Tom 27 2011 Zeszyt 1
BARBARA ULIASZ-MISIAK*
Wp³yw geologicznego sk³adowania CO
2na œrodowisko
Wprowadzenie
Geologiczne sk³adowanie dwutlenku wêgla (Carbon Dioxide Capture and Storage – CCS) rozwa¿ane jest jako jedna z mo¿liwoœci ograniczenia emisji tego gazu do atmosfery i zmniejszenia jego koncentracji. Obecnie na œwiecie jest realizowanych kilka projektów geologicznego sk³adowania CO2w skali przemys³owej (np. Sleipner, Weyburn, In Salah)
oraz kilkanaœcie projektów badawczo-rozwojowych. Projekty te nakierowane s¹ na okreœ-lenie technicznych i technologicznych mo¿liwoœci zastosowania tej technologii. Wdro¿enie geologicznego sk³adowania w skali przemys³owej wi¹¿e siê z ryzykiem wyst¹pienia za-gro¿eñ dla zdrowia ludzi i œrodowiska, na ka¿dym etapie tego procesu. Dlatego bezpie-czeñstwo sk³adowania jest kluczowym zagadnieniem wp³ywaj¹cym na spo³eczn¹ akceptacjê tej technologii oraz przepisy prawne i standardy reguluj¹ce jego stosowanie w skali prze-mys³owej.
Miejsca geologicznego sk³adowania CO2typowane s¹ przede wszystkim pod k¹tem ich
szczelnoœci. Sk³adowanie dwutlenku wêgla powinno byæ prowadzone przy za³o¿eniu, ¿e gaz nie bêdzie wycieka³ z miejsca sk³adowania. Zak³ada siê, ¿e rocznie mo¿e wyciekaæ ze sk³adowiska mniej ni¿ 0,1% ca³oœci sk³adowanego dwutlenku wêgla (Damen i in. 2006). Niezale¿nie od tego, czy zat³aczany gaz bêdzie wycieka³ ze sk³adowiska, czy te¿ nie dwutlenek wêgla bêdzie oddzia³ywa³ na œrodowisko. W szczelnym miejscu sk³adowania CO2 bêdzie wchodzi³ w reakcje ze ska³ami i wodami. Jednak jego oddzia³ywanie nie
spowoduje ujemnych dla œrodowiska skutków. W przypadku nieszczelnoœci sk³adowiska migruj¹cy gaz bêdzie powodowa³ zmiany w sk³adzie powietrza glebowego i wód
podziem-* Dr hab. in¿., Katedra In¿ynierii Naftowej, Wydzia³ Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, Kraków; e-mail: uliasz@agh.edu.pl
nych, wp³ywa³ na rozwój roœlin, zwiêksza³ jego stê¿enie w atmosferze, a przy nag³ych i du¿ych wyp³ywach stanowi³ zagro¿enie dla ludzi i zwierz¹t (rys. 1).
Wp³yw sk³adowania i sk³adowisk dwutlenku wêgla na œrodowisko naturalne jest za-gadnieniem z³o¿onym, ze wzglêdu na skalê czasow¹ i mo¿liwe oddzia³ywania z ró¿nymi elementami œrodowiska. Zak³ada siê, ¿e sk³adowanie bêdzie prowadzone przez d³ugi okres czasu, w ci¹gu którego gaz bêdzie oddzia³ywa³ na œrodowisko. Geologiczne sk³adowanie CO2jest now¹ technologi¹, wiêkszoœæ instalacji dzia³a od niedawna i nie dostarczaj¹ one
¿adnych informacji na ten temat. Wp³yw podwy¿szonych koncentracji dwutlenku wêgla na œrodowisko naturalne i organizmy ¿ywe jest s³abo zbadany. Badania tego rodzaju prowadzone s¹ w miejscach wycieków CO2 pochodz¹cego ze Ÿróde³ naturalnych (Krüger i in. 2009;
Uliasz-Misiak (red.) 2006; West i in. 2009, 2010; Beaubien i in. 2008; Vodnik i in. 2006).
Rys. 1. Potencjalny wp³yw wycieku dwutlenku wêgla z podziemnego sk³adowiska na ludzi, zwierzêta i wody (na podst. Bouc i in. 2009 ze zmianami)
1a – zagro¿enie dla zdrowia i ¿ycia ludzi spowodowane wyciekiem CO2; 1b – zagro¿enie dla zdrowia ludzi spowodowane mobilizacj¹ zanieczyszczeñ; 2a – zanieczyszczenie podziemnych wód pitnych;
2b – zmiana w³aœciwoœci fizykochemicznych i pogorszenie jakoœci wód podziemnych; 2c – spadek wydatku wód; 3a – zanieczyszczenie powierzchniowych wód pitnych; 3b – zmiana w³aœciwoœci fizykochemicznych i pogorszenie jakoœci wód powierzchniowych;
4a – zagro¿enie dla zwierz¹t hodowlanych; 4b – zagro¿enie dla fauny i flory l¹dowej; 5 – zagro¿enie dla mikroorganizmów glebowych; 6 – zwiêkszenie efektu cieplarnianego Fig. 1. Potential influence of carbon dioxide leakage from an underground storage site on humans,
1. Oddzia³ywanie CO2 na ska³y i wody podziemne
Geologiczne sk³adowanie CO2ma byæ metod¹, która pozwoli na trwa³e usuniêcie tego
gazu z atmosfery poprzez uwiêzienie go w formacji skalnej. Gaz zat³aczany do struktur geo-logicznych bêdzie oddzia³ywa³ z formacj¹ do sk³adowania (ska³ami i p³ynami z³o¿owymi) oraz w przypadku migracji poza sk³adowisko ze ska³ami nadk³adu i wodami podziemnymi.
Dwutlenek wêgla unieszkodliwiany jest w formacjach do sk³adowania za pomoc¹ ró¿-nych mechanizmów pu³apkowania. Mechanizmy pu³apkowania dzia³aj¹ce w d³ugim okresie czasu pozwol¹ na trwa³e zwi¹zanie CO2; zalicza siê do nich: pu³apkowanie
hydrody-namiczne, rozpuszczanie i mineralne wi¹zanie. Pierwszy mechanizm (pu³apkowanie hydro-dynamiczne) polega na sk³adowaniu superkrytycznego CO2pod przykryciem s³abo
prze-puszczalnych ska³ i nie powoduje zmian w formacji do sk³adowania. Dwa pozosta³e – rozpuszczanie i mineralne wi¹zanie – wywo³uj¹ zmiany w miejscu sk³adowania.
Dwutlenek wêgla stopniowo rozpuszcza siê w wodzie z³o¿owej lub ropie, ca³kowicie lub czêœciowo, oraz reaguje ze ska³ami i wodami, powoduj¹c rozpuszczanie i wytr¹canie minera³ów w ska³ach (mineraln¹ karbonatyzacjê) (Uliasz-Misiak 2008). Po zat³oczeniu dwutlenku wêgla, rozpuszczanie w wodzie z³o¿owej zachodzi do momentu osi¹gniêcia stanu równowagi. W danym momencie czasu formacja do sk³adowania zawiera: „czyst¹” wodê z³o¿ow¹, pióropusz dwutlenku wêgla i wodê z czêœciowo rozpuszczonym gazem (Flett i in. 2007). Rozpuszczalnoœæ dwutlenku wêgla zale¿y g³ównie od: mineralizacji wód, iloœci i rodzaju rozpuszczonych sk³adników sta³ych (zw³aszcza wêglanów: wapnia, magnezu, ¿elaza i manganu), ciœnienia i temperatury z³o¿owej (Chang i in. 1996; Nodzeñski, Ho³da 2003; Ciê¿kowski i in. 2002). Rozpuszczalnoœæ CO2w wodach z³o¿owych i wêglowodorach
by³a przedmiotem licznych badañ m. in. Enick i Klara (1990), Bachu i Adams (2003), Holt i in. (1995), Koide i in. (1995), Portier i Rochelle (2005), Kaszuba i inni (2003). Badania reakcji pomiêdzy wod¹ z³o¿ow¹ a dwutlenkiem wêgla przeprowadzi³ Soong i inni (2004). Stwierdzili oni, ¿e CO2zat³oczony do wód z³o¿owych powoduje obni¿enie pH oraz
two-rzenie takich minera³ów jak kalcyt, dolomit, syderyt.
