A földgáz jellemzői, kibocsátása és hatása a klímaváltozásra

A földgáz a szénhidrogén-gazdag gázok csoportjába tartozik, melyet régebben "mocsári gázként" vagy "láp-gázként" emlegettek. Az ősi időkben, már i.e. 2000 körül ismerték, és a Kr. e. 200. században a kínaiak már otthoni alkalmazásokra használták, mint világítást és fűtést. Bambusz csöveken keresztül szállították a gázt a sekély kutakból. A földgáz kereskedelmi felhasználása 1821-ben kezdődött, amikor William Hart megfúrt egy első földgáztúrót Fredoniában, New Yorkban. Azóta a földgáz könnyen felhasználható, szállítható és tárolható energiaforrássá vált, széleskörű alkalmazási lehetőségekkel rendelkezik az energiatermelés és ipari szektorok terén.

Bár a megújuló energiaforrások gyorsan növekednek, a globális földgáz kereslet továbbra is emelkedik az energiafogyasztás növekedése miatt. A világ igazolt földgázkészletei kielégítik a globális energiaigényeket a következő évtizedekben, és potenciális szerepet játszanak a világ átmenetének felgyorsításában a zöldebb energiaforrások felé. A földgáz felváltja a szén szerepét az energiatermelésben, és alacsony szén-dioxid-kibocsátású energiaforrásnak számít, különösen, ha szén-dioxid megkötéssel és tárolással (CCS) kombinálják.

A földgáz tulajdonságai

A földgáz legfőbb alkotóeleme a metán, amely a szénhidrogén anyag elsődleges egysége. A metán színtelen, szagtalan és szilárd halmazállapotú éghető gáz, amely hatalmas mennyiségű energiát ad le az égése során. Ez a metán kötéseinek erősségének köszönhető. A metán környezetbarát energiaforrásnak tekinthető, mivel az egyéb fosszilis tüzelőanyagokhoz (mint a kőolaj vagy a szén) képest alacsonyabb mennyiségű szennyezőanyagot bocsát ki. Nontoxikus és enyhén vízoldható, víz alatt kialakulva gyorsan felszínre emelkedik, ahol nagyobb része metán-oxidáló baktériumokkal reagál.

A metán a Kiotói Jegyzőkönyv szerint üvegházhatású gáz, ami azt jelenti, hogy jelentős mértékben hozzájárul a globális felmelegedéshez. Azonban a metánnak rövidebb életciklusa van, mint a szén-dioxidnak, mivel az atmoszférában lévő hidroxil-radikalok hatására gyorsan oxidálódik. A metán és az OH-radikál közötti reakciók csökkentik a metán koncentrációját, miközben különböző melléktermékeket, például formaldehidet, szén-monoxidot és troposzférikus ózont hoznak létre.

Az üvegházhatású gázok globális felmelegedési potenciálja (GWP) az egyik legfontosabb mutató, amely lehetővé teszi a különböző szennyezőanyagok hozzájárulásának kvantifikálását a klímaváltozáshoz. Az IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) szerint a metán GWP-ja 20 éves és 100 éves időtávon 84-86, illetve 28-34 között mozog. Ez azt jelenti, hogy a kibocsátott egy tonna metán rövid távon 84-86 tonna szén-dioxid-kibocsátásnak felel meg, de hosszú távon az hatása csökken, és 28-34 tonna CO2-egyenértékű kibocsátásnak megfelelő mértékre csökken.

Fontos hangsúlyozni, hogy a metán kibocsátásának csökkentése nemcsak a közvetlen üvegházhatású gázok csökkentését segíti elő, hanem közvetett módon hozzájárul a légkör ózonjának csökkenéséhez, és ezáltal kedvező hatással van a klímaváltozás mértékére. Az IPCC és a különböző nemzetközi szervezetek azonnali és jelentős fellépést sürgetnek a metán kibocsátásának csökkentése érdekében, mivel a metán a globális felmelegedésért felelős harmadik legnagyobb tényező, a szén-dioxid és a dinitrogén-oxid után.

A Metán Globális Kezdeményezés (GMP), amelyet 2021-ben indítottak a COP-26 Glasgow-i konferenciáján, célul tűzte ki, hogy 2030-ra legalább 30%-kal csökkentse az antropogén metánkibocsátást az 2020-as szinthez képest. Az energiaforrásokból származó metánkibocsátás csökkentésének 60%-os, a mezőgazdaságból származó metánkibocsátás csökkentésének 20-25%-os, míg a hulladékgazdálkodásból származó kibocsátások csökkentésének 30-50%-os célját tűzték ki.

