Metan: Dobry/Zły gaz

Promienie zachodzącego słońca sączą się przez ośnieżone świerki nad jeziorem Goldstream, koło Fairbanks na Alasce.
Katey Walter Anthony stoi na gładkim czarnym lodzie, który skuł niedawno wodę, i przygląda się uwięzionym w nim białym pęcherzykom. Są duże i małe, rozrzucone po całej powierzchni i przez cały przekrój lodowej warstwy. Wyglądają jak gwiazdy na nocnym niebie. Walter Anthony, która pracuje na Uniwersytecie Alaski w Fairbanks, bierze w dłonie okuty drąg. Doktorant, który jej pomaga, zapala zapałkę i trzyma ją nad jednym z większych bąbli, a Walter Anthony uderza w lód.
Płomienie stanowią potwierdzenie, że w pęcherzach jest metan, główny składnik gazu ziemnego. Licząc i mierząc te pęcherze, badaczka próbuje oszacować, ile metanu wydobywa się z jeziora Goldstream i podobnych mu zbiorników, których na obszarach arktycznych są miliony. Pokrywają dziś one jedną trzecią powierzchni całej lądowej Arktyki. W ostatnich dekadach obszary podbiegunowe ocieplają się znacznie szybciej niż reszta globu. Topnienie wiecznej zmarzliny sprawia, że istniejące jeziora się powiększają, powstaje też wiele nowych. Ilość wytwarzanego w osadach dennych metanu zmierzyć trudno. Chyba że gaz zostanie uwięziony w pierwszym jesiennym, przezroczystym lodzie, oferując naukowcom coś na kształt fotografii emisji z całego jeziora.
Czasem, czy to na Alasce, czy na Grenlandii lub Syberii, wystarczy w lód stuknąć obcasem, by metan zaczął wydobywać się z sykiem. Na niektórych jeziorach wydzielanie metanu jest miejscami tak silne, że tworzą się „ogniska” – niezamarzające plamy dające się zaobserwować z samolotu. – Z jednego takiego otworu może się wydobywać 10–30 litrów metanu dziennie, i tak przez cały rok. Musimy sobie zdać sprawę, że na jeziorze mogą być setki takich miejsc, a samych jezior – miliony – zwraca uwagę Walter Anthony. Emitując metan do atmosfery, jeziora jeszcze przyspieszają globalne ocieplenie, którego same są efektem. Metan jest silnie działającym gazem cieplarnianym. Wprawdzie globalnie największą rolę odgrywa dwutlenek węgla, bo w atmosferze jest go 200 razy więcej niż metanu, ale w przeliczeniu na jednostkę objętości metan wchłania 25 razy więcej ciepła niż CO2. Chyba że zostanie spalony – wówczas zamienia się w dwutlenek węgla.
I to jest druga strona medalu – dziś metanu spala się bowiem bardzo dużo. W ostatnim dziesięcioleciu, dzięki opracowaniu metody zwanej szczelinowaniem hydraulicznym, w USA zaczęto wydobywać gaz ziemny uwięziony w głębokich pokładach łupków osadowych, który był wcześniej niedostępny dla górnictwa. Dostawy gazu ziemnego skoczyły w górę, ceny spadły. Metoda hydroszczelinowania rozpowszechnia się obecnie na świecie. I wywołuje kontrowersje. Konsekwencjami gazowego boomu są bowiem zniszczenia krajobrazu i zanieczyszczenia wód podziemnych. Ale wydobycie gazu łupkowego ma też dla środowiska naturalnego pozytywne skutki. Spalanie gazu ziemnego to proces czystszy niż spalanie węgla kamiennego. Między innymi dzięki temu, że amerykańskie elektrownie przestawiły się z węgla na tani gaz, emisja CO2 ze spalania paliw kopalnych w USA w ubiegłym roku spadła, choć na całym świecie rośnie.
Problem jest jednak z emisją metanu – a ta wzrasta. Walter Anthony zwraca uwagę, że to, co dzieje się w jeziorach Arktyki, jest bardzo niepokojące: wydobywający się gaz nie pochodzi, jak się zdaje, tylko z jeziornych osadów dennych, lecz z głębszych pokładów geologicznych, w których był dotychczas utrzymywany przez wieczną zmarzlinę. Pokłady te zawierają setki razy więcej metanu niż dziś znajduje się w atmosferze. Niemniej jednak większość metanu dostającego się dzisiaj do atmosfery nie pochodzi z Arktyki, lecz z innych obszarów globu, i jest to proces związany w sposób bezpośredni z działalnością człowieka. Coraz więcej gazu ulatnia się z nieszczelności w rurociągach i odwiertach gazowych. To, na ile klimat ziemi ociepli się w tym stuleciu, zależy częściowo od równowagi pomiędzy „dobrym” i „złym” metanem – czyli od tego, ile zdołamy przechwycić i spalić, a ile się ulotni.