Mechanizm pozwalaj¹cy na trwa³e zwi¹zanie dwutlenku wêgla w matrycy skalnej to mineralne wi¹zanie. Woda z³o¿owa z dwutlenkiem wêgla powoduje rozpuszczanie jednych i wytr¹canie innych sk³adników mineralnych ze ska³ buduj¹cych formacjê do sk³adowania. Jest to proces powolny i bardzo z³o¿ony. Reakcje chemiczne jakie zachodz¹ w matrycy skalnej zbiornika zale¿¹ od sk³adu mineralogicznego, tekstury ska³, temperatury i ciœnienia, prêdkoœci przep³ywu gazu i szybkoœci reakcji, sk³adu wód z³o¿owych; a ich ogólne trendy s¹ mo¿liwe do przewidzenia (Czernichowski-Lauriol i in. 1996; Olsen, Stentoft 2003).
Badania zat³aczania CO2do piaskowców wskazuj¹, ¿e zachodz¹ tu dwa rodzaje reakcji:
z lepiszczem wêglanowym, anhydrytowym i innymi, podobne do reakcji zachodz¹cych w ska³ach wêglanowych oraz z minera³ami krzemianowymi. Rezultatem ich mo¿e byæ rozpuszczanie skaleni (w ró¿nym stopniu) oraz wytr¹canie kryszta³ów kaolinitu z K-skaleni i albitu, minera³ów ilastych, zeolitów i wêglanów (Olsen, Stentoft 2003; Tarkowski, Uliasz--Misiak 2007; Gunter i in. 2000; Gaus i in. 2005; Lagneau i in. 2005). Nie stwierdzono
reakcji kwarcu z wodami z³o¿owymi zawieraj¹cymi dwutlenek wêgla (Gunter i in. 2000; 2004; Lagneau i in. 2005; Wigand i in., 2008). W formacjach piaskowcowych zaobserwo-wano równie¿ proces przekszta³cania krzemionki (krzemiany) w minera³y wêglanowe (kar-bonatyzacjê). Jest to proces chemiczny, w którym przy udziale CO2 z minera³ów
za-wieraj¹cych Ca, Mg, Na, K, powstaj¹ stabilne wêglany i wodorowêglany tych metali (Olsen, Stentoft 2003).
Mineralne wi¹zanie mo¿e równie¿ powodowaæ zmiany przepuszczalnoœci i porowatoœci piaskowców w pobli¿u otworu zat³aczaj¹cego CO2 w wyniku rozpuszczania lepiszcza
zawieraj¹cego minera³y wêglanowe. W dalszej odleg³oœci, w strefie ni¿szego ciœnienia lub wy¿szej temperatury, minera³y te mog¹ siê wytr¹caæ z wody nasyconej dwutlenkiem wêgla (Olsen, Stentoft 2003; Labus i in. 2010).
Zat³aczanie dwutlenku wêgla do ska³ wêglanowych powoduje zmiany we w³aœciwo-œciach chemicznych, mechanicznych i mikrostrukturalnych tych ska³. Wynikaj¹ one z faktu, ¿e zat³aczany dwutlenek wêgla obni¿a pH wód podziemnych, co powoduje rozpuszczanie i wytr¹canie minera³ów z matrycy skalnej. Zmiany objêtoœci matrycy skalnej zmieniaj¹ strukturê porow¹ ska³y, wp³ywaj¹c na parametry petrofizyczne formacji do sk³adowania (Andre i in. 2007; Gaus i in. 2002; Zoback, Zinke 2002; Le Guen i in. 2007; Izgec i in. 2008). Na froncie CO2, gdzie gaz rozpuszcza siê w wodzie, minera³y wêglanowe (np. kalcyt)
mog¹ siê rozpuszczaæ zwiêkszaj¹c przepuszczalnoœæ i porowatoœæ ska³ wêglanowych. Re-akcje te prowadz¹ do zmiany chemizmu wody z³o¿owej i w póŸniejszym czasie do wytr¹ca-nia minera³ów, co z kolei powoduje zmniejszenie porowatoœci i przepuszczalnoœci ska³ (Xu i in. 2004; Izgec i in. 2007).
Wiêkszoœæ badañ wp³ywu zat³aczania i sk³adowania dwutlenku wêgla na wody pod-ziemne dotyczy³a wód zalegaj¹cych na g³êbokoœciach wiêkszych ni¿ 1000 metrów, gdzie CO2wystêpuje w fazie gêstej gazowej. Wody pitne zalegaj¹ na mniejszych g³êbokoœciach, panuje tam ni¿sza temperatura i ciœnienie, a dwutlenek wêgla jest w fazie gazowej. Geo-chemiczne zachowanie dwutlenku w fazie gazowej i superkrytycznej jest ró¿ne.
W przypadku przedostania siê dwutlenku wêgla do wód podziemnych gaz ten spowoduje zmiany pH i ich sk³adu mineralnego. Przeprowadzone badania wskazuj¹, ¿e po zat³oczeniu CO2do wód zalegaj¹cych na g³êbokoœciach rzêdu 300 m g³ówne zmiany jakie zachodz¹
w chemiŸmie to zmiany pH i potencja³u redoks. Zmniejszenie pH bêdzie wywo³ywaæ rozpuszczanie minera³ów wêglanowych, a co za tym idzie pogorszenie jakoœci wód pitnych ze wzglêdu na zwiêkszenie ich twardoœci (wzrost mineralizacji wód). Spadek pH mo¿e równie¿ powodowaæ uwalnianie pierwiastków g³ównych i œladowych. Podwy¿szona kwa-sowoœæ wód, zwi¹zana z wyciekami dwutlenku wêgla, mo¿e mieæ wp³yw na rozpuszczanie i mechanizmy sorpcji wielu minera³ów (Wang, Jaffe 2004). Wy¿sza kwasowoœæ wód wp³ywa na sorpcjê jonów na ziarnach, która mo¿e powodowaæ intensywniejsz¹ desorpcjê potencjalnie niebezpiecznych metali ciê¿kich. Proces ten mo¿e prowadziæ do wzrostu za-wartoœci poziomu tych metali i nie spe³niania przez wody pitne odpowiednich norm (Jaffe, Wang 2003; Lu i in. 2010). Potencja³ redoks kontroluje mobilnoœæ wielu pierwiastków, takich jak Fe, Cu, V, U i Cr. Wp³yw dwutlenku wêgla na wody podziemne bêdzie
ogra-niczany przez oddzia³ywania pomiêdzy wod¹ a ska³ami, które zale¿¹ od ich sk³adu minera-logicznego. Adsorpcja/desorpcja jest prawdopodobnie najwa¿niejszym procesem kontro-luj¹cym niebezpieczne pierwiastki uruchamiane przez wyciek dwutlenku wêgla. Wzglêdne znaczenie rozpuszczania/wytr¹cania w porównaniu do desorpcji/adsorpcji jest wra¿liwe na wiele czynników, takich jak mineralogia zbiornika, parametry adsorpcji i kinetyki roz-puszczania minera³ów (Zheng i in. 2009).
