Chcą dać drugie życie odwiertom naftowym i gazowym

W procesie wydobycia ropy naftowej i gazu ziemnego czerpie się również ogromne ilości solanki, która może być źródłem cennych dla gospodarki pierwiastków. Inżynierowie z Wydziału Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH zamierzają opracować innowacyjne sorbenty, które pozwolą na odzyskiwanie z wód złożowych litu. Ten pierwiastek jest bardzo pożądany m.in. w przemyśle motoryzacyjnym, gdzie wykorzystuje się go do produkcji akumulatorów zasilających auta elektryczne i hybrydowe - czytamy w informacji biura prasowego krakowskiej uczelni.

Szacuje się, że na 1 m sześc.  ropy naftowej przypada do 3 m sześc. solanki. W miarę eksploatacji złoża, udział wody  wzrasta do tego stopnia, że staje się ona praktycznie jedynym produktem.

- Taka solanka w najlepszym razie zatłaczana jest z powrotem do złoża, gdzie tłokowo wypiera ropę czy gaz na powierzchnię. Jak już jednak wspomnieliśmy, proces ten nie może trwać w nieskończoność i biznes nastawiony na wydobycie węglowodorów prędzej czy później przestaje się opłacać. Tymczasem sama woda złożowa również może być źródłem cennych dla przemysłu pierwiastków, jeśli tylko odpowiednio się ją zagospodaruje. Zważywszy na fakt, że świat odchodzi od paliw kopalnych na rzecz niskoemisyjnych źródeł energii, mogłoby to wręcz dać starym odwiertom drugie życie. Taki cel stawiają sobie m.in. inżynierowie z Wydziału Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, którzy zaangażowani są w projekt CompLithium – technologia kompleksowego odzysku litu i wody użytkowej z odpadowych wód złożowych. Ich inicjatywa otrzymała dofinansowanie w wysokości 1,5 mln zł od Narodowego Centrum Badań i Rozwoju z programu LIDER - czytamy w informacji prasowej.

Uczelnia przypomina, że lit to cenny metal, który znajduje zastosowanie w przemyśle np. do produkcji smarów, szkła i ceramiki, a także jako składnik stopów wykorzystywanych w lotnictwie i kosmonautyce. Jest również wykorzystywany w akumulatorach litowo-jonowych, w które wyposażone są laptopy, smartfony oraz inne przenośne urządzenia elektroniczne. Akumulatory litowo-jonowe coraz częstsze zastosowanie znajdują również w samochodach elektrycznych oraz hybrydowych, a także innych pojazdach napędzanych silnikami elektrycznymi. Należy się więc spodziewać, że wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na przyjazne dla środowiska środki transportu, popyt na ten cenny pierwiastek będzie wzrastać.

Dr inż. Ewa Knapik, kierownik projektu, tłumaczy: – Sorbenty dotychczas opisane w literaturze mają postać proszków, które trudno wykorzystać na dużą skalę ze względów operacyjnych. Nasze sorbenty będą preparowane metodą druku 3D, po to żeby wytworzyć przestrzenne kształtki o rozbudowanej porowatości. Będą mogły być one regularnie wysypywane w kolumnach sorpcyjnych, gdzie będzie stale przepływała solanka. Tutaj szalenie ważna jest selektywność, albowiem jony litowe są małe i bardzo trudno oddzielić je od pozostałych, zwłaszcza, że podobne wymiary mają jony magnezu. Musimy w związku z tym wykorzystać zjawisko interkalacji. Sorbenty mają specyficzną budowę warstwową, gdzie jony litu ściśle wpasowują się w luki ich sieci krystalicznej. Później lit jest wymywany odpowiednim roztworem.