Metan to najprostszy węglowodór – pojedynczy atom węgla otoczony czterema atomami wodoru. Powstaje zwykle podczas rozkładu mikrobiologicznego lub termicznego większych cząsteczek organicznych. Mikroorganizmy produkują metan, przetwarzając roślinną materię organiczną w warunkach dużej wilgotności i niedostatku tlenu. To mikroorganizmy są odpowiedzialne za bąbelki metanu wydobywające się z jeziora Goldstream i bagien na całym świecie, z pól ryżowych, wysypisk śmieci, a także żołądków krów i innych przeżuwaczy. Dużo metanu wytwarzają też termity.
Większość metanu zawartego w gazie ziemnym wytworzyło się nie w procesach mikrobiologicznych, lecz pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia głęboko pod powierzchnią ziemi, podobnie jak węgiel kamienny i ropa naftowa. Zresztą metan często towarzyszy tym kopalinom. W kopalniach węgla gaz stwarza zagrożenie wybuchem. Na polach naftowych długo uważano go za coś zbędnego i spalano, albo – jeszcze gorzej – wypuszczano w powietrze. Paliwo ciekłe było cenniejsze i łatwiejsze w transporcie. Rurociągi budowane po II wojnie światowej ułatwiły jednak przesył gazu. Przemysł energetyczny zaczął wykorzystywać wielkie złoża w Rosji, Katarze czy Iranie.
Stany Zjednoczone były w dużej mierze samowystarczalne, jeśli idzie o gaz, ale po maksimum osiągniętym w 1973 r. wydobycie zaczęło spadać. W 2005 r. wydawało się, że gazu zabraknie i zaczęto budować drogie terminale przeładunkowe dla importowanego skroplonego gazu. Opracowanie metody wydobycia gazu łupkowego zmieniło wszystko. Od 2005 r. dzięki metodzie szczelinowania hydraulicznego pozyskiwanie gazu z łupków wrosło dziesięciokrotnie. Dzisiaj gaz łupkowy stanowi jedną trzecią całkowitego wydobycia gazu ziemnego, które w ubiegłym roku pobiło rekord z 1973 r. Za 10 lat – według prognozy Departamentu Energii USA (DOE) – USA staną się eksporterem gazu netto. Oceny zasobności złóż gazu łupkowego i szacunki długości trwania gazowego boomu są jednak rozbieżne. W 2011 r. Departament Energii 23,7 bln m3, ale w 2012 r. obniżył szacunki o ponad 40 proc. Wydobycie z odwiertów szczelinowanych spada szybciej, niż przewidywali analitycy. Dlatego niektórzy twierdzą, że gazowy boom jest bańką, która wkrótce pęknie.
Ale głębokie pokłady w łupkach to wcale nie ostatnie źródło metanu. Branża energetyczna przymierza się do wykorzystania najobfitszych zasobów na świecie – złóż klatratów metanu leżących na ogromnych obszarach dna morskiego i uwięzionych w podbiegunowej wiecznej zmarzlinie. Prawdopodobnie światowe zasoby klatratów metanu są w stanie dostarczyć więcej energii niż całkowite zasoby wszystkich pozostałych paliw kopalnych razem wziętych. Klatrat metanu jest biały i wygląda jak zwykły lód. Jest to jednak dziwna substancja i uzyskanie z niej metanu wiąże się z pewnymi problemami. Każda cząsteczka metanu otoczona jest jakby klatką z cząsteczek wody. Klatki te są jednak stabilne tylko w warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury; w razie wahnięcia któregoś z tych czynników, klatka rozsypuje się. Z 1 m3 klatratu powstają aż 164 m3 metanu.
Koncerny naftowe prowadzące wydobycie ropy na stokach kontynentalnych muszą uważać, by podczas wiercenia nie naruszyć leżących nad złożami ropy pokładów klatratów, co mogłoby doprowadzić do uszkodzenia odwiertu. Klimatologów martwi możliwość destabilizacji lądowych lub podmorskich pokładów klatratów wskutek ocieplenia klimatu, co groziłoby uwalnianiem metanu na ogromną skalę i lawinowym przyspieszeniem ocieplenia.