Przeprowadzono prace laboratoryjne nakierowane na oszacowanie stopnia mobilizacji kationów ze ska³ poziomu wodonoœnego pod wp³ywem zat³aczanego dwutlenku wêgla. Stwierdzono, ze po zat³oczeniu gazu w krótkim okresie czasu (kilka godzin – dwa dni) nastêpuje szybka mobilizacja kationów, potem ich koncentracja stabilizuje siê lub obni¿a. Na podstawie badañ wydzielono dwie grupy kationów, które pod wp³ywem dwutlenku wêgla zachowuj¹ siê na ró¿ne sposoby. Typ pierwszy to kationy: Ca, Mg, Si, K, Sr, Mn, Ba, Co, B, i Zn. Ich stê¿enie po wprowadzeniu CO2szybko wzros³o i ustabilizowa³o siê pod koniec
badañ (koncentracje podwy¿szone w trakcie eksperymentu). Koncentracje kationów drugiego rodzaju (Fe, Al, Mo, U, V, As, Cr, Cs, Rb, Ni i Cu) wzrastaj¹ po wprowadzeniu CO2, potem
spadaj¹ do poziomu ni¿szego ni¿ przed wprowadzeniem gazu. Stê¿enia kationów drugiego rodzaju obni¿aj¹ siê ze wzglêdu na adsorpcjê zachodz¹c¹ podczas mineralnego buforowania wywo³anego przez zmianê pH i wzrost koncentracji innych kationów (Lu i in. 2010).
Badaniami stwierdzono, ¿e w przypadku wycieku CO2ze sk³adowiska, minera³y
wêg-lanowe – zwykle wystêpuj¹ce w ska³ach poziomów wodonoœnych – stwarzaj¹ potencjalne zagro¿enie dla jakoœci wód pitnych. Rozpuszczanie minera³ów wêglanowych zawieraj¹cych œladowe iloœci minera³ów ciê¿kich (Mn, Br i Sr) stanowi najwiêksze zagro¿enie dla jakoœci wód pitnych, zwi¹zane z wyciekiem dwutlenku wêgla. Dodatkowo, minera³y wêglanowe podnosz¹ zasadowoœæ wód zwiêkszaj¹c koszty ich uzdatnienia (Lu i in. 2010).
Wiêkszoœæ badañ (laboratoryjnych i modelowych) oddzia³ywania dwutlenku wêgla na wody pitne przeprowadzono dla najbardziej pesymistycznych scenariuszy wycieku tego gazu ze sk³adowiska (bardzo du¿y wyciek). W rzeczywistoœci stosunek iloœci gazu jaka przedostanie do poziomu wodonoœnego do jego wielkoœci bêdzie mniejszy. W zwi¹zku z tym pogorszenie jakoœci wód pitnych mo¿e wyst¹piæ jedynie w pobli¿u punktu wycieku (Lu i in. 2010).
2. Oddzia³ywanie sk³adowanego CO2na ludzi i zwierzêta
Dwutlenek wêgla wyciekaj¹cy ze sk³adowiska bêdzie przenika³ do ska³, gleby, wód podziemnych i atmosfery. Wp³yw podwy¿szonej koncentracji CO2 na l¹dowe i morskie
ekosystemy oraz ludzi jest obecnie przedmiotem licznych badañ.
Wêgiel jest pierwiastkiem niezbêdnym do wszelkich procesów ¿yciowych na Ziemi. Wystêpuje on w postaci gazowej – dwutlenek wêgla (w atmosferze i rozpuszczony w wo-dzie – jony wodorowêglanowe (HCO3–) i wêglanowe (CO3–2)) oraz sta³ej – w szcz¹tkach
zbudowa-ne z wêglanu wapnia). Wêgiel (pierwiastek chemiczny) i jego zwi¹zki kr¹¿¹ miêdzy œwiatem organicznym i nieorganicznym. Najbardziej intensywna wymiana przebiega miêdzy atmo-sfer¹ i organizmami ¿ywymi oraz miêdzy atmoatmo-sfer¹ i wodami powierzchniowymi. Roœliny pobieraj¹ dwutlenek wêgla z atmosfery w procesie fotosyntezy, natomiast zwierzêta oddaj¹ CO2do atmosfery w procesie oddychania. Zwi¹zany przez roœliny wêgiel tworzy materiê
organiczn¹, z której korzystaj¹ zwierzêta i drobnoustroje. Nastêpnie martwe szcz¹tki roœlin i zwierz¹t s¹ rozk³adane na zwi¹zki nieorganiczne, w tym równie¿ na dwutlenek wêgla, który powraca do atmosfery i wód. Podobnie CO2rozpuszczony w wodach przyswajany jest
przez znajduj¹ce siê w nich ¿ywe organizmy (Bry³a 2002). Rozwój przemys³owy, któremu towarzyszy wzrost emisji do atmosfery CO2 ze Ÿróde³ antropogenicznych spowodowa³
zak³ócenia w obiegu wêgla. Do zaburzenia tego cyklu przyczynia siê równie¿ nadmierna eksploatacja i niszczenie obszarów zielonych na Ziemi, które wp³ynê³y na zmniejszenie mo¿liwoœci asymilacyjnych tych terenów. Wszystko to powoduje wzrost stê¿enia dwutlenku wêgla w powietrzu atmosferycznym (Craig 2003).
Dwutlenek wêgla wydzielany jest przez wszystkie organizmy ¿ywe w procesie od-dychania jako produkt ich metabolizmu (przemiany materii). Jest gazem bezbarwnym, bezwonnym, ciê¿szym od powietrza i nietoksycznym. Ma istotne znaczenie dla organizmu cz³owieka poniewa¿ wp³ywa m. in. na odczyn krwi i szybkoœæ pracy serca. Ludzie, jak wiêkszoœæ organizmów ¿ywych, w procesach oddychania komórkowego poch³aniaj¹ tlen i wytwarzaj¹ dwutlenek wêgla. Oddychanie jest procesem, w którym wdychamy O2z
po-wietrza i usuwamy CO2z naszych organizmów. Przeciêtnie wdychane powietrze zawiera
oko³o 21% tlenu i 0,04% dwutlenku wêgla, w wydychanym powietrzu jest odpowiednio 16% i 3,5% wymienionych gazów. Oddzia³ywanie CO2 na ludzi zale¿y od koncentracji gazu,
czasu ekspozycji oraz ró¿nych specyficznych czynników, takich jak: wiek, stan zdrowia, aktywnoœæ fizyczna, styl ¿ycia. Wra¿liwoœæ ludzi na dzia³anie dwutlenku wêgla jest bardzo zró¿nicowana; wp³yw na organizm ludzki roœnie przy jednoczesnym obni¿aniu siê za-wartoœci tlenu w powietrzu. Wysoka koncentracja CO2w powietrzu powoduje zmniejszenie
zawartoœci w nim tlenu, co wp³ywa na jego toksycznoœæ. Zbyt ma³a zawartoœæ tlenu w po-wietrzu prowadzi do uduszenia. Typowa zawartoœæ O2 w powietrzu wynosi 21%, mo¿e
wahaæ siê od 19,5% do 23,5%. Poni¿ej 17% tlenu w powietrzu wystêpuj¹ problemy z od-dychaniem (krótki oddech i mniejsza wydolnoœæ oddechowa) oraz wzrost prêdkoœci têtna. Przy stê¿eniach tlenu w powietrzu rzêdu 6–10% w ci¹gu kilku minut nastêpuje œmieræ (Rice 2003, 2004; Benson i in. 2002; Targowski 2005). Wzrost koncentracji dwutlenku wêgla w powietrzu powoduje u ludzi miêdzy innymi takie efekty jak wzrost czêstotliwoœci od-dychania, trudnoœci w oddychaniu, bóle g³owy, utrata przytomnoœci (tab. 1). Przy stê¿eniach powy¿ej 30% CO2w powietrzu œmieræ nastêpuje po kilku minutach (West i in. 2005; Rice
2003, 2004; Stenhouse i in. 2009; Targowski 2005). W przypadku d³ugotrwa³ej ekspozycji ludzi na niewielkie stê¿enia CO2(1,5–3%) w powietrzu, przy normalnej zawartoœci tlenu,
stwierdzono zmiany w metabolizmie (Rice 2003, 2004).