A földgáz eredete

A földgáz természetes módon keletkezik a földkéregben, az eltemetett szerves anyagok bomlásával. Különböző elméletek próbálják megmagyarázni a földgáz keletkezésének mechanizmusát. Az egyik legfontosabb folyamat a termogén eredetű metán, amely a szerves anyagok lassú bomlása következtében jön létre a föld alatti üledékes kőzetekben, hőmérséklet és nyomás hatására. Minél mélyebbre jutunk, annál inkább fokozódik a folyamat. A termogén metánt gyakran összefüggésbe hozzák az olajképződési folyamatokkal. Ezen kívül létezik biogén metán, amely az élő organizmusok (metanogén baktériumok) tevékenysége következtében keletkezik az üledékes kőzetekben.

Endtext

Hogyan növelhetjük az energiatermelés hatékonyságát algák biogázosításával?

A gáz tisztításának további lehetőségeit a NOx és SOx kibocsátás korlátozása befolyásolja, amely megakadályozza a gáz további tisztítását [54]. A szuperkritikus vízgázasítás (SCWG) és a kombinált ciklusú, gázosítást és villamosenergia-termelést integráló rendszerek előnyösek, mivel növelik az energiahatékonyságot, mivel közvetlenül a szintézisgázot használják fel üzemanyagként az energia előállítására, nem pedig tárolásra és szállításra más alkalmazásokhoz. Az így előállított elektromosság közvetlenül eljuttatható a fogyasztókhoz a hálózaton keresztül [54].

A kémiai abszorpció során szerves aminosavak, mint például a monoetanol-amin, dietanol-amin, metil-dietanol-amin és diglikol-amin oldószereket használnak, amelyek képesek nagyobb mennyiségű CO2 eltávolítására, mint a víz. A nyomásos áramlásos adszorpció során zeolitokat és aktív szén adszorbens anyagokat használnak, amelyek kihasználják a CO2 és CH4 molekuláris méretének különbségét, így a CO2-t megköti, miközben a CH4 szabadon áramlik ki [77,78]. Ezen kívül léteznek más, kevésbé elterjedt technológiák is, mint az organikus fizikai mosás, kriogén szétválasztás, forró kálium-karbonát és biológiai módszerek [1,79].

A biogáz, amely az algák anaerob lebontásával nyerhető, széleskörű alkalmazásokat talál, például a járművek számára komprimált földgáz üzemanyagként, valamint különböző ipari folyamatok hő- vagy villamosenergia-termelésére [25,80]. Az anaerob bontással előállított biogáz technológiailag megbízható, gazdaságilag megvalósítható és környezetileg fenntartható. A biomasza forrásából származó megújuló földgáz (RNG) „szén-semleges” besorolású, mivel a növények növekedésük során elnyelik a légkörből származó CO2-t [1,56].

A RNG, vagyis a biometán egy csővezeték-minőségű jármű üzemanyag, amely a meglévő földgáz-elosztó rendszert használhatja, és járművekben történő felhasználás előtt sűríteni vagy cseppfolyósítani kell [56]. A biometán betáplálása a földgáz-hálózatba energetikailag hatékony, mivel lehetővé teszi a hosszú távú szállítást anélkül, hogy szükség lenne a tárolására vagy szállítására [1]. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) Csendes-óceáni Északnyugati Nemzeti Laboratóriuma (PNNL) komercializálta azt a technológiát, amely az algákat RNG-vé alakítja katalitikus hidrotermális gázosítással, a Genifuel Corp. és a Battelle közötti licencszerződés alapján [81]. A Genifuel szerint ez a technológia hatékonyabb, mint más bioüzemanyag-proceszek, mivel nagyobb hozamot biztosít az algákból származó földgáz előállításához. A PNNL technológiája a biomassza 99%-át gázosítja, és melléktermékek, például CO2 keletkeznek, amely újrahasznosítható az algák növekedéséhez.

A jövőben az algák biogázosítása és a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése érdekében további fejlesztések várhatók, amelyek fokozzák az energiahatékonyságot és fenntarthatóságot. A különböző technológiai fejlesztések és az újrahasznosítási eljárások szélesebb körű alkalmazása hozzájárulhat a biogáz és biometán előállításának további elterjedéséhez. Az algaalapú bioüzemanyagok és energiatermelés a jövőben jelentős szerepet kaphatnak a megújuló energiaforrások között, különösen a közlekedés és az ipari energiaellátás területén.

