A CO2 felszín alatti 
elhelyezési lehetőségei

Egy új eszköz a klímaváltozás
elleni küzdelemben

Mára elfogadottá és közismertté vált, hogy a klímaváltozás jelenségkörének fő okozója az emberi tevékenységekhez kapcsolódó üvegházgázok, ezen belül is a szén-dioxid légkörbeli mennyiségének megnövekedése. Ennek csökkentése tehát kiemelt fontosságú cél a jelenlegi és a jövő generációknak egyaránt.

A Föld légkörében található CO2 részarányának emelkedése (az emberiség történetében) az ipari forradalom óta igen erőteljes: koncentrációja az 1700-as évek végétől 280 ppm-ről (milliomodnyi térfogatrész) 380 ppm-re ugrott. Ez a Föld átlaghőmérsékletének növekedését vonta maga után, a XVIII. század óta globális átlagban 0,6 °C-ot, Magyarországon ez az emelkedés 2025-ig várhatóan mintegy 1,5-1,8 °C lesz. A CO2-kibocsátás globális csökkentésére számos együttműködési kísérlet jött létre, eddig viszonylag csekély sikerrel, hiszen a kibocsátások jelenleg is növekedésben vannak. Európa azonban a környezetvédelem más területeihez hasonlóan a csökkentésben is az élen jár: az Unió célul tűzte ki, hogy 2020-ra 20%-os javulást kell elérni a CO2-kibocsátás terén is.

De miért is jelent problémát az a néhány fok hőmérséklet-emelkedés? 
A CO2-koncentráció növekedése ­és ezzel az átlaghőmérséklet emlkedése ­sokrétű, már ma is tapasztalható lokális és globális problémákat von maga után. A legnagyobb gazdasági károkat okozó hatások a szélsőséges éghajlati események gyakoriságának és intenzitásának növekedése (például nagyobb és több vihar, hőhullám, aszály és árvíz), egyes paraziták fejlődési ütemének és előfordulásának megváltozása, a természetes vizek (például óceánok, talajvíz) elsavasodása, illetve a növény- és állatállomány kicserélődése. Az élővilág megváltozásának további súlyos következménye – a biodiverzitás csökkenése mellett – az oxigént termelő tengeri algák pusztulása.

A felsorolt hatások enyhítése tehát központi kérdés Földünk jövője szempontjából. A lehetséges megoldások keresése komoly kutatás-fejlesztési tevékenységet, számos vizsgálatot igényel, amelyek elvégzése jórészt a felnövekvő környezettudományi szakemberek feladata, míg ezek végrehajtása csak széleskörű nemzetközi együttműködéssel lehetséges. A szén-dioxid-kibocsátás csökkentésére a hosszú távú megoldás a megújuló energiaforrásokra való átállás, azonban a kibocsátások csökkentése már a múltban is szükséges lett volna, így az átállás idejére átmeneti megoldásra van szükség. Ilyen áthidaló technológia lehet, ha a CO2-ot a füstgázból való leválasztás után egy biztonságos, mélyen a felszín alatti tárolóba helyezzük el, ezt nevezzük CCS-nek (carbon capture and sequestraiton ­ szén-dioxid elkülönítése és felszín alatti elhelyezése). A szén-dioxid közvetlen, tehát az atmoszférából történő megkötése a jelenleg rendelkezésre álló technológiákkal nem lenne gazdaságos, ezért a CCS technológiák célja valamely pontszerű forrás emissziójának jelentős csökkentése, elsősorban a fosszilis tüzelőanyagokat felhasználó erőművek, ipari létesítmények (például cementművek) esetében. A kibocsátott gázkeverék többi összetevőjétől való leválasztáshoz jelenleg több, az ipari gyakorlatban már rendelkezésre álló vegyészeti módszer alkalmazható, ezek közül az úgynevezett. monoetanolaminos eljárás a legelterjedtebb, itt a füstgázból származó szén-dioxiddal telített folyadékból melegítéssel nyerhető nagy tisztaságú, besajtolható szén-dioxid. A leválasztás után a szén-dioxidot szuperkritikus állapotban (nagy reaktivitás, nagy sűrűség, kis viszkozitás) szállítják átmeneti tárolókba, majd a végleges, geológiai tározókhoz.

Tárolás céljára olyan rezervoárokat keresünk, amelyek geológiai időskálán is képesek biztonságosan tárolni a besajtolt CO2-t. Ilyen tároló lehet egy leművelt szénhidrogén-mező: itt előny, hogy a rezervoár biztonságosnak tekinthető, hiszen a szénhidrogént is több millió évig csapdázta úgy, hogy az nem szivárgott számottevő mértékben. A kimerülőben levő telepek letermelését is segítheti a CO2 besajtolása, hiszen a beinjektált szén-dioxidtól a szénhidrogének viszkozitása csökken, így az könnyebben kitermelhetővé válik. Ezt a technológiát már a ’70-es évektől használják, pontos elnevezése a növelt hatékonyságú kőolajkihozatal, nemzetközi nevén EOR (Enchanced Oil Recovery). Ennek az eljárásnak a kifejlesztésében komoly szerepet játszott Magyarország, ahol a világon az elsők között alkalmazták kőolajtöbblet kitermelésére.

Az elhelyezés történhet ezenkívül bázisos (elsősorban bazalt) kőzetekben. Itt a CO2 megfelelően nagy koncentrációja esetén viszonylag kis hőmérsékleten is reagál a körülvevő ásványokkal (elsősorban piroxénnel és olivinnel), így felszabadítva a Mg-ionokat, amelyekből azután a pórusvíz jelenlétében magnezit (MgCO3) képződik. Kevesebb CO2 esetén is létrejöhet hasonló reakció, ekkor azonban más ásványok (plagioklász) Ca-tartalmából képződik kalcit (CaCO3).