Wiêkszoœæ badañ dotycz¹cych oddzia³ywania dwutlenku wêgla na ekosystem i orga-nizmy ¿ywe by³a prowadzona dla stê¿eñ bardzo du¿ych i nieznacznie podwy¿szonych,
nieliczne przy koncentracjach poœrednich z krótk¹ lub d³ugoterminow¹ ekspozycj¹ (Sten-house i in. 2009). Wp³yw podwy¿szonych koncentracji na ekosystem badano na podstawie obserwacji prowadzonych w obszarach ekshalacji wulkanicznych i Ÿróde³ wód nasyconych dwutlenkiem wêgla. W analizach wykorzystywano wiedzê z zakresu fizjologii porów-nawczej i podstawowej, konserwacji ¿ywnoœci, technologii kosmicznych i badañ w pod-wy¿szonej zawartoœci tego gazu w powietrzu (Benson i in. 2002).
Spoœród organizmów ¿ywych specyficzn¹ grup¹ s¹ mikroorganizmy ¿yj¹ce pod ziemi¹, funkcjonuj¹ one w warunkach ograniczonego dostêpu do Ÿróde³ energii oraz sk³adników od¿ywczych. Dziêki swej specyfice mog¹ siê przystosowaæ do bardzo zró¿nicowanych œrodowisk (Sadowsky, Schortemeyer 1997). Niektóre mikroby mog¹ przetrwaæ w atmo-sferze o bardzo du¿ym stê¿eniu CO2(dochodz¹cym do 100%), przy œladowej zawartoœci
tlenu, jednak dla niektórych koncentracja 10% mo¿e byæ zabójcza (West i in. 2005; Benson i in. 2002). Równie¿ grzyby to organizmy odporne na wysokie koncentracje dwutlenku wêgla (tab. 2), niektóre gatunki wykazuj¹ znaczny wzrost przy stê¿eniach rzêdu 15–25% (Benson i in. 2002).
Badania mikrobiologiczne (sk³adu jakoœciowego i iloœciowe mikroorganizmów) terenów naturalnych wycieków dwutlenku wêgla w rejonie Muszyny w glebach o zawartoœci CO2 TABELA 1 Efekty oddzia³ywania dwutlenku wêgla na organizm cz³owieka (na podst. Rice 2003; Targowski 2005)
TABLE 1 The effects of carbon dioxide on the human organism (after Rice 2003; Targowski 2005)
Stê¿enie CO2[%] Efekt dzia³ania na organizm ludzki
0,035–0,045% Œwie¿e powietrze atmosferyczne
1,0% Lekki wzrost czêstoœci oddychania o oko³o 37%
1,5% Maksymalna tolerowana dawka dla pracowników w specyficznych warunkach (pod kontrol¹ medyczn¹): browary, ³odzie podwodne
2,0% G³êbszy oddech, wzrost czêstoœci oddychania o oko³o 50%, ekspozycja przez kilka godzin powoduje bóle g³owy
3,0% Utrudnione oddychanie, wzrost czêstoœci oddychania, os³abienie s³uchu, ból g³owy, wzrost ciœnienia krwi i pulsu
4,0–5,0%
WyraŸnie pog³êbiony oddech, wzrost czêstoœci oddychania o oko³o 100%, po oko³o 30 minutach ekspozycji mo¿e pojawiæ siê odczucie braku swobody oddychania
7,2% Wzrost czêstoœci oddychania o oko³o 200%, ból g³owy, dusznoœci
8,0–10,0%
Oddychanie wymaga zwiêkszonego wysi³ku, ból g³owy, zaburzenia widzenia, dzwonienie w uszach, po kilku minutach ekspozycji mo¿e nast¹piæ utrata przytomnoœci
10,0% do 100,0% Gwa³towna i szybka utrata przytomnoœci, przed³u¿aj¹ca siê ekspozycja prowadzi do œmierci przez uduszenie
od 1,5 do powy¿ej 25% wykaza³y du¿¹ liczebnoœæ bakterii z grupy amonifikatorów, nitry-fikatorów i rodzaju Azotobacter. Stwierdzono, ¿e podwy¿szona iloœæ bakterii beztlenowych mo¿e œwiadczyæ o przystosowaniu siê tych mikroorganizmów do zwiêkszonych iloœci dwutlenku wêgla w glebach (Uliasz-Misiak (red.) 2006). Testy mikrobiologiczne prze-prowadzone w rejonach wycieków CO2w Laachen See w Niemczech, wykaza³y znaczne ró¿nice pomiêdzy sk³adem jakoœciowym mikroorganizmów zasiedlaj¹cych strefy o zró¿ni-cowanych stê¿eniach dwutlenku wêgla (od 20% do 90%). Stwierdzono, ¿e ekosystem ³atwo adaptuje siê do nowych podwy¿szonych koncentracji dwutlenku wêgla poprzez zmianê zasiedlaj¹cych go gatunków lub ich adaptacjê w kierunku organizmów beztlenowych i acy-dofilnych (Krüger i in. 2009).
Tolerancja zwierz¹t na podwy¿szone stê¿enia CO2 zale¿y g³ównie od mechanizmu
wymiany gazowej, organów wymiany gazowej oraz medium wykorzystywanego do oddy-chania. Wiêkszoœæ prowadzonych testów dotyczy³a reakcji zwierz¹t l¹dowych na podwy¿-szone zawartoœci CO2; brak jest badañ oddzia³ywania na zwierzêta wodne i wodno-l¹dowe.
Jedyne badania przeprowadzone w œrodowiskach morskich by³y prób¹ oceny d³ugoter-minowego oddzia³ywania CO2na organizmy g³êbokomorskie (West i in. 2005).
Spoœród zwierz¹t l¹dowych najbardziej odpornymi na podwy¿szone stê¿enia CO2 s¹
owady i niektóre gatunki bezkrêgowców; mog¹ one prze¿yæ w atmosferze zawieraj¹cej
TABELA 2 Oddzia³ywanie podwy¿szonych stê¿eñ dwutlenku wêgla na zwierzêta i roœliny (na podst. West i in. 2005)
TABLE 2 The influence of elevated concentrations of carbon dioxide on animals and plants (after West et al. 2005)
Zwierzêta Stê¿enia [%] Efekt dzia³ania
Bezkrêgowce l¹dowe
owady (Cryptolestes ferrugineus)
15% œmieræ po oko³o 42 dniach
100% œmieræ po oko³o 2 dniach
bezkrêgowce ¿yj¹ce w glebie
20% u wiêkszoœci gatunków stwierdzono zmiany w zachowaniu 11–50% œmiertelna dla 50% gatunków
Krêgowce l¹dowe
gryzonie 2%
obserwacje w norach i gniazdach
sus³y 4%
ptaki 9%
Roœliny drzewa 20–90%
wymieranie drzew (Mammoth Mountain, USA) spowodowane prawdopodobnie zaburzeniami w oddychaniu korzeniowym
Grzyby
15–20% znacz¹cy spadek wzrostu spor dwóch typów grzybów
30% brak mierzalnego wzrostu spor
ponad 20% tego gazu (Benson i in. 2002; Nelson i in. 2005). Doœæ du¿¹ tolerancjê na podwy¿szon¹ koncentracjê (2–9%) dwutlenku wêgla wykazuj¹ równie¿ zwierzêta ¿yj¹ce pod ziemi¹ w norach, tunelach, takie jak krety, niektóre gryzonie i ptaki. Nornice to spoœród ssaków zwierzêta o najwy¿szej odpornoœci na CO2(por. tab. 2). Krêgowce l¹dowe wykazuj¹
bardzo ró¿n¹ tolerancjê na CO2, co wynika ze zró¿nicowania ich narz¹dów oddechowych.