Stężenie metanu w ziemskiej atmosferze wzrosło o 160 proc. w stosunku do epoki przedprzemysłowej i wynosi dziś 1,8 ppm (części na milion). W latach 1999–2006 zaobserwowano jednak, że stężenie przestało wzrastać. Część naukowców uznała, że zawdzięczamy to zmianom agrotechnicznym w Azji, gdzie zaczęto okresowo spuszczać wodę z pól ryżowych. Inna hipoteza przyznała zasługę przemysłowi naftowemu, który zaczął przechwytywać towarzyszący złożom ropy gaz ziemny, wcześniej po prostu wypuszczany do atmosfery. Jednak od 2006 r. zawartość metanu w powietrzu znów rośnie. Według wielu naukowców związek ze wzrostem liczby odwiertów w łupkach gazonośnych jest nieprzypadkowy.

Największe w USA pokłady łupków gazonośnych, w tzw. formacji Marcellus, położone są na głębokości około 2 km pod łańcuchem Appalachów. Fragment na obszarze Pensylwanii pokrywają piękne pejzaże: falujące wzgórza porośnięte trawami, a na północnym zachodzie lasami, przez które płynie około 2 tys. pełnych pstrągów potoków. Nocą niebo jest aksamitnie czarne jak nigdzie indziej na wschodzie USA.
Dziś tutejszymi krętymi szosami dzień i noc pędzą z łomotem cysterny, wywrotki, platformy wyładowane rurami, gigantyczne betoniarki. Co i rusz widać zrównane przez spychacze leśne poręby lub pola, dwuhektarowe działki zryte do gołej ziemi. Strzelają z nich wysokie wieże wiertnicze. To pod nimi gromadzą się te ciężarówki i ciągniki. Zanieczyszczona woda z otworów wiertniczych leje się do cystern lub odkrytych ziemnych zbiorników wyłożonych ciemną folią. Wieże wiertnicze szybko znikną, ale otwory pozostaną, podłączone pękami rur i zaworami do stałych rurociągów, zbiorników ciśnieniowych i stacji sprężania. Od 2008 r. większość Pensylwanii zmieniła się nie do poznania.
Początki boomu sięgają Teksasu z lat 80. XX w., gdy niejaki George Mitchell, poszukiwacz ropy i gazu, stojąc w obliczu kurczących się zasobów, zainteresował się łupkami pokładu Barnett koło Dallas. Wiadomo było, że łupki czarne, będące sprasowanymi osadami dennymi z dawnych mórz, to skały, w których powstaje ropa naftowa. Z upływem czasu geologicznego większość ropy i gazu ziemnego z nich uszła i została uwięziona jak w pułapce w złożach porowatego piaskowca – właśnie stamtąd dziś się je wydobywa. Odwierty kończące się w łupkach nigdy nie dawały opłacalnego wydobycia – łupki są zbite i nieprzepuszczalne, więc gaz z nich nie ucieka.
Do dzisiejszego boomu gazu łupkowego doprowadziła opracowana przez Mitchella w ciągu 20 lat (przy wsparciu Departamentu Energii) metoda stymulacji wydajności odwiertów za pomocą szczelinowania. Metoda jest dwuetapowa. Najpierw wykonuje się odwiert pionowy do pokładu łupkowego, a potem otwory poziome, tzw. kierunkowe, sięgające w bok na kilometr czy dwa. W ten sposób więcej gazu dociera do szybu. W drugim etapie do odwiertu wpompowuje się pod ciśnieniem miliony litrów tzw. płuczki (płynu szczelinującego) – wody z dodatkami chemicznymi zmniejszającymi lepkość i piaskiem. Jej zadaniem jest powiększenie i udrożnienie szczelin w skale, którymi gaz dotrze do szybu.
Z gazu łupkowego cieszą się konsumenci: 55 proc. domów mieszkalnych w USA ma ogrzewanie gazowe, a ceny gazu ubiegłej zimy były najniższe od 10 lat. W Pensylwanii boom gazowy ożywił gospodarkę – według oceny władz stworzył 18 tys. miejsc pracy i przyniósł miliony dolarów w czynszach dzierżawnych i opłatach za prawa do eksploatacji kopalin posiadaczom gruntów na terenach gazonośnych. Niemniej jednak niektórzy właściciele wydzierżawionych działek żałują poniewczasie zgody na odwierty.
