. Beauboeuf, R.T, McLaughlin, P.P., Bohacs, K.M., Suter, J.R., and Devlin, W.J., 1995, Sequence stratigraphy of coal-bearing strata, Upper Cretaceous, Washakie basin, southwest Wyoming (abs.): AAPG Annual Meeting Abstracts, p. 7-8. Bechtel and General Electric, 2005, About IGCC Power. http://www.cleanenergy. us/facts/igcc.htm Beyer, L., et al., 1986, Large Scale Apparatus for Simulating UCG, Proceedings of the Twelfth Annual Underground Coal Gasification Symposium, DOE/FE/60922-H1.
Binley, A., S. Henry-Poulter and B. Shaw, 1996, Examination of solute transport in an undisturbed soil column using electrical resistance tomography, Water Resources. Res., 32(4), 763-769. Blinderman, M.S., and Jones, R.M., 2002, The Chinchilla IGCC Project to Date: UCG and Environment, 2002 Gasification Technologies Conference, San Francisco, USA, October 27-30, 2002. Blinderman, M.S., 2003a, Blinderman, M.S., 2003b, Blinderman, M.S., 2005a, UCG History. http://www.ergoexergy.com/eUCG_his.htm Blinderman, M.S., 2005b, UCG. http://www.ergoexergy.com/eucg.htm 108 Blinderman, M.S. and Friedmann, S.J., 2006, Underground coal gasification and carbon capture and storage: Technologies and synergies for low-cost, low-carbon syngas and secure storage. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-ABS-218560. Bohacs, K.M, and Sutter, J., 1997, Sequence Stratigraphic Distribution of Coaly Rocks: Fundamental Controls and Paralic Examples, AAPG Bulletin, 81, 1612- 1639. Bradshaw, J.B. and Dance, T., 2005, Mapping geological storage prospectivity of CO2 for the world sedimentary basins and regional source to sink matching. Proceedings of the 7th International Conference on Greenhouse Gas Technologies (GHGT-7), September 5-9, 2004, Vancouver, Canada, V. I, 583-592. Britten, J. A., 1985, Modeling Thermal and Material Interactions Between A Reacting Char Bed and A Gasifying/Spalling Coal Roof., Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-92488-abstract. Britten, J. A., 1986, Mechanistic Model For Axisymmetric UCG Cavity Growth. Part 2, Parameter Study And Comparison With Field Data, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-94420-abstract. Britten, J.A., 1987, Further Development Of An Axisymmetric Global UCG Cavity Growth Simulator, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-96461-abstract. Britten, J. A., and C. B. Thorsness, 1988, A Mechanistic Model for Axisymmetric Cavity Growth during Underground Coal Gasification., Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-97604. Burton, E.A., Upadhye, R., Friedmann, S.J., Leif, R., McNab, W., Knauss, K., Ezzedine, S., Smith, J.R., 2004, Assessment of UCG site locations. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. Internal report. Campbell, J. H., Pellizzari, E. and Santor, S., 1978, Results of a Groundwater Quality Study Near an Underground Coal Gasification Experiment (Hoe Creek I). Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-52405. Campbell, J. H., Wang, F. T., Mead, S. W. and Busby, J. F., 1979, Groundwater quality near an underground coal gasification experiment. J. Hydrology 44, 241-266. Cena, R.J., Hill R.W., Stephens, D.R., Thorsness, C.B., 1984, The Centralia Partial Seam CRIP underground coal gasification experiment, Livermore National Laboratory, Livermore, CA UCRL-91252. 109 Cena, R. J., et al., 1987, Excavation of the Partial Seam Crip Underground Coal Gasification Test Site. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA UCRL-97245. Chaback, J.J., Morgan, W.D., and Yee, D., 1996, Sorption of nitrogen, methane, carbon dioxide and their mixtures on bituminous coals at in-situ conditions. Fluid Phase Equilibria 117 , 289296.