Tlenowa pojemnoœæ oddechowa p³azów jest du¿o mniejsza ni¿ u ssaków, natomiast anaero-bowa pojemnoœæ i tolerancja na niedotlenienie jest wiêksza. Rezultatem tego jest najprawdo-podobniej wiêksza tolerancja p³azów ni¿ ssaków na podwy¿szone stê¿enia dwutlenku wêgla (Benson i in. 2002).
Potencjalne zagro¿enie zwi¹zane z wyciekami CO2ze sk³adowiska dla ¿ycia lub zdrowia
ludzi oraz œwiata zwierzêcego zale¿¹ g³ównie od charakteru incydentu (iloœæ gazu, warunki metereologiczne i ukszta³towanie terenu). Poniewa¿ dwutlenek wêgla jest ciê¿szy od po-wietrza, jego wycieki mog¹ stanowiæ zagro¿enie w specyficznych sytuacjach, kiedy du¿e iloœci gazu akumuluj¹ siê w obszarach nisko po³o¿onych lub s³abo wentylowanych. W in-nych przypadkach nawet du¿e iloœci emitowanego gazu (np. z kominów lub wulkanów) szybko rozprzestrzeniaj¹ siê w atmosferze (Benson i in. 2002).
3. Oddzia³ywanie sk³adowanego CO2na gleby i roœliny
W naturalnych systemach ekologicznych, w przypadku gdy nie ma emisji dwutlenku wêgla z g³êbszych warstw Ziemi, jego koncentracja i strumieñ w powietrzu glebowym zale¿¹ g³ównie od fotosyntezy, oddychania korzeni, rozk³adu substancji organicznej, odgazo-wywania wód podziemnych i wymiany z atmosfer¹. Wyciek CO2 ze sk³adowiska mo¿e
wyrz¹dziæ w ekosystemie szkody, np. w uprawach. Podwy¿szona zawartoœæ dwutlenku wêgla w glebach mo¿e spowodowaæ ich zakwaszenie, zmiany ró¿norodnoœci biologicznej oraz sk³adu gatunkowego roœlin, a przy wysokiej koncentracji CO2 uduszenie.
Zawartoœæ dwutlenku wêgla w glebie jest zró¿nicowana w zale¿noœci od pory roku i dnia, wp³ywa na ni¹ równie¿ wiele czynników, takich jak np. zawartoœæ wody w glebie, tem-peratura i rodzaj wegetacji (Hamada, Tanaka 2001).
Koncentracja dwutlenku wêgla w powietrzu glebowym (CO2w fazie gazowej w
prze-strzeni porowej gleby) wzrasta wraz z g³êbokoœci¹, w zwi¹zku z gradientem dyfuzji. Dyfuzja jest podstawowym mechanizmem transportu tlenu do gleby i dwutlenku wêgla do atmosfery, ogranicza ona równie¿ oddychanie w œrodowisku glebowym. Oddychanie jest podstawo-wym, sta³ym Ÿród³em dwutlenku wêgla. W dobrze napowietrzanych glebach stê¿enie CO2na
g³êbokoœci oko³o 1 m jest poni¿ej 1%, w s³abo napowietrzanych mo¿e przekraczaæ 10% (Benson i in. 2002). Wzrost koncentracji dwutlenku wêgla w glebie, spowodowany np. wyciekiem tego gazu ze sk³adowiska, bêdzie powodowa³ zmniejszenie jej pH. Mog¹ równie¿ zachodziæ niezbyt du¿e zmiany w: mineralogii gleby (K-felsparu, kwarcu i mik), w zawar-toœci metali ciê¿kich (Cr i As), w zdolnoœci wymiennej kationów przy udziale CaO, MgO, Fe2O3i Mn3O4(West i in. 2009; Beaubien i in. 2008; Krüger i in. 2009; Wei i in. 2010).
Oddzia³ywanie podwy¿szonej zawartoœci dwutlenku wêgla w atmosferze na ekosystem, szczególnie na roœliny, by³o przedmiotem licznych prac. Natomiast tylko nieliczne dotyczy³y wp³ywu podwy¿szonej koncentracji CO2w powietrzu glebowym. Badania tego rodzaju by³y
prowadzone w obszarach wystêpowania naturalnych wycieków dwutlenku wêgla (Stavesinci – S³owenia, Latera – W³ochy, Mammoth Mountain – USA, Laachen See – Niemcy), gdzie dwutlenek wêgla pochodz¹cy z g³êbokich stref ziemi migruje ku jej powierzchni. W ostatnich latach badania te prowadzone s¹ równie¿ pod k¹tem okreœlenia potencjalnego wp³ywu wycie-ków dwutlenku wêgla na ekosystem (Beaubien i in. 2008; Vodnik i in. 2006; West i in. 2009).
Doœwiadczenia prowadzone w ramach projektu Free-Air CO2 Enrichment Project
(FACE) finansowanego przez USDA (www.uswcl.ars.ag.gov) wykaza³y, ¿e niewielkie stê¿enia CO2w atmosferze pozytywnie wp³ywaj¹ na plony zbó¿. Roœliny ³atwo siê adaptuj¹
do nieznacznie podwy¿szonej zawartoœci dwutlenku wêgla, przemieszczaj¹c biomasê w ko-rzeniach, ³odygach i liœciach. Jednak po up³ywie dziesi¹tek lub setek lat oddzia³ywania nawet niewielkich stê¿eñ CO2mo¿e dojœæ do zmian w sk³adzie gatunkowym roœlin. Dotychczas
nie okreœlono dok³adnie jak oddzia³uj¹ na roœliny ró¿ne stê¿enia dwutlenku wêgla, od podwy¿szonej zawartoœci tego gazu w powietrzu (FACE) do poziomu œmiertelnego.
Negatywny wp³yw podwy¿szonego stê¿enia dwutlenku w powietrzu glebowym na roœ-liny jest znany, jednak s¹ to bardzo z³o¿one oddzia³ywania. Wysokie stê¿enia CO2mog¹
wp³ywaæ na glebê i procesy korzeniowe, obni¿aæ pH gleby, potencja³ redoks i dostêpnoœæ substancji pokarmowych oraz zak³ócaæ dzia³anie korzeni. Kiedy wysoka koncentracja CO2
wystêpuje równolegle z brakiem tlenu oddzia³ywanie dwutlenku wêgla jest po³¹czone ze zjawiskiem niedotlenienia. Wysokie stê¿enia CO2w glebie mog¹ oddzia³ywaæ na pêdy i inne czêœci nadziemne roœlin. Dodatkowo mog¹ wp³ywaæ na procesy zachodz¹ce w roœlinach nad powierzchni¹ ziemi (fotosynteza, oddychanie) (Vodnik i in. 2006).
Proces powoduj¹cy wymieranie drzew – jak np. w Mammoth Mountain w Kalifornii – nie jest dok³adnie poznany. Najprawdopodobniej powodem jest wstrzymanie oddychania w strefie korzeniowej wywo³ane niedotlenieniem, nadmiarem dwutlenku wêgla lub zakwa-szeniem œrodowiska glebowego. W przypadku wystêpowania w glebie du¿ych koncentracji CO2 nastêpuje obumieranie korzeni, a co za tym idzie ca³ych roœlin. D³ugotrwa³e
od-dzia³ywanie (tygodnie lub lata) przy stê¿eniach rzêdu 20% i wiêkszych mo¿e prowadziæ do powstania strefy œmierci, w której nie prze¿ywa ¿adna flora. Przyjmuje siê, ¿e koncentracja dwutlenku wêgla rzêdu 20–30% jest wartoœci¹ krytyczn¹ dla roœlin i ogólnie ekosystemu, powy¿ej której nastêpuje obumieranie roœlin. Obserwacje dokonane podczas naturalnego wycieku CO2 z jeziora Nyos wskazuj¹, ¿e ogólnie roœliny maj¹ znacznie wy¿sz¹ ni¿
zwierzêta tolerancjê na ekspozycjê na ekstremalnie wysokie, krótkotrwa³e stê¿enia dwu-tlenku wêgla (Benson i in. 2002; Damen i in. 2006).