Tak jak Sherry Vargson. W 2008 r. firma Chesapeake Energy rozpoczęła wiercenia na gruntach jej gospodarstwa w Granville Summit w Pensylwanii. W czerwcu 2010 r., już po uruchomieniu szybu wydobywczego, gdy Vargson odkręciła kuchenny kran, poleciała z niego woda z bąbelkami. – Coś jak sodówka – opowiada kobieta. Badania wykazały, że woda zawiera dwukrotnie więcej metanu niż wynosi stężenie uznawane za zagrażające wybuchem. Od tamtej pory firma Chesapeake dostarcza jej butelkowaną wodę pitną, choć utrzymuje, że zanieczyszczenie ma przyczyny naturalne, a dochody z opłat eksploatacyjnych skurczyły się z tysiąca dolarów miesięcznie do stu, bo wydobycie gazu spadło.

Główny argument podnoszony przez spółki gazowe, które chcą uspokoić opinię publiczną, jest taki, że pokłady łupków leżą wiele setek metrów poniżej warstw wodonośnych. Dlatego zanieczyszczenie wód czy to gazem, czy płuczką (która zawiera różne dodatki chemiczne, w tym metale ciężkie, a także pierwiastki promieniotwórcze wypłukane ze skał), jest fizycznie niemożliwe. Logicznie rzecz biorąc, argument wydaje się sensowny, ale sprawa nie jest jasna. Naukowcy z Uniwersytetu Duke’a znaleźli dowody na przesączanie się cieczy z dołu do góry naturalnymi szczelinami w łupkach, choć nie chodziło o płyn szczelinujący.
W jednym z wcześniejszych badań naukowcy Duke’a pobrali próbki wody z 60 prywatnych studni w północno-wschodniej Pensylwanii i nie znaleźli w nich śladów płuczki. Niemniej jednak stwierdzili, że stężenie metanu jest przeciętnie 17-krotnie większe w studniach znajdujących się w pobliżu odwiertów, a w niektórych przypadkach rozpuszczony w wodzie gaz odpowiada składem chemicznym gazowi łupkowemu. Badacze podejrzewają, że przesączył się do płycej leżących warstw wodonośnych z nieszczelności w obudowie odwiertu wydobywczego.
W Pensylwanii i w innych miejscach eksploatacja gazu łupkowego ruszyła tak pospiesznie, że wyprzedziła badania jej oddziaływania na środowisko. Jak dotąd jednak negatywne skutki są, jak się zdaje, mniejsze niż konsekwencje górnictwa węglowego. W Pensylwanii to ono doprowadziło do znacznie poważniejszych zanieczyszczeń rzek, a w Wirginii Zachodniej odkrywki zrujnowały krajobraz. W całych Stanach pylica uśmierca setki górników rocznie. Porównanie z górnictwem węglowym jest jak najbardziej na miejscu, bo gaz ziemny zmniejsza zapotrzebowanie na węgiel kamienny. Jeszcze w 2007 r. blisko połowa energii elektrycznej w USA powstawała w elektrowniach węglowych. W marcu br. już tylko 34 proc.
John Hanger to pensylwański prawnik, były szef Departamentu Energii, który zaostrzył przepisy regulujące działalność branży gazowej i wymierzał drastyczne kary finansowe. Mimo to jest atakowany przez zwolenników zakazu wydobycia gazu łupkowego metodą szczelinowania. Hanger jest zdania, że ci ludzie mają klapki na oczach. – Przestawienie się z węgla na gaz zrobiło więcej dla czystości powietrza Pensylwanii i całej Ameryki niż jakiekolwiek działania, które podejmowano dotychczas – twierdzi.
W przeciwieństwie do węgla kamiennego przy spalaniu gazu ziemnego nie dostają się do atmosfery dwutlenek siarki, rtęć i sadza, nie powstają też hałdy popiołu. Na jednostkę uzyskanej energii powstaje o połowę mniej dwutlenku węgla. W raporcie nt. gazów cieplarnianych sporządzonym przez Agencję Ochrony Środowiska USA czytamy, że emisja CO2 w 2010 r. była niższa niż w r. 2005 o ponad 400 mln ton (spadek o 7 proc.). Wstępne dane za rok 2011 wskazują na dalszy spadek. Zmniejszenie emisji przez elektrownie w wyniku przestawienia się z węgla na gaz odpowiada za jedną trzecią tego spadku.
Część obrońców środowiska naturalnego, która właśnie z tego powodu popierała wydobycie gazu łupkowego, zmieniła zdanie po obserwacji skutków boomu w Pensylwanii. Hanger mimo to ma nadzieję, że wydobycie gazu łupkowego rozszerzy się na inne kraje. – Gdyby Chiny, które siedzą na ogromnych złożach, przestawiły się chociaż częściowo z węgla na gaz, korzyść dla klimatu byłaby ogromna i szybka – mówi.