AGH informuje, że naukowcy planują, że kolumny sorpcyjne będą elementem nowatorskiej, kompleksowej aparatury, która mogłaby zostać zainstalowana w zakładach wydobycia ropy i gazu ziemnego. W ramach jednego procesu odzyskiwała by ona z solanki lit oraz słodką wodę, którą będzie można później wykorzystać np. do nawadniania okolicznych upraw albo do produkcji pary w zakładzie. Do odsalania solanki uczeni z AGH zamierzają wykorzystać membrany nanofiltracyjne modyfikowane eterami koronowymi, które pozwolą dodatkowo na wychwyt resztkowego litu, który nie został wcześniej odzyskany w kolumnach sorpcyjnych. Instalacje, które są obecnie wykorzystywane na świecie, potrafią odzyskiwać z solanki lit albo słodką wodę, ale nie spełniają tych dwóch funkcji jednocześnie. Ich połączenie w ramach jednego procesu będzie więc miało zupełnie innowacyjny charakter.

– Pierwszy etap pracy instalacji to wstępne uzdatnianie, czyli koagulacja i filtracja – tłumaczy schemat działania planowanego procesu dr inż. Knapik. 

– Solanka, która jest wydobywana ze złoża, zawiera ropopochodne, cząstki stałe i rozpuszczone gazy. Wszystkie zanieczyszczenia trzeba usunąć, aby nie uszkodziły naszego modułu sorpcyjnego i membran. Drugi etap to kolumny sorpcyjne dedykowane wprost do odzysku litu. Te kolumny zawsze pracują w układzie podwójnym, bo kiedy jedna wychwytuje lit, druga jest w tym czasie regenerowana – to znaczy pierwiastek jest w tym czasie z niej z wypłukiwany. Kolejny etap to odsalanie za pomocą membran. Wskutek tego zawsze powstają dwa strumienie: wody słodkiej i zatężonej solanki. Ta ostatnia będzie w naszej technologii powrotnie tłoczona do złoża. Dużą zaletą proponowanej technologii jest właśnie to, że jest bezodpadowa - dodaje.

Uczeni z AGH planują prowadzić badania wytworzonych materiałów w laboratorium, gdzie odwzorują z dużą wiernością realne warunki. 

– Stosując narzędzia inżynierii procesowej, zostaną wykonane obliczenia bilansowe dla instalacji pracującej w warunkach rzeczywistych. Istnieje cała teoria powiększania skali procesu i aparatury. Jeżeli testy przebiegną pomyślnie w kolumnie, która ma jeden metr wysokości, jesteśmy w stanie przeliczyć to na kolumnę pięciometrową. Ważne, żeby zachować właściwy reżim operacyjny, to znaczy zapewnić między innymi właściwy surowiec, ciśnienie operacyjne odpowiadające rzeczywistej instalacji i odpowiednią prędkość przepływu (wpływa ona na czas kontaktu z sorbentem, czyli efektywność sorpcji). Jeżeli chodzi o regenerację sorbentu, należy dobrać właściwy skład cieczy przemywającej – wyjaśnia dr inż. Knapik.

Zdaniem AGH żeby instalacja aparatury miała sens ekonomiczny, wody złożowe muszą zawierać odpowiednio wysokie stężenie pierwiastka. Według szacunków Polskiego Instytutu Geologicznego, perspektywiczne mogą być w tym względzie solanki zawierające co najmniej 10 mg litu na 1 litr wody. Dlatego ważnym celem projektu „CompLithium”, oprócz opracowania technologii odzyskiwania pierwiastka, jest również przebadanie pod kątem jego występowania krajowych solanek, co ma uzupełnić istniejący obecnie niedostatek wiedzy w tym zakresie.

Naukowcy z AGH chcą również stworzyć użyteczną aplikację, która pozwoli przy użyciu obiektywnych kryteriów ocenić, czy odzysk litu w danej lokalizacji będzie opłacalny dla potencjalnego inwestora. Oprócz stężenia samego pierwiastka, uwzględni ona m.in. takie aspekty jak ilość wydobywanej wody, ciśnienie w danym złożu czy obecność innych jonów. 

– Narzędzie będzie oferowane jako produkt handlowy, który po drobnych modyfikacjach posłuży też do typowania najbardziej magnezonośnych albo potasonośnych solanek – deklaruje dr inż. Knapik.