Badania wp³ywu na ekosystem i roœliny dwutlenku wêgla zat³aczanego do gruntu prze-prowadzono na eksperymentalnym pastwisku w pobli¿u Nottingham (Wlk. Brytania). Ana-lizowano wp³yw podwy¿szonych stê¿eñ dwutlenku wêgla na roœliny jedno- i dwuliœcienne. Przy bardzo wysokich koncentracjach (powy¿ej 75% na g³êbokoœci 20 cm) roœliny ¿ó³k³y i stawa³y siê br¹zowe, a¿ do uschniêcia. Przy ni¿szych koncentracjach (do 45% na
g³ê-bokoœci 20 cm) dominuj¹c¹ grupê roœlin stanowi³y trawy. Na obszarach, na których nie zat³aczano dwutlenku wêgla (porównawczych) obserwowano wiêksz¹ iloœæ gatunków roœlin. Mo¿e to sugerowaæ, ¿e roœliny jednoliœcienne s¹ bardziej tolerancyjne na wy¿sze stê¿enia dwutlenku wêgla ni¿ roœlinny dwuliœcienne. Jakkolwiek inne czynniki, takie jak: fotosynteza, wiek roœlin i stê¿enie azotu mog¹ wywo³ywaæ podobne rezultaty. Podobne obserwacje dokonano równie¿ w obszarach wystêpowania naturalnych wycieków dwu-tlenku wêgla we W³oszech (Beaubien i in. 2008; West i in. 2009)
Podsumowanie
Wdro¿enie technologii CCS w skali przemys³owej wymaga oszacowania potencjalnego ryzyka dla œrodowiska naturalnego i ludzi, jakie wi¹¿e siê z wyciekiem dwutlenku wêgla ze sk³adowiska.
Dwutlenek wêgla zat³oczony do wód podziemnych powoduje obni¿enie pH oraz two-rzenie takich minera³ów jak kalcyt, dolomit, syderyt. Minera³y wêglanowe i krzemianowe buduj¹ce formacje do sk³adowania CO2mog¹ ulegaæ rozpuszczaniu i wytr¹caniu w wyniku
obni¿enia pH wód z³o¿owych. Zmiany objêtoœci matrycy skalnej zmieniaj¹ strukturê porow¹ ska³, wp³ywaj¹c na parametry petrofizyczne formacji do sk³adowania.
Wyciek CO2ze sk³adowiska bêdzie powodowa³ zmiany w sk³adzie powietrza glebowego
i wód podziemnych, wp³ywa³ na rozwój roœlin, zwiêksza³ stê¿enie tego gazu w atmosferze, a przy nag³ych i du¿ych wyp³ywach stanowi³ zagro¿enie dla ludzi i zwierz¹t. Przedostanie siê do wód pitnych dwutlenku wêgla mo¿e spowodowaæ pogorszenie ich jakoœci zwi¹zane ze wzrostem ich mineralizacji (twardoœci) oraz mobilizacj¹ kationów metali ciê¿kich.
Wra¿liwoœæ ludzi na dzia³anie dwutlenku wêgla jest bardzo zró¿nicowana i zale¿na miêdzy innymi od koncentracji gazu i czasu ekspozycji oraz czynników fizjologicznych i zdrowotnych. Stê¿enia CO2do 1,5% nie wywo³uj¹ wiêkszych efektów ubocznych. Wzrost
koncentracji powoduje szereg negatywnych skutków, takich jak: wzrost czêstotliwoœci od-dychania, trudnoœci w oddychaniu, bóle g³owy, utrata przytomnoœci. Przy stê¿eniach po-wy¿ej 30% CO2w powietrzu œmieræ nastêpuje po kilku minutach.
Mikroorganizmy i grzyby ¿yj¹ce pod powierzchni¹ ziemi s¹ organizmami o dobrej tolerancji na podwy¿szone i wysokie stê¿enia dwutlenku wêgla. Spoœród zwierz¹t, wiêksz¹ odpornoœæ wykazuj¹ sus³y, niektóre gryzonie i ptaki. Nornice to zwierzêta o naj-wy¿szej odpornoœci na CO2spoœród ssaków. Przypuszcza siê, ¿e p³azy wykazuj¹ wiêksz¹
tolerancjê ni¿ ssaki na podwy¿szone stê¿enia dwutlenku wêgla.
Podwy¿szone stê¿enie dwutlenku wêgla w powietrzu glebowym ma negatywny wp³yw na roœliny. Koncentracja dwutlenku wêgla rzêdu 20–30% jest wartoœci¹ krytyczn¹ dla roœlin, powy¿ej tej wartoœci nastêpuje ich obumieranie. Przypuszcza siê, ¿e roœliny jednoliœcienne s¹ bardziej tolerancyjne na wy¿sze stê¿enia dwutlenku wêgla ni¿ dwuliœcienne. Przyjmuje siê, ¿e roœliny maj¹ znacznie wy¿sz¹ ni¿ zwierzêta tolerancjê na ekspozycjê na ekstremalnie wysokie, krótkotrwa³e stê¿enia dwutlenku wêgla.
LITERATURA
A n d r e ' L., A u d i g a n e P., A z a r o u a l M., M e n j o z A., 2007 – Numerical modeling of fluid–rock chemical interactions at the supercritical CO2-liquid interface during CO2injection into a carbonate reservoir, the
Dogger aquifer (Paris Basin, France). Energy Conversion and Management 48, s. 1782–1797.
B a c h u S., A d a m s J.J., 2003 – Sequestration of CO2in geological media in response to climate change: Capacity
of deep saline aquifers to sequester CO2 in solution. Energy Conversion and Management 44 (20),
s. 3151–3175.
B e a u b i e n S.E., C i o t o l i G., C o o m b s P., D i c t o r M.C., K r u g e r M., L o m b a r d i S., P e a r c e J.M., W e s t J.M., 2008 – The impact of a naturally occurring CO2gas vent on the shallow ecosystem and soil
chemistry of a Mediterranean pasture (Latera, Italy). International Journal of Greenhouse Gas Control 2, s. 373–387.
B e n s o n S., H e p p l e M.R., A p p s J., T s a n g C.F., L i p p m a n n M., 2002 – Lessons Learned from Natural and Industrial Analogues for Storage of Carbon Dioxide in Deep Geological Formations. LBNL-51170. Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA.
B o u c O., A u d i g a n e P., B e l l e n f a n t G., F a b r i o l H., G a s t i n e M., R o h m e r J., S e y e d i D., 2009 – Determining safety criteria for CO2geological storage. Energy Procedia 1, s. 2439–2446.
B r y ³ a H., 2002 – Leksykon ekologii i ochrony œrodowiska. Wyd. Oficyna Wydawnicza Tempus, Gdañsk. C h a n g Y., C o a t s B., N o l e n J., 1996 – A compositional model for CO2floods including CO2solubility
in water. Paper SPE 35164, Presented at the 1996 SPE Permian Basin Oil and Gas Recovery Conference held in Midland, Texas, USA, March 27–29.
C i ê ¿ k o w s k i W., (red.) 2002 – Wystêpowanie, dokumentowanie i eksploatacja endogenicznego dwutlenku wêgla w Polsce. Wroc³aw.
C r a i g J.R., V a u g h a n D.J., S k i n n e r B.J., 2003 — Zasoby Ziemi. Wyd. PWN Warszawa.
C z e r n i c h o w s k i -L a u r i o l I., S a n j u a n B., R o c h e l l e C., B a t e m a n K., P e a r c e J.M., B l a c k w e l l P., 1996 – Analysis of the geochemical aspects of the underground disposal of CO2. [W:] Apps, J.A., Tsang,
C.F. (Eds.), Deep Injection Disposal of Hazardous and Industrial Waste: Scientific and Engineering Aspects. Academic Press, s.565–585.