Korzyść będzie, ale pod warunkiem, że przy okazji zbyt dużo metanu nie ucieknie w powietrze. Wprawdzie emisja dwutlenku węgla w USA spadła w latach 2005–2010, za to zwiększyła się emisja metanu. Do roku 2010 ten wzrost emisji był według wyliczeń Agencji Ochrony ekwiwalentem 40 mln ton CO2, a to oznacza, że netto pozytywny efekt spadku emisji dwutlenku węgla na klimat był mniejszy o 10 proc. Zdaniem Agencji za ponad połowę wzrostu emisji metanu odpowiada kopalnictwo gazu ziemnego.

Analiza danych Agencji wskazuje, że wydobycie gazu łupkowego ma mimo wszystko pozytywny wpływ na klimat. Niemniej jednak niektórzy naukowcy, zwłaszcza Robert Howarth z zespołem z Uniwersytetu Cornella, uważają, że Agencja Ochrony Środowiska niedoszacowała wielkości emisji metanu i, co więcej, zaniżyła wpływ na klimat każdej cząsteczki metanu. Ich zdaniem z odwiertów, rurociągów, sprężarek i zbiorników do atmosfery przedostaje się tyle metanu, że sumarycznie wydobycie gazu łupkowego jest dla klimatu gorsze niż węgiel. Inni naukowcy kwestionują jednak podejście Howartha. Dyskusja trwa – częściowo dlatego, że wszystkie liczby dotyczące metanu są niepewne.
Niektórzy specjaliści uważają, że wychwytywanie metanu to wielka szansa: metan ma stosunkowo większy wpływ na ocieplenie klimatu niż dwutlenek węgla, dlatego, przynajmniej na krótką metę, korzystniejsze skutki ma ograniczanie emisji metanu. Ponadto metan jest cennym paliwem. I tak na przykład Chiny, największy na świecie producent węgla kamiennego, wypuszczają w powietrze ogromne ilości metanu z systemów przewietrzania kopalni, co ma na celu ograniczenie niebezpieczeństwa wybuchów gazu. W latach 90. XX w. Fundusz na rzecz Środowiska Globalnego stworzony przez ONZ i Bank Światowy przeznaczył miliony dolarów na przedsięwzięcie polegające na przepompowywaniu usuwanego z kilku kopalni w Chinach metanu do instalacji, które ogrzewały tysiące gospodarstw domowych. Tysiące takich przedsięwzięć na całym świecie czekają na sfinansowanie.
Drew Shindell, klimatolog z Instytutu Studiów Kosmicznych im. Goddarda przeprowadził niedawno analizę porównawczą siedmiu strategii redukowania emisji metanu – od osuszania pól ryżowych po wychwytywanie gazu ulatniającego się z szybów gazowych. Inaczej niż dwutlenek węgla, metan ma negatywny wpływ na zdrowie ludzkie, sprzyja bowiem powstawaniu smogu. Ekipa Shindella ocenia, że gdy weźmie się wpływ na zdrowie publiczne, korzyści z ograniczania emisji metanu przeważają nad kosztami w stosunku 3:1, a w niektórych przypadkach 20:1.
– Są źródła, z których ucieczkę metanu trudno opanować, a może i jest to niemożliwe – mówi Shindell. – Weźmy np. emisję metanu w Arktyce. Tu moim zdaniem nic nie można zrobić. Ale w wypadku rurociągów przesyłowych należy zwyczajnie dbać o uszczelnienia. Zaś przy wydobyciu ropy, gazu ziemnego i węgla radykalne ograniczenie ucieczki metanu jest naprawdę proste.

Część metanu bąbelkującego w Arktyce pochodzi z klatratów – podejrzewa Walter Anthony. 56 mln lat temu, w paleocenie, długi okres ocieplenia klimatu miał kulminację w nagłym skoku temperatury o 5OC. Wielu naukowców uważa, że jego przyczyną była wywołana ociepleniem destabilizacja pokładów klatratów metanu. Prawdopodobieństwo powtórki takiej katastrofy jest dziś małe, ale metan uwalniający się w Arktyce będzie wpływał na klimat przez kilka następnych stuleci.
– Gdybyśmy zdołali go jakoś przechwycić, mielibyśmy wspaniałe źródło energii – rozmarza się badaczka.