Drugie życie frackingu. Technologia z branży ropy i gazu teraz pomoże przy geotermii

Czym jest szczelinowanie hydrauliczne?

Szczelinowanie hydrauliczne, znane również jako fracking, to proces technologiczny mający na celu uwolnienie gazu znajdującego w skałach łupkowych. Do wykonanego odwiertu pod wysokim ciśnieniem wtłaczany jest płyn szczelinujący, który tworzy lub powiększa szczeliny w skałach. Dzięki tej technologii występuje rozgałęzienie odwiertu, a z warstw skalnych wydostaje się gaz. Proces ten zwiększa produktywność i odzysk węglowodorów w miejscu wydobycia.

Upowszechnienie frackingu zapoczątkowało w Stanach Zjednoczonych tzw. rewolucję łupkową, która pozwoliła amerykańskim spółkom sięgnąć po gaz łupkowy, o tym samym składzie co konwencjonalny gaz ziemny, ale uwięziony w twardych skałach i rozproszonych skupiskach. Ameryka z importera gazu stały się jego eksporterem, a także największym producentem na świecie. W 2022 r. USA wyprodukowała 978,6 mld m³ gazu ziemnego, znacząco wyprzedzając Rosję oraz Iran, których skumulowana produkcja była wciąż mniejsza od poziomu amerykańskiego.

Źródła kontrowersji wobec szczelinowania hydraulicznego

Łupkowej bonanzie towarzyszyły również kontrowersje, a największe z nich budziły kwestie ekologiczne. Wykorzystanie tego procesu może bowiem wiązać się z ryzykiem zanieczyszczenia wód gruntowych i powierzchniowych w przypadku niekontrolowanego wycieku płynu szczelinującego do zasobów wód. Płyn ten jest mieszaniną wody, piasku i dodatków chemicznych, które stanowią do 2% składu i różnią się w zależności od właściwości geologicznych obszaru odwiertu. Negatywne skutki obejmują także konieczność wykorzystania w procesie dużych ilości wód słodkich oraz przedostawanie się do atmosfery szkodliwych gazów – np. metanu, którego potencjał cieplarniany w okresie stu lat jest 28 razy silniejszy niż dwutlenku węgla.

Potencjalne zagrożenie związane z frackingiem stanowi też zwiększona aktywność sejsmiczna na terenach eksploatacji, a co za tym idzie częstsze występowanie mikrotrzęsień ziemi. Większość z nich jest zbyt mała, by odczuć je na powierzchni. W 2018 r. w Teksasie odnotowano największe trzęsienie wywołane technologią szczelinowania – osiągnęło ono magnitudę równą 4, co oznacza, że wstrząsy są odczuwane, lecz nieszkodliwe. Trzęsień ziemi o podobnej skali w ubiegłym roku doświadczył region Dolnego Śląska. Co ciekawe, to nie proces powiększania szczelin w skałach odpowiada za najsilniejsze i najczęstsze mikrotrzęsienia – winowajcą jest oddzielny etap, podczas którego następuje wtryskiwanie odpadów z eksploatacji ropy i gazu głęboko pod ziemię. Te technika „utylizacji” ścieków powoduje zmianę ciśnień na liniach uskoków, co może prowadzić do wstrząsów.

Wszystkie te czynniki sprawiły, że szczelinowanie hydrauliczne nie cieszy się dobrą sławą. W 2011 r. Francja jako pierwszy kraj wprowadziła zakaz frackingu w celu wydobycia łupków, argumentując decyzję działaniami zapobiegawczymi w kontekście ochrony środowiska. Pod wpływem nacisków społecznych, w 2019 r. rząd Anglii wstrzymał wykorzystanie tego procesu w trybie natychmiastowym. Podobne ograniczenia wprowadziły cztery stany USA: Vermont, Waszyngton, Nowy Jork oraz Maryland, z czego tylko w dwóch ostatnich znajdują się znaczne złoża gazu łupkowego.

Kolejny problem dotyczy samej idei omawianej technologii. Proces szczelinowania hydraulicznego zwiększył podaż błękitnego paliwa na rynku, tym samym zmniejszając jego cenę oraz przedłużając uzależnienie USA od paliw kopalnych i ograniczając konkurencję ze strony odnawialnych źródeł energii.

Energetyka geotermalna a fracking

Technologia szczelinowania hydraulicznego ma jednak szansę zyskać bardziej pozytywną reputację. Proces technologiczny wykorzystywany do eksploatacji łupków ma bowiem zastosowanie również w produkcji energii geotermalnej. Potencjał tego bezemisyjnego i odnawialnego źródła energii może być uwolniony dzięki tej samej technologii, która napędzała boom łupkowy.