Megkötés elméletileg történhetne még Mg-ban és Ca-ban gazdagabb kőzetekben, ebben az esetben az előzőekhez hasonló folyamatok játszódnak le. Itt a nagy Mg-tartalmú, ultrabázisos kőzeteket kibányászás után reagáltatni kell a leválasztott CO2-dal, majd a terméket visszahelyezni a bányába. Ez a technológia igen gazdaságtalan lenne.

Végül következzen a Magyarországon legjelentősebb potenciállal rendelkező eljárás: a CO2 sósvizes rezervoárokban történő elhelyezése. Itt a szemcsék közti, nagy sótartalmú vízben a szén-dioxid felfelé mozog, miközben ásványok oldódnak be, és új (karbonát) szemcsék válnak ki, felhasználva egyes kőzetalkotó ásványok felszabaduló (elsősorban Ca) ionjait. Az ilyen módon kialakuló úgynevezett ásványosodási csapdázódás garantálja a tárolás hosszú távú biztonságát, hiszen a szilárd karbonát formájában megkötődő szén már biztosan nem fog a felszín felé vándorolni. Ezen folyamatok kutatásával is foglalkozunk az ELTE TTK Litoszféra Fluidum Kutató Laborban itt, a Lágymányosi Campuson.

Magyarország földtani adottságai miatt alkalmas a CO2 végleges elhelyezésére. Hazánk a Pannon-medence területén található, amely egy olyan üledékes medence, amelynek mélyebb zónáiban a szén-dioxid tárolására (a vizsgálatok eddigi eredményei alapján) ­alkalmasnak tűnő sósvizes rezervoárok nagy kiterjedésben megtalálhatók. A tárolásra alkalmasnak vélt üledéksorozatokat lerakódási sorrendjük miatt olyan kőzetek fedik, amelyeknek áteresztőképessége megfelelően kicsi ahhoz, hogy az alatta levő rétegekben tárolt CO2 felfelé szökését megakadályozza. A jó tárolókőzetnek viszont kellően nagy áteresztőképességűnek és porozitásúnak kell lennie ahhoz, hogy a CO2 megfelelő mennyiségben és sebességgel tudjon beáramolni a kőzetbe. Tárolókőzetnek alkalmas lehet a homokkő, amely a Kárpát-medencében például a Pannon korszakban (mintegy 10 millió éve) képződött formációkban fordul elő. Ezek a kőzetek nagy (500-1000 méter) vastagságban rakódtak le, ráadásul szintén vastag, gyakran az 1000 métert is meghaladó fedőkőzettel rendelkeznek.

Az általunk vizsgált terület a Jászsági-medence és környezete. Az itt mélyített, korábbi szénhidrogén-kutató fúrások kőzetmag anyaga rendelkezésre áll, így a kiszemelt tároló- és fedőkőzetek anyaga közvetlenül vizsgálható. Mindkét típusból több mintát is vettünk.

A mintavétel után megismerhettük a kőzet pontos ásványos összetételét: a tározóréteg (homokkő) fő összetevői: kvarc, kalcit, földpát és csillám. Ezek azok az ásványos alkotóelemek, amelyek az ipari szén-dioxid besajtolása után, egy új kémiai rendszerbe kerülve reakcióba léphetnek a megváltozott összetételű pórusfluidummal, amely immár CO2-NaCl-H2O ­ rendszerként írható le.

Annak érdekében, hogy eldönthessük, hogy a kiszemelt tároló- és fedőkőzetek alkalmasak-e a szén-dioxid hosszú távú tárolására, laboratóriumi körülmények között állítottunk elő egy valódi besajtolási helyzethez minél hasonlóbb körülményeket. Mielőtt a kísérleteket elvégeztük, megvizsgáltuk a mintákat pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM), hogy később lássuk az ásványok felületén bekövetkező, elsősorban morfológiai és összetételbeli változásokat.

Az első kísérlet egy hónapig tartott, a mintát 175 baron és 55 °C-on tartottuk, a kísérlet eredményeinek kiértékelése, illetve továbbiak előkészítése jelenleg is folyamatban van. A SEM vizsgálatok alapján a kőzetben egyértelműen bekövetkezett mind az oldódás, mind a kicsapódás (például kalcit).

A természetben is előfordulnak olyan rendszerek (például borvizek Erdélyben, savanyúvizek a Balaton-felvidéken), amelyek nagy mennyiségű szén-dioxidot oldanak, ezek vizsgálata jelentős tanulságokkal segíti a CO2 biztonságos tárolásához szükséges ismeretszerzést.

A leendő projektek számára megfelelő kiindulópontot biztosítanak a jelenlegi, ipari léptékű kísérleti alkalmazások eredményei, tapasztalatai is. Ilyen, már futó projektet találhatunk Norvégiában, a Sleipner gázmezőnél, ahol 1996 óta folyik CO2-elkülönítés és injektálás (1 milló tonna CO2 évente), illetve további fontos tapasztalatokkal szolgálnak a kanadai Weyburn, az algériai In-Salah, az ausztrál Otway, a francia Lacq, és a német Ketzin projektek is. A kutatások (elsősorban a leválasztás terén) előrehaladtával a jövőben egyre gazdaságosabbá váló CCS attól a ponttól kezdve válik nyereségessé, amikortól egységnyi szén-dioxid elnyeletése olcsóbb lesz, mint ugyanannyi kibocsátási kvóta megvásárlása. Ekkortól számos projekt beindulása várható, addig is az EU demonstrációs projektek beindításával segíti a tapasztalatszerzést, és a technológia további, ipari tesztelését, így a CCS hatékonyabban tud majd terjedni, és hozzájárulni a klímaváltozás megfékezéséhez.