Chandelle, V, 1986, Overview About Thulin Field Test, Proceedings of the Twelfth Annual Underground Coal Gasification Symposium, DOE/FE/60922-H1. Cobble, J. W. and Lin, S. W., 1989, The ASME Handbook on Water Technology for Thermal Power Systems (Ed. P. Cohen), American Society of Mechanical Engineers, New York. Cotter, E., 1976, The role of deltas in the evolution of Ferron Sandstone and its coals, Castle Valley, Utah. Brigham Young University Studies 22, part 3, p. 15-41. Courel, L, 1989, Organics versus clastics: conditions necessary for peat (coal) development. Int. J of Coal Geology, 12, 193-207. Covell, J. R. and Thomas, M. H., 1996, Combined Air Sparging and Bioremediation of an Underground Coal Gasification Site. EG&G Report DE-AC21-95MC31346. Creedy, D. P., and K. Garner, 2004, Clean Energy from Underground Coal Gasification in China, DTI Cleaner Coal Technology Transfer Programme, Report No. COAL R250 DTI/Pub URN 03/1611, February 2004. Creedy, D. P., et al., 2001, Review of Underground Coal Gasification Technological Advancements, DTI Report No. COAL R211, DTI/Pub URN 01/1041, August 2001. Daily, W., A. Ramirez, D. LaBrecque and J. Nitao, 1992. Electrical Resistivity Tomography of Vadose Water Movement, Water Resources Research, v. 28, no. 5, 1429-1442. Daily, W. and A. Ramirez, 2000, Electrical imaging of engineered hydraulic barriers, Geophysics, vol. 65, no. 1, pp. 83-94. Dalrymple, R. W., Zaitlin, B.A. and Boyd, R., 1992, Estuarine facies models: conceptual basis and stratigraphic implications. J. Sedimentary Petr., 62, 1130-1146. Dalton, S., 2004, Cost Comparison IGCC and Advanced Coal, July 2004. http://www.climatevision.gov/pdfs/coal_roundtable/dalton.pdf#search=%22Stu%20Dalto n%20IGCC%22 110 Dames & Moore, 1995, Draft Coring Report, Hoe Creek UCG Site, Campbell County, WY. Report prepared for U.S. Army Corps of Engineers under Contract #DACW45-93-D0021. Dames & Moore, 1996, Final Project Summary Report Drill and Sample Monitoring Wells for Remediation at Hoe Creek UCG Site, Campbell County, Wyoming. Job #13474-021-030. March 27, 1996. Davis, W.M, 1902, Base-level, grade, and peneplain: J. of Geology, 10, 77-111. deCrombrugghe, O., 1959, Underground gasification (of coal) in the USSR, US Dept. of Interior Translation TN7, E59 394, from Annales des Mines de Belgique 5, 478-534. Energy Blog, 2005, http://thefraserdomain.typepad.com/energy/2005/09/about_igcc_powe.html Friedmann, S.J. and Nummedal, D., 2003, Reassessing the geological risks of seals failure for saline aquifers and EOR projects. Second Annual Carbon Sequestration Conference, DOE/NETL, Alexandria, VA. Friedmann, S.J., 2005, Underground Coal Gasification in the USA and Abroad, Congressional hearing on climate change, November 14 in the Senate Foreign Relations Committee. Gadelle, C., et al., 1985, Status of French UCG Field Test at La Haute Deule, Proceedings of the Eleventh Annual Underground Coal Gasification Symposium, DOE/METC-85/6028 (DE85013720). Gregg, D.W., 1977, Ground subsidence resulting from underground coal gasification, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, UCRL-52255. Gregg, D. W. and Edgard, T. F., 1978, Underground Coal Gasification. AIChE J. 24, 753-781.