Energia geotermalna pozyskiwana jest z naturalnego ciepła Ziemi, gdzie jest ono zmagazynowane w skałach skorupy ziemskiej. Występuje wszędzie, choć poziom osiąganej temperatury na danej głębokości jest zróżnicowany w zależności od lokalizacji. Miejscem, które najsilniej kojarzone jest z wykorzystywaniem ciepła Ziemi jest Islandia, gdzie 25% całkowitej produkcji energii elektrycznej pochodzi z elektrowni geotermalnych. Z uwagi na małą powierzchnię oraz populację islandzkiej wyspy, to jednak Stany Zjednoczone posiadają najwięcej mocy zainstalowanych w jednostkach geotermalnych – 3 794 MW. Mimo to, energia geotermalna stanowi obecnie tylko 0,4% wytwarzanej energii elektrycznej w USA. Ekonomicznie uzasadniona i skalowalna eksploatacja elektrowni geotermalnych była dotychczas możliwa jedynie na obszarach, w których ciepło i woda znajdują się w naturalnych zbiornikach stosunkowo płytko pod powierzchnią.

W zwiększeniu obszarów wykorzystania energii geotermalnej ma pomóc znana, lecz zmodyfikowana technologia szczelinowania hydraulicznego. Podobnie jak w przypadku wydobycia łupków, fracking stymuluje odwiert, tworząc podpowierzchniowy system spękań w gorących, nagrzanych przez aktywność tektoniczną porowatych skałach. Na odpowiedniej głębokości drąży się także poziomy odwiert, który łączy dwie pionowe studnie. Do studni wtryskiwana jest woda, która odbiera od warstw skalnych ciepło i zwiększa swoją temperaturę, zamieniając się w parę wodną. Następnie jest ona odbierana na powierzchni i wykorzystywana do napędzania turbin, które generują energię elektryczną. Rezultatem jest powstanie ulepszonego systemu geotermalnego (EGS -  enhanced geothermal system), którego celem jest dotarcie i wykorzystanie pokładów ciepła w środowiskach niskotemperaturowych, którym nie towarzyszyły naturalne, gorące zbiorniki wodne.

W służbie OZE

W lipcu 2023 r. start-up Fervo Energy z sukcesem zakończył 30-dniowy test pierwszej geotermalnej elektrowni, która wykorzystuje szczelinowanie hydrauliczne do zwiększenia potencjału geotermii. Po podłączeniu do sieci elektroenergetycznej, zakład w Nevadzie będzie dostarczał energię elektryczną do centrów danych Google. Przedsiębiorstwo rozpoczęło kolejną inwestycję o mocy 400 MW, która ma zaspokoić zapotrzebowanie ok. 300 tys. domów w stanie Utah.

Technologia EGS ma szansę zmienić perspektywy energetyki geotermalnej. Wykorzystanie szczelinowania hydraulicznego i horyzontalnych studni ma umożliwić pozyskiwanie ciepła z wnętrza Ziemi praktycznie w dowolnym miejscu. Projekty geotermalne mogą dostarczać energię elektryczną oraz ciepło w stabilnym strumieniu, nie są bowiem uzależnione od pogody czy pory dnia jak farmy wiatrowe i fotowoltaiczne. Pod względem niezawodności geotermia bardziej przypomina elektrownie jądrowe czy jednostki zasilane węglem i gazem. Systemy EGS stanowią dostęp do czystego i odnawialnego źródła energii, jednak muszą zmierzyć się z kluczowymi wyzwaniami. Rozwój tego typu projektów jest bardzo kosztowny – szacuje się, że 1/3 wszystkich przedsięwzięć geotermalnych kończy się niepowodzeniem. Wieloletnie badania geologiczne mogą tylko ograniczyć, a nie całkowicie wyeliminować ryzyko związane z wierceniem tzw. suchej studni. Z drugiej strony, projekty wykorzystujące energię ciepła Ziemi charakteryzują się wysokim współczynnikiem wykorzystania mocy (capacity factor) na poziomie ok. 75-85%, co obrazuje znaczącą różnicę między elektrowniami słonecznymi i wiatrowymi, dla których wskaźnik ten kształtuje się na poziomie 20-40% w zależności od źródła i lokalizacji.

Podsumowanie

Zapewnienie całodobowego źródła energii oraz ciepła przez projekty ulepszonych systemów geotermalnych ma potencjał zastąpić emisyjne źródła energii, na których obecnie opierają się systemy elektroenergetyczne USA czy Polski. Instalacje geotermalne oferują nie tylko stabilne, ale również czyste źródło energii elektrycznej. Zastosowanie technologii frackingu, która napędzała amerykańską rewolucję łupkową może umożliwić dostęp do odnawialnej i niskoemisyjnej energii w coraz szerszej skali. Odpowiednie zagospodarowanie potencjału zaawansowanych technologii – ukształtowanych w służbie paliw kopalnych – ma szansę wesprzeć energetykę geotermalną w odgrywaniu kluczowej roli w globalnej transformacji energetycznej.

Aleksandra Korba, SKN Energetyki SGH