A földgáz-rezervák típusai és kihívásai

A földgáz, mint alternatív energiaforrás, az utóbbi évtizedekben globálisan egyre nagyobb figyelmet kapott. A földgáz-rezervák kimerítése és az ebből származó energia felhasználása kulcsfontosságú tényezővé vált a nemzetgazdaságok fejlődésében. Az energiaigények növekedésével, különösen a nagy gazdaságok, mint Kína és India esetében, a fosszilis tüzelőanyagok, így a földgáz iránti kereslet is folyamatosan emelkedik. Ennek következtében, a földgáz előállítása és hasznosítása egyre inkább a középpontba kerül, mind a hagyományos, mind pedig az alternatív kinyerési technológiai megoldások terén.

A földgáz előállítása során a legnagyobb kihívás a megfelelő technológia alkalmazása. A gazdasági érdekek mellett a környezeti és technikai kérdések is döntő szerepet kapnak. A földgáz-kitermelésben a horizontális fúrás és a hidraulikus repesztés a legelterjedtebb módszerek, bár különböző típusú rétegek és tározók esetén más hagyományos módszerek is alkalmazhatók. A kitermelt gáz lehet társult gáz, amely egy olajkutatások melléktermékeként keletkezik, vagy különálló, nem társult gáz, amely kifejezetten földgáz-kitermelés céljából történik. A földgáz-kitermelés a kőolaj kitermelésével hasonló elveken alapul, de itt az interfacialis feszültség, az adszorpció és a nedvesedési viselkedés javítása érdekében különböző vegyi anyagokat alkalmaznak.

A száraz gázrezervák azok, amelyeknél a rezervoár hőmérséklete jóval meghaladja a kritikus hőmérsékletet. Az ilyen típusú gázok nem tartalmaznak folyadékrészeket, és a termelés során a nyomás csökkenésével sem kerülnek kétfázisú állapotba. A száraz gázok jellemzően metánban gazdagok, és a gáztömeg-kapacitásuk (GOR) rendkívül magas, 100 000 scf/STB fölött. Ez a típusú gáz nem jellemezhető API-gravitációval, azonban a gázolaj arány (GOR) a legfontosabb jellemző, amely meghatározza a termelés gazdaságosságát.

A nedves gázrezervák a száraz gázokhoz hasonlóan magas hőmérsékletűek, de a nyomás csökkentésével a rezervoárfolyadékok nemcsak gáz állapotban, hanem folyékony szénhidrogének is jelen lehetnek. Ilyen esetekben a gáz kinyerése során a szénhidrogének kondenzálódhatnak, és ezáltal folyadékok keletkezhetnek, amelyek gazdaságosságot adnak a kitermelési folyamatnak.

Az ilyen típusú gázok előnyei mellett számos kihívás is társul. A legfontosabb technológiai probléma a termelés fenntartása, mivel a gáz kinyeréséhez szükséges nyomás fenntartása egyre nehezebbé válik a kitermelés során. Emellett a hidraulikus repesztés és a horizontális fúrás is jelentős környezeti hatásokkal járhat, beleértve a metán szivárgásokat, amely komoly problémát jelenthet a környezeti fenntarthatóság szempontjából.

A földgáz tárolása és szállítása szintén kulcsfontosságú tényező a teljes energiaellátási láncban. A szállítási infrastruktúra, mint például a földgázvezetékek és a cseppfolyósított földgáz (LNG) terminálok, alapvetően meghatározzák, hogy a kitermelt gáz hogyan juthat el a fogyasztókhoz. A gázpiacok liberalizálása és a globális energiapolitikai változások tovább növelik a gázszállítási infrastruktúra fontosságát, különösen azokban az országokban, amelyek nem rendelkeznek belföldi termeléssel, de jelentős importőrökké váltak.

A földgáz jövőbeli szerepe is egyre inkább vitatottá válik. Miközben sokan a tisztább, alacsonyabb szén-dioxid-kibocsátással járó energiaforrásként tekintenek rá, a fosszilis tüzelőanyagok hosszú távú fenntarthatósága és az alternatív energiákra való áttérés egyre sürgetőbb kérdéseket vet fel. A gazdaságok számára tehát nemcsak a kitermelés technikai aspektusait kell figyelembe venniük, hanem a földgáz környezeti hatásait és a jövőbeli energiaellátás biztonságát is.