D a m e n K., F a a i j A.E., T u r k e n b u r g W., 2006 – Health, Safety and Environmental Risks of Underground CO2Storage – Overview of Mechanisms and Current Knowledge. Climatic Change (2006).
E n i c k R.M., K l a r a S.M., 1990 – CO2solubility in water and brine under reservoir conditions. Chemical
Engineering Communications 90, s. 23–33.
F l e t t M.A., G u r t o n R.M., T a g g a r t I.J., 2005 – Heterogeneous saline formations: Long-term benefits for geo-sequestration of greenhouse gases. [W:] Proceedings of the 7thInternational Conference on Greenhouse
Gas Technologies (GHGT-7), E.S. Rubin, D.W. Keith and C.F. Gilboy (eds.), September 5–9, 2004, Vancouver, Canada, Elsevier, vol. I, s. 501–510.
M a y F., M ö l l e r I., L a g n e a u V . , P i p a r t A., C a t a l e t t e H., 2005 – Reactive transport modeling of CO2sequestration in deep saline aquifers. Oil Gas Sci. Technol. 60, s. 231–247.
G a u s I., A z a r o u a l M., C z e r n i c h o w s k i -L a u r i o l I., 2002 – Preliminary modeling of the geochemical impact of CO2injection on the caprock at Sleipner. BRGM Report BRGM/RP-52081-FR.
G a u s I., A z a r o u a l M., C z e r n i c h o w s k i -L a u r i o l I., 2005 – Reactive transport modeling of the impact of CO2injection on the clayey cap rock at Sleipner (North Sea). Chem. Geol. 217, s. 319–337.
G u n t e r W.D., P e r k i n s E.H., H u t c h e o n I., 2000 – Aquifer disposal of acid gases; modeling of water–rock reactions for trapping of acid gases. Appl. Geochem. 15, s. 1085–1095.
G u n t e r W.D., B a c h u S., B e n s o n S., 2004: The role of hydrogeological and geochemical trapping in se-dimentary basins for secure geological storage for carbon dioxide. [W:] S. J. Holt J., Jensen J.-T., Lindeberg E., 1995: Underground storage of CO2in aquifers and oil reservoirs. Energy Conversion and Management
36 (6–9), s. 535–538.
H a m a d a Y., T a n a k a T., 2001 – Dynamics of carbon dioxide in soil profiles based on long-term field observation. Hydrol. Process. 15, s. 1829– 1845.
H o l t J., J e n s e n J.-T., L i n d e b e r g E., 1995 – Underground storage of CO2in aquifers and oil reservoirs.
I z g e c O., D e m i r a l B., B e r t i n H., A k i n S., 2008 – CO2injection into saline carbonate aquifer formations II:
Comparison of numerical simulations to experiments. Transp. in Por. Media 73, s. 57–74.
J a f f e P.R., W a n g S., 2003 – Potential effect of CO2releases from deep reservoirs on the quality of fresh-water
aquifers’. [W:] Gale, J. and Kaya,Y. (eds), Sixth International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, Kyoto, vol. II, Pergamon, Amsterdam, s. 1657–1660.
K a s z u b a J., J a n e c k D., S n o M., 2003 – Carbon dioxide reaction processes in a model brine aquifer at 200°C and 200 bars: implications for geologic sequestration of carbon. Appl. Geochem. 18, s. 1065–1080. K o i d e H., T a k a h a s h i M., T s u k a m o t o H., 1995 – Self-trapping mechanisms of carbon dioxide in the
aquifer disposal. Energy Conversion and Management 36 (6–9), s. 505–508.
K r ü g e r M., W e s t J., F r e r i c h s J., O p p e r m a n n B., D i c t o r MC., J o u l i a n d C., J o n e s D., C o -ombs P., G r e e n K., P e a r c e J., 2009 – Ecosystem effects of elevated CO2concentrations on microbial
populations at a terrestrial CO2vent at Laacher See, Germany. Energy Procedia 1, s. 1933–1939.
L a b u s K., T a r k o w s k i R., W d o w i n M., 2010 – Ocena pojemnoœci sk³adowania CO2na podstawie
modelo-wania hydrogeochemicznego relacji woda-ska³a-gaz w obrêbie potencjalnego repozytorium w rejonie Be³-chatowa. Gospodarka Surowcami Mineralnymi t. 26, z. 2, s. 69–84.
L a g n e a u V., P i p a r t A., C a t a l e t t e H., 2005 – Reactive transport modeling of CO2sequestration in deep
saline aquifers. Oil Gas Sci. Technol. 60, s. 231–247.
Le G u e n Y., R e n a r d F., H e l l m a n n R., B r o s s e E., C o l l o m b e t M., T i s s e r a n d D., G r a t i e r J.-P., 2007 – Enhanced deformation of limestone and sandstone in the presence of high pCO2fluids, J. of Geophys.
Res., 112, B05421, doi:10.1029/2006JB004637.
L u J., P a r t i n J.W., H o v o r k a S.D., W o n g C., 2010 – Potential risks to freshwater resources as a result of leakage from CO2geological storage: a batch-reaction experiment. Environ Earth Sci. 60, s. 335–348.
N e l s o n Ch.R., E v a n s J.M., S o r e n s e n J.A., S t e a d m a n E.N., H a r j u J.A., 2005 – Factors Affecting the Potential for CO2Leakage from Geologic Sinks. Plains CO2Reduction (PCOR) Partnership.
www.netl.gov.pl, s. 36.
N o d z e ñ s k i A., H o ³ d a S., 2003 – Oddzia³ywanie fizykochemiczne dwutlenku wêgla ze œrodowiskiem centrów magazynowania. Polityka Energetyczna t. 6, z. spec., s. 357–366.
O l s e n D., S t e n t o f t N., 2003 – Chemical and Physical Interaction of CO2and Carbonate Rock. Geological
Survey of Denmark and Greenland Ministry of Environment, Raport 2003/41. Archiwum BRGM. P o r t i e r S., R o c h e l l e C., 2005 – Modeling CO2solubility in pure water and NaCl-type waters from 0 to 300°C
and from 1 to 300 bar. Application to the Utsira Formation at Sleipner. Chem. Geol. 217, s. 187–199. R i c e S.A., 2003 – Health Effects of Acute and Prolonged CO2Exposure in Normal and Sensitive Populations.
Second Annual Conference on Carbon Sequestration – May 5–8, 2003, Alexandria, Virginia, USA, s. 1–10. Rice S.A., 2004 – Human Health Risk Assessment of CO2: Survivors of Acute High-Level Exposure and
Populations Sensitive to Prolonged Low-Level Exposure. Third Annual Conference on Carbon Seque-stration, May 3–6, 2004, Alexandria, Virginia, USA, s. 1–9.
S a d o w s k y M.J., S c h o r t e m e y e r M., 1997 – Soil microbial responses to increased concentration of atmo-spheric CO2. Global Change Biol. 3, s. 217–224.
S o o n g Y., G o o d m a n A.L., Mc C a r t h y -J o n e s J.R., B a l t r u s J.P., 2004 – Experimental and simulation studies on mineral trapping of CO2with brine. Energy Conversion and Management 45, s. 1845–1859.
S t e n h o u s e M., A r t h u r R., Z h o u W., 2009 – Assessing environmental impacts from geological CO2storage.
Energy Procedia 1, s. 1895–1902.
T a r g o w s k i L., 2005 – Dwutlenek wêgla w œrodowisku cz³owieka. (www.wentylacja.com.pl)
T a r k o w s k i R., U l i a s z -M i s i a k B., 2007 – Oddzia³ywanie CO2na ska³y zbiornikowe w celu okreœlenia ich
przydatnoœci dla geologicznego unieszkodliwiania dwutlenku wêgla. Gospodarka Surowcami Mineralnymi t. 23, z. 3, s. 109–117.