Gregg, D. W., Hill, R. W., and Olness, D.U., 1976, An Overview of the Soviet effort in underground coal gasification. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA UCRL52004. Grens, E.A., 1985, Effect Of Non-uniform Bed Properties On Cavity Wall Recession. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-92487. Halmann, M.M. and Steinberg, M., 1999, Greenhouse Gas Carbon Dioxide Mitigation. Lewis Publishers. 111 Hamilton, D.S, and Tadros, N.Z, 1994, Utility of coal seams as genetic stratigraphic sequence boundaries in non-marine basins: an example from the Gunnedah basin, Australia. AAPG Bulletin, 78, 267-286. Hartman, H.L. (ed.) 1992, SME Mining Engineering Handbook, Society of Mining and Metallurgy, and Exploration, Littleton, CO, 2394p. Hendricks, M. L., 1981, Stratigraphy and tectonic history of the Mesaverde Group (Upper Cretaceous), east flank of the Rock Springs uplift, Sweetwater County, Wyoming:Ph.D. thesis, Colorado School of Mines, 179 p. Hill, R. W., 1986, Review of the CRIP Process, Proceedings of the Twelfth Annual Underground Coal Gasification Symposium, DOE/FE/60922-H1. Hill, R.W. and Thorsness C.B., 1983, Large-block experiments in underground coal gasification, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA UCRL-87611-R2 Hill, R.W., et al., 1983, The Centralia Partial-Seam CRIP Test. Lawrence LivermoreNational Laboratory, Livermore, CA UCRL-89010. Hill, R.W., Thorsness, C.B., Cena R.J., and Stephens, D.R., 1984, Results from the Centralia Underground Coal Gasification, Field Test, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA UCRL-90680. Humenick, M. J. and Mattox, C. F., 1978, Groundwater pollutants from underground coal gasification. Water Res. 12, 463-469. Humenick, M. J. and Mattox, C. F., 1982, Characterization of condensates produced during underground coal gasification. In Situ 6, 1-27. Humenick, M. J., Morgan, J. R. and Nolan, B. T., 1987, Adsorption of UCG organics by coal, char, activated char and ash. In Situ 11, 329-347. Humenick, M. J. and Novak, A. E., 1978, Parametric analysis of pollutant migration following in situ gasification of lignite. In Situ 2, 329-352. Jervey, M.T., 1988, Quantitative geological modeling of clastic depositional systems and their seismic expression. In CK Wilgus et al. (eds), Sea-level changes: an integrated approach. SEPM Spec. Publ. 42, 183-213. Jou, F.-Y. and Mather, A.E., 2003, Liquid-liquid equilibria for binary mixtures of water +benzene, water + toluene, and water + p-xylene from 273K to 458K. J. Chem. Eng. Data 48, 750-752. Kang, S-W., 1986, Computational Packed-bed Analysis Related To Coal Gasification 112 Processes. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-94421-abstract. Karmis, M., C. Haycocks, and Z. Agioutantis. 1992. The prediction of ground movements caused by mining. p. 1-9, In: Proceedings, Third Workshop on Subsidence Due to Underground Mining. Dept of Mining Engineering, West Virginia U., Morgantown. Kemna, A, A. Binley, A. Ramirez, and W. Daily, 2000, Complex resistivity tomography for environmental applications, Chemical Engineering Journal, vol. 77, p. 11-18.
King, S. B., Brandenburg, C. F. and Lanum, W. J., 1978, Characterization of nitrogen compounds in tar produced from underground coal gasification. Energy Sources 3, 263-275. Knauss, K.G. and Copenhaver, S.A., 1995, The solubility of p-xylene in water as a function of temperature and pressure and calculated thermodynamic quantities. Geochim. Cosmochim. Acta 59, 2443-2448. Knauss, K.G., Dibley, M.J., Leif, R.N., Mew, D.A. and Aines, R.D., 1999, The aqueous solubility of trichloroethene (TCE) and tetrachloroethene (PCE) as a function of temperature. Appl. Geochem., 15(4): 501-512. Kohl, A. and F. Riesenfeld, 1979, Gas Purification, Third Edition, Gulf Publishing Company. Kratsch, H., 1983, Mining Subsidence Engineering. Springer, Berlin, 543pp Kurth, M., et al.,1986, Linking and Gasification in Thulin, A New Endeavor, Proceedings of the Twelfth