A földgáz bányászata és felhasználása során fontos megérteni, hogy a gázpiacok dinamikája nem csupán a kitermelés és a termelési költségek kérdése, hanem komplex globális tényezők összjátékától függ. A jövő energiagazdálkodása a fenntarthatóságot és az alacsony szén-dioxid-kibocsátású megoldások keresését tűzi ki célul, miközben a földgáz, mint a fosszilis energiák átmeneti szereplője, továbbra is kulcsszerepet játszik a globális energiaellátásban.

A kőolajpalák hőértéke és hasznosítása energetikai célokra

A kőolajpala egy olyan szilárd ásványi anyag, amely jelentős mennyiségű szerves anyagot, azaz kerogént tartalmaz. A kerogén hőértéke alapvető tényező, amely meghatározza, hogy egy kőolajpala használható-e közvetlen energiatermelésre, például hőenergiát biztosítva erőművek számára. A hőérték az az energia, amely egy adott mennyiségű kőolajpala elégetésekor felszabadul, és az egyes típusú pala közt is jelentős eltérések lehetnek.

A kőolajpala alapvető minőségi jellemzője a szerves anyag mennyisége. A hőenergiát biztosító minimális szervesanyag-tartalom kb. 2,5 tömegszázalék, ami szükséges ahhoz, hogy a pala alkalmas legyen fűtési célokra 500°C-ra történő hevítés esetén. Az ipari kereskedelmi minősítés vagy jellemzés az olajpala szintjén, vagy annak energiatartalmán alapul. Az energiatartalom mérésére szolgáló egyik legelterjedtebb módszer a hőérték meghatározása, amely az olajpala közvetlen felhasználását jelzi egy erőműben, például gőztermelés céljából.

A kerogénből nyerhető olaj mennyiségét a Fischer-féle vizsgálati módszerrel határozzák meg, amely a szerves anyagokban található olaj mennyiségét méri. Ezt a módszert világszerte alkalmazzák, és alapvető fontosságú a kőolajpala ipari hasznosíthatóságának meghatározásában. Az olajtermelés sebességét elsősorban a kerogén mennyisége és az a rész, amely olaj formájában nyerhető ki, befolyásolja. Az ipari minőségű kőolajpala körülbelül 100-200 liter olajat képes előállítani tonnánként, bár a Fischer-vizsgálat nem nyújt pontos adatokat az olajpala maximális termelési kapacitásáról.

A kőolajpala hőkezelési eljárásai rendkívül fontosak a nyersanyag kinyerésében. A kőolajpala hőkezelése során a kerogén szétbontása révén bitument, gázt, kőolajat és vízgőzt képesek előállítani. A kerogén, amely egy összetett szerves vegyület, nem oldódik ki hagyományos oldószerekkel, ezért a hőkezelés szükséges a kivonásához. A hőkezelés során a bitumenből gáz, kőolaj és egyéb szénalapú maradékok képződnek, amelyek végül szilárd melléktermékként, úgynevezett félkokszként jelennek meg.

A kőolajpala kémiai összetétele és az alkalmazott hőkezelési eljárások jelentős hatással vannak a végtermékek mennyiségére és minőségére. A különböző retortálási technológiák, mint például a Fushun és Kiviter típusú retorták, valamint a Galoter módszer, különböző módon kezelik a félkokszot és más melléktermékeket. A félkoksz hőértéke változó lehet, általában 1,45 és 2,68 MJ/kg között. A különböző retortálási technológiák egyik legnagyobb kihívása, hogy a félkoksz hatékony hasznosítása nehezen oldható meg, és az egyes eljárások nagy mennyiségű mellékterméket, szénalapú hulladékot eredményezhetnek.

A félkoksz hulladékának felhalmozódása és a környezeti hatások, mint például a szivárgás és a csapadék hatása a helyi vízkészletekre, komoly problémákat vet fel. Az esztétikai szempontok mellett az ilyen hulladékok a környezetet is károsíthatják, és nagy mennyiségű szénveszteséget eredményezhetnek. A fenntarthatóság szempontjából a kőolajpala feldolgozása olyan technológiai megoldásokat igényel, amelyek minimalizálják a környezeti hatásokat és maximalizálják az energiahatékonyságot.

Fontos figyelembe venni, hogy a kőolajpala energetikai hasznosítása nem csupán gazdasági, hanem környezeti és fenntarthatósági szempontból is kulcsfontosságú. Az energiaforrások hatékony kihasználása érdekében szükséges a technológiai fejlődés, különösen a melléktermékek kezelésére és a környezeti hatások minimalizálására. A kőolajpala energiatermelési potenciálja tehát nemcsak az alapanyag minőségétől, hanem a feldolgozási eljárások optimalizálásától is függ.