U l i a s z -M i s i a k B. (red.), B a r a b a s z W., F r ¹ c z e k K., G r z y b J., K r ó i l k W., T a r k o w s k i R., 2006 – Badania mikrobiologiczne wycieków CO2w rejonie Muszyny w celu opracowania metod biomonitoringu.
Studia Rozprawy Monografie nr 136, s. 65.
U l i a s z -M i s i a k B., 2008 – Pojemnoœæ podziemnego sk³adowania CO2dla wybranych mezozoicznych poziomów
V o d n i k D., K a s t e l e c D., P f a n z H., M a c e k I., T u r k B., 2006 – Small-scale spatial variation in soil CO2
concentration in a naturalcarbon dioxide spring and some related plant responses. Geoderma 133, s. 309–319. W a n g S., J a f f e P.R., 2004 – Dissolution of a mineral phase in potable aquifers due to CO2releases from deep
formations; effect of dissolution kinetics. Energy Conversion and Management 45, s. 2833–2848. W e i Y., M a r o t o -V a l e r M., S t e v e n M.D., 2010 – Environmental Consequences of Potential Leaks of CO2
in Soil. Energy Procedia.
W e s t J.M., M c K i n l e y I.G., P a l u m b o -R o e B., R o c h e l l e C.A., 2010 – Potential impact of CO2storage on
subsurface microbial ecosystems and implications for groundwater quality. Energy Procedia, 2010. W e s t J.M., P e a r c e J., B e n t h a m M., M a u l P., 2005 – Issue Profile: Environmental Issues and the Geological
Storage of CO2. European Environment 15, s. 250–259.
W e s t J.M., P e a r c e J.M., C o o m b s P., F o r d J.R., S c h e i b C., C o l l s J.J., S m i t h K.L., S t e v e n M.D., 2009 – The impact of controlled injection of CO2on the soil ecosystem and chemistry of an English lowland
pasture. Energy Procedia 1, s. 1863–1870.
W i g a n d M., C a r e y J.W., S c h u t t H., S p a n g e n b e r g E., E r z i n g e r J., 2008 – Geochemical effects of CO2
sequestration in sandstones under simulated in situ conditions of deep saline aquifers. Applied Geochemistry 23, s. 2735–2745.
X u T., A p p s J.A., P r u e s s K., 2005 – Mineral sequestration of carbon dioxide in a sandstone-shale system. Chemical Geolology 217, s. 295–331.
Z h e n g L., A p p s J.A., Z h a n g Y., X u T., B i r k h o l z e r J.T., 2009 – Reactive transport simulations to study groundwater quality changes in response to CO2leakage from deep geological storage. Energy Procedia 1,
s.1887–1894.
Z o b a c k M.D., Z i n k e J.C., 2002 – Production-induced normal faulting in the Valhall and Ekofisk oil fields. Pure and App. Geophys. 159, s. 403–420.
WP£YW GEOLOGICZNEGO SK£ADOWANIA CO2NA ŒRODOWISKO
S ³ o w a k l u c z o w e
Geologiczne sk³adowanie CO2, wp³yw na œrodowisko, geochemia, wody pitne, oddzia³ywanie CO2na ludzi,
zwierzêta i roœliny
S t r e s z c z e n i e
Geologiczne sk³adowanie dwutlenku wêgla powinno byæ prowadzone przy za³o¿eniu braku wycieków z miejsc sk³adowania. Jednak niezale¿nie od tego, czy zat³aczany gaz bêdzie wycieka³ ze sk³adowiska, czy te¿ nie sk³adowany dwutlenek wêgla bêdzie oddzia³ywa³ na œrodowisko.
W szczelnym sk³adowisku zat³aczany dwutlenek wêgla bêdzie rozpuszcza³ siê w p³ynach z³o¿owych (wodzie podziemnej i ropie) oraz wchodzi³ w reakcje ze ska³ami formacji do sk³adowania. Rozpuszczanie CO2w wodzie
podziemnej bêdzie powodowa³o zmianê jej pH i chemizmu. Oddzia³ywania z matryc¹ skaln¹ miejsca sk³adowania spowoduj¹ nie tylko zmianê sk³adu mineralogicznego, ale równie¿ parametrów petrofizycznych wywo³ane wy-tr¹caniem i rozpuszczaniem minera³ów.
Wyciek CO2z miejsca sk³adowania mo¿e wywo³aæ zmiany w sk³adzie powietrza glebowego i wód
pod-ziemnych, wp³yn¹æ na rozwój roœlin, a przy nag³ych i du¿ych wyp³ywach bêdzie stanowi³ zagro¿enie dla ludzi i zwierz¹t. Dwutlenek wêgla mo¿e spowodowaæ pogorszenie jakoœci wód pitnych zwi¹zane ze wzrostem ich mineralizacji (twardoœci) oraz mobilizacj¹ kationów metali ciê¿kich. Wzrost zawartoœci tego gazu w glebie prowadzi do jej zakwaszenia i ma negatywny wp³yw na roœliny. Koncentracja dwutlenku wêgla rzêdu 20–30% jest wartoœci¹ krytyczn¹ dla roœlin, powy¿ej której nastêpuje ich obumieranie.
Wp³yw podwy¿szonych koncentracji dwutlenku wêgla na organizm ludzki jest zale¿ny od stê¿enia gazu, czasu ekspozycji oraz czynników fizjologicznych. Zawartoœci CO2w powietrzu do 1,5% nie wywo³uj¹ u ludzi efektów
oddychania, trudnoœci w oddychaniu, bóle g³owy, utrata przytomnoœci. Przy stê¿eniach powy¿ej 30% CO2
w powietrzu œmieræ nastêpuje po kilku minutach.
Mikroorganizmy i grzyby ¿yj¹ce pod powierzchni¹ ziemi maj¹ dobr¹ tolerancjê na podwy¿szone i wysokie stê¿enia dwutlenku wêgla. Spoœród zwierz¹t najwiêksz¹ odpornoœæ wykazuj¹ bezkrêgowce, niektóre gryzonie i ptaki.
THE INFLUENCE OF GEOLOGICAL CO2STORAGE ON THE ENVIRONMENT
K e y w o r d s
CO2geological storage, environmetal impact, geochemistry, drinking water, influence of carbon dioxide on
humans, animals and plants
A b s t r a c t
Geological carbon dioxide storing should be carried out with the assumption that there are no leakages from the storage sites. However, regardless of whether the gas which is injected in leaks from the storage site or not, the carbon dioxide stored will influence the environment.
In a tight storage site the carbon dioxide injected in will dissolve in the reservoir liquids (groundwater and oil) and react with the rocks of the storage formation. Dissolving CO2in underground water will result in the change of
its pH and chemism. The reactions with the rock matrix of the storage site will not only trigger changes in its mineralogical composition, but also in the petrophysical parameters, because of the precipitation and dissolution of minerals.
A leakage of CO2from its storage site can trigger off changes in the composition of soil air and groundwater,
influence the development of plants, and in case of sudden and large leaks it will pose a threat for people and animals. Carbon dioxide can cause deterioration of the quality of drinking waters related to the rise in their mineralization (hardness) and the mobilization of heavy metals’ cations. A higher content of this gas in soil leads to a greater acidity and negatively affects plants. A carbon dioxide concentration of ca. 20–30% is a critical value for plants above which they start to die.
The influence of high concentrations of carbon dioxide on the human organism depends on the concentration of gas, exposure time and physiological factors. CO2content in the air of up to 1.5% does not provoke any side
effects in people. A concentration of over 3% has a number of negative effects, such as: higher respiratory rate, breathing difficulties, headaches, loss of consciousness. Concentrations higher than 30% lead to death after a few minutes.
Underground microorganisms and fungi have a good tolerance to elevated and high concentrations of carbon dioxide. Among animals the best resistance is found in invertebrates, some rodents and birds.