Annual Underground Coal Gasification Symposium, DOE/FE/60922-H1. Lamarre, R.A., 2002, Hydrodynamic and stratigraphic controls for a large coalbed methane accumulation in Ferron coals of east-central Utah. In S.D. Schwochow and V. Nuccio (eds.), Coalbed methane of North America, II: Rocky Mountain Association of Geologists, p. 71-82. Lamarre, R.A., 2003, Hydrodynamic and stratigraphic controls for a large coalbed methane accumulation in Ferron coals of east-central Utah. International Journal of Coal Geology 56: 97110. Langland, R. and Fletcher, D., 1976, Predictiong subsidence over coal-gasification sites, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, UCID-17326. Leif, R.N. and Simoneit, B.R.T., 1995, Ketones in hydrothermal petroleums and sediment extracts from Guaymas Basin, Gulf of California. Org. Geochem. 23, 889-904. 113 Leif, R.N. and Simoneit, B.R.T., 2000, The role of alkenes produced during the pyrolysis of a shale. Org. Geochem. 31, 1189-1208. Levey, R.A., 1981, A depositional model for major coal seams in the Rock Springs Formation, Upper Cretaceous, southwest Wyoming: Ph.D. dissertation, Univ. South Carolina, Columbia, 227 p. Lund, H. F., 1971, Industrial Pollution Control Handbook, McGraw-Hill. Lundegard, P. D. and LaBrecque, D. J., 1995, Air sparging in a sandy aquifer (Florence Oregon): actual and apparent radius of influence, Journal of Contaminant Hydrology, 19, 1-27. Marche, C., Delepine, H., Ferronato, C., and Jose, J., 2003, Apparatus for the on-line GC determination of hydrocarbon solubility in water: Benzene and cyclohexane from 70°C to 150°C. J. Chem. Eng. Data 48, 498-401. Mattox, C.F. and Humenick, M.J., 1980, Organic groundwater contaminants from UCG. In Situ, 4, 129-151. McCabe, P.J, 1984, Depositional environments of coal and coal-bearing strata. In R.A Rahmani & R.M. Flores (eds), Sedimentology of coal and coal-bearing sequences, Spec.Publ. of the Int. Assoc. of Sedimentologists, 7, 13-42. McCabe, P.J., 1991 Tectonic controls on coal accumulation, Bulletin de Societé Géologique de France, 162, 277-282. McMillen, S., Magaw, R.L., and Carovillano, R.L., 2001, Risk-based Decision-Making for Assessing Petroleum Impacts at Exploration and Production Sites., U.S. Dept. of Energy and Petroleum Environmental Research Forum, Government Printing Office, p. 239. Mead S.W., Wang F.T. and Stuermer D.H., 1982, UCG Environmental Research – Summary and Suggested Projections. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-88015.
Metzger, G.,1984, Instrumentation and Data System for the 1983 Partial-Seam CRIP Experiment, Proceedings of the Tenth Annual Underground Coal Gasification Symposium, DOE/METC-85/5 (DE85001956). Mitchum, R.M., Vail, P.R., and Thompson III, S., 1977, Seismic stratigraphy and global changes of sea-level, part 2: the depositional sequence as a basic unit for stratigraphic analysis. In C.E Payton, et al. (eds.), Seismic stratigraphy – applications to hydrocarbon exploration, AAPG Memoir 26, 53-62. 114 Moore, P.D., 1989, The ecology of peat-forming processes: a review, Int. J of Coal Sciences, 12, 89-103. Morris, J.P., Rubin, M.B., Glenn, L.A., Heuze, F.E., Blair, S.C., 2002; Simulations of Underground Structures Subjected to Dynamic Loading using the Distinct Element Method submitted to Engineering Computations; UCRL-JC-146927-REV-1 National Coal Board, 1975, Subsidence Engineers’ Handbook, London. Newmark, R.L., W.D. Daily, K.R. Kyle and A. L. Ramirez, 1998. Monitoring DNAPL pumping using integrated geophysical techniques, Journal of Environmental and Engineering Geophysics, v. 3, no.1, 7-14. Newmark, R.L., Daily, W., and Ramirez, A., 1999, Electrical resitance tomography using steel cased boreholes as long electrodes. 1999 Oil and Gas Conference Technology Options for Producer Survival. Dallas, TX, June 28-30, 1999. Newmark, R.L., Ramirez, A., and Daily, W., 2000, Geophysical monitoring of carbon dioxide injection and sequestration using electrical resistance tomography (ERT): Sensitivity studies. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRLJC-140217-ABS-REV-1. Obert, L., and Duvall, W.I., 1967, Rock Mechanics and the Design of Structures in Rock, John Wiley and Sons, Inc. Olness, D., 1982, Angrenskaya underground coal gasification station. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-53300. Olness D. and Gregg, D.W., 1977, The historical development of underground coal gasification. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-52283. Pirard, J. P., et al., 2000, Results of the tracer tests during the El Tremedal underground coal gasification at great depth, Fuel, 79, 4710478, 2000 Perkins, G., 2005, Numerical modelling of underground coal gasification and its application to Australian coal seam conditions. http://www.ac3.edu.au/edu/papers/perkinsg01.pdf Qualheim, B.J., 1977, Geological exploration of potential underground coal gasification sites in the Powder River Basin of Wyoming and Montana, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, UCRL-52237 Raber, E., and R. Stone, 1980, Ground-Water Hydrologic Effects Resulting from Underground Coal Gasification Experiments at the Hoe Creek Site near Gillette, Wyoming. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA UCID-18627. 115 Ramirez, A., W. Daily, D. LaBrecque, E. Owen and D. Chesnut, 1993, Monitoring an underground steam injection process using electrical resistance tomography. Water Resources Research, vol. 29, no. 1, pp 73-87. Ramirez, A., W. Daily, A. Binley, D. LaBrecque, and D. Roelant, 1996, Detection of leaks in underground storage tanks using electrical resistance methods, Journal of Environmental and Engineering Geophysics, Vol. 1, no. 3, 189-203.
Ramirez, A., Pasyanos, M. and Al Franz, G., 2004, Development of generalized mapping tools to improve implementation of data driven computer simulations. LLNL Report UCRL-TR-206664. Reichle, D. Houghton, J., Kane, B., Ekmann, J., Benson, S., Clarke, J., Dahlman, R., Hendry, G., Herzog, H., Hunter-Cevera, J., Jacobs, G., Judkins, R., Ogden, J., Palmisano, A., Socolow, R., Stringer, J., Surles, T., Wolsky, A., Woodward, N., York, M., 1999, Carbon Sequestration Research and Development. U.S. Department of Energy Report DOE/SC/FE-1. http://www.ornl.gov/carbon_sequestration/ Ruprecht, P., Schafer, W. and Wallace, P., 1988, A computer model of entrained coal gasification. Fuel 67, 739-742. Ryer, T.A., 1981, Deltaic coals of Ferron Sandstone member of Mancos Shale: predictive model for Cretaceous coal-bearing strata of western interior: AAPG Bulletin, 65, 2323-2340. Ryer, T.A., 1984, Transgressive-regressive cycles and the occurrence of coal in some Upper Cretaceous strata of Utah, U.S.A. In R.A. Rahmani, (ed.), Sedimentology of coal and coalbearing sequences. Int. Assoc. of Sedimentologists Spec. Publ. 7, 217-227. Schumm, S.A., 1993, River response to baselevel changes: implications for sequence stratigraphy. J. of Geology, 101, 279-294. Schroeder, K., Ozdemir, E. and Morsi, B.I., 2001, Sequestration of carbon dioxide in coal seams. National Energy Technology Laboratory, First National Conference on Carbon Sequestration, 10p. Shu, D.M. and Battacharya, A.K., 1993, Prediction of sub-surface subsidence movements due to underground coal mining, Geotechnical and Geological Engineering, v.11, pp.221-234. Simbeck, D. 2002. Carbon Separation and Capture from Energy Systems: The Forms and Costs of Separation and Capture. Presentation at the workshop Complements to Kyoto: Technologies for Controlling CO2 Emissions, April 23, National Academy of Engineering, Washington, D.C. 116 Singh, K.K.K., Singh, K.B., Lokhande, R.D., and Prakash, A., 2004, Multielectrode resistivity imaging technique for the study of coal seam. Journal Of Scientific & Industrial Research 63 (11): 927-930. Siskin, M. and Katritzky, A.R., 1991, Reactivity of organic compounds in hot water: Geochemical and technological implications. Science 254, 231-237. Snyder, G.T., Fehn, U., Riese, W.C., Moran, J.E., Pelzmann, W.L. Franks, S and Gorody, A. , 2002, Iodine-129 as a tracer of fluids associated with hydrocarbon systems: Results from the Fruitland Fm., San Juan Basin, CO and from other depositional settings. 2002 AAPG Rocky Mt. Section Meeting Technical Program. Snyder, G.T., Riese, W.C. , Franks, S., Fehn, U., Pelzmann, W. L., Gorody, A.W. and Moran, J. E., 2003, Origin and history of waters associated with coalbed methane: 129I, 36Cl, and stable isotope results from the Fruitland Formation, CO and NM. Geochimica et Cosmochimica Acta Volume 67, Issue 23, 4529-4544. Stephens, D.R., 1980, An Introduction to Underground Coal Gasification. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-18801. Stephens, D.R., 1981, The Hoe Creek Experiments: LLNL’s underground coal gasification project in Wyoming, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-53211 Stephens, D.R., Thorsness, C.B., Hill R.W., and Thompson, D.S., 1984, UCG is technically feasible, Chemical Engineering Progress, February, pp. 39- 45 Stephens, D.R., R. W. Hill, and I. Y. Borg, 1985a, Underground Coal Gasification Review. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA UCRL-92068.
Stephens, D. R., et al. 1985b, LLNL Underground Coal Gasification Project Annual Report Fiscal Year 1984, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA.UCRL-50032-84. Stephens, D. R., Hill, R. W., and Borg, I. Y., 1985c, Status of Underground Coal Gasification. American Association of Petroleum Geologists Bulletin, v. 69, no. 2, p. 309-309. Stevens, S.H., Kuuskraa, V.A., Spector, D., and Riemer, P., 1998, CO2 Sequestration in Deep Coal Seams: Pilot Results and Worldwide Potential. Paper presented at GHGT-4 in Interlaken, Switzerland, 30 Aug. - 2 Sep. 1998. http://www.ieagreen.org.uk/pwrghgt4.htm Stuermer, D.H., Ng, D.J. and Morris, C.J., 1982, Organic contaminants in groundwater near an underground coal gasification site in northeastern Wyoming. Environ. Sci. Tech. 16, 582-587. 117 Sury, M., 2004, Review of Environmental Issues of Underground Coal Gasification, Report No. COAL R272 DTI/Pub URN 04/1880, November 2004 Svjagincev, K.H., 1979, Underground coal gasification in the Soviet Union, Gluckauf 115 (No. 11), 540-546; Engl. Translation Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA UCRL-11556 Taylor, D.R., and Lovell, R.W.W., 1991, Recognition of high-frequency sequences in the Kenilworth Member of the Blackhawk Formation, Book Cliffs, Utah. In J.C VanWagoner, et al. (eds), Sequence stratigraphy applications to shelf sandstone reservoirs; outcrop to subsurface examples. Field Guide for AAPG Field Conference, Sept. 21-28, 1-9. Thambimuthu, Kailai, et al., 2005, IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, Chapter 3, 10 October 2005. Thorsness, C.B. 1985, Further Development Of A General-purpose, Packed-bed Model For Analysis Of Underground Coal Gasification Processes. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-92489-abstract. Thorsness, C.B., 1986a, Mechanistic Model For Axisymmetric UCG Cavity Growth. Part 1: An Overview. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-94419. Thorsness, C.B., 1986b, General-purpose, Packed-bed Model For Analysis Of Underground Coal Gasification Processes. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCID-20731. Thorsness, C.B., 1987, Unconfined Flow As A Mechanism Of Water Influx To A UCG System. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-97203. Thorsness, C.B., and Britten, J.A., 1989, Lawrence Livermore National Laboratory Underground Coal Gasification Project: Final Report. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-21853. Thorsness, C.B., and Creighton, J.R., 1982, Review of Underground Coal Gasification Experiments at Hoe Creek, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL87662 Todheide, K., 1982, Hydrothermal solutions. Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 86, 1005-1016. Torp, T.A. and Gale, J., 2002, Demonstrating Storage of CO2 in Geological Reservoirs: The Sleipner and Sacs Projects. Abstracts of the 6th International conference on Greenhouse Gas Control Technology (GHGT-6), Kyoto, Japan, 1-4 October 2002 118 Trent, B.C., and Langland, R.T., 1981, Computer models to support investigations of surfacae subsidence and associated ground motion induced by underground coal gasification, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-53029 Twenhofel, W.H., 1939, Principles of sedimentation, McGraw-Hill, New York, 610 p. UCG Engineering, Ltd., 2006, Underground Coal Gasification: Basic Concepts. http://www.coalucg.com/concept2.html
U.K. Department of Trade and Industry (DTI), 1999, Publication # DTI/Pub URN 04/1643, Appendix1 http://www.dti.gov.uk/files/file19146.pdf#search=%22Spanish%20UCG%20trials%22 U.K. Department of Trade and Industry, 2004, Cleaner Coal Technologies. Energy Paper 67. London, Stationary Office. http://www.dti.gov.uk/files/file22078.pdf U.S. Department of Energy (DOE), 2005, Hydrogen and Clean Fuels Research. http://www.fe.doe.gov/programs/fuels/index.html U.S. Department of Energy Office of Legacy Management, National Defense Authorization Act (NDAA) Long-Term Stewardship Report: Wyoming. http://www.lm.doe.gov/documents/3_pro_doc/lts_study/pdf/wyoming.pdf U.S. Energy Information Administration (EIA), 1997, Country Analysis Brief: Uzbekistan. http://www.converger.com/eiacab/uzbek.htm U.S. Energy Information Administration (EIA), 2006, International Energy Outlook 2006. Report #: DOE/EIA-0484(2006). http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/coal.html U.S. Environmental Protection Agency (USEPA), 1999, The Class V Underground Injection Control Study: Volume 13, In-situ fossil fuel recovery wells. EPA/816-R-99-014m. Van Wagoner, J.C., Mitchum, R.M., Campion, K.M., and Rahmanian, V.D., 1990, Siliciclastic sequence stratigraphy in well-logs, cores, and outcrops: concepts for highresolution correlation of time and facies. Walker, L.K., et al., 2001, An IGCC Project at Chinchilla, Australia, based on UCG, in Gasification Technologies Conference, San Francisco, USA. Wallman, H., 2005, Model for Underground Production of H2 from Coal. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. Internal Report. 119 Wang, F.T., Mead, S.W. and Stuermer, D.H., 1981, Groundwater contamination near the Hoe Creek UCG experiments. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL85880. Wang, F.T., Mead, S.W. and Stuermer, D.H., 1982a, Water quality monitoring at the Hoe Creek test site: review and preliminary conclusions. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-87650. Wang, F. T., Mead, S. W. and Stuermer, D. H., 1982b, Mechanisms for Groundwater Contamination by UCG – Preliminary Conclusions from the Hoe Creek Site. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA. UCRL-88012. Wang, F.T., Mead, S.W. and Stuermer, D.H., 1982c, Mechanisms for groundwater contamination by UCG – preliminary conclusions from the Hoe Creek study, Proceedings of the Eighth Underground Coal Conversion Symposium. Wauchope, R.D. and Getzen, F.W., 1972, Temperature dependence of solubilities in water and heats of fusion of solid aromatic hydrocarbons. J. Chem. Eng. Data 17, 38-41. Western Research Institute (WRI), 2006, Removal of Mercury from Coal-derived Synthesis Gas, Final Report for Base Task 1.i, WRI-06-R013, March 2006. Wilson M, and Monea, M. (Eds.), 2004, IEA GHG Weyburn CO2 Monitoring & Storage Project Summary Report 2000-2004, 273 p. World Energy Council (WEC), 2004, Survey of Energy Resources, Elsevier, London Yaws, C., 1999, Chemical Properties Handbook: physical, thermodynamic, environmental, transport, safety, and health related properties for organic and inorganic chemicals. McGraw-Hill, New York, 779 pp.
Young, R.G., 1955, Sedimentary facies and intertonguing in the Upper Cretaceous of the Book Cliffs, Utah-Colorado: Geological Society of America Bulletin, v. 66, p. 177-201.
