Shale gas extraction and climate change

Shale gas extraction is accompanied by the greenhouse gases’ emissions; their inventory and abatement are important to minimize the impact of shale gas extraction on climate. In parallel, the carbon emissions should be taken into account with regard to Ukrainian obligations within the framework of Kyoto Protocol to the UN Framework convention on climate change.

Major greenhouse gases emissions in shale gas projects include methane emissions during its extraction and transportation (hereafter leakage emissions), and, indirectly, carbon dioxide emissions from the use of energy and power at shale gas extraction (hereafter indirect emissions). Finally, the carbon dioxide is emitted when the natural gas from shale is combusted by its final consumers. Here the methane may (or may not) supplement other energy carriers, e.g. coal or biomass, which have, respectively, higher or lower carbon intensity.

Indirect emissions are subject to the types and amounts of energy applicable to extract the gas. These include, but not limited to, the power (and its sources) at sites for the work of pumps, combusting (and type) of fuel for extraction and transportation of water, sand, waste rock etc. The amount of energy for shale gas extraction, in turn, depends from specific geology conditions and depth of shale gas reserves. Given the fact that the geology conditions for shale gas extraction in Ukraine tend to be more difficult in comparison to those at North America, the indirect carbon emissions at shale gas extraction in the country are likely to be higher than those in the US and Canada.

Leakage emissions at shale gas extraction take place when significant amounts of methane is emitted to the atmosphere along with produced water returning to the surface in the process of hydraulic fracturing. Additionally, methane emissions occur during drill-out of the plugs that separate the different stages of hydraulic fracturing before the start of natural gas extraction.

In the study of Robert W. Howarth and others methane emissions at the stage of used water return are estimated in average at the level of 1.6% of the total volume of natural gas that is extracted from the well. Emissions at the stage of drill-out phase are estimated at the level of 0.33% of the volume of gas extracted. Thus, the total methane leakages during shale gas hydraulic fracturing constitute 1.93% of the volume of natural gas to be extracted from the well.

In general, Robert Howarth estimates methane emissions during the shale gas extraction at the level 3.6% -7.9% of total extraction volume, while during extraction of conventional natural gas the loss rate is estimated at the level of 1.7% – 6%. The researcher notes that greenhouse gases emissions during extraction of shale gas are greater than in case of conventional natural gas extraction, and are even close to emissions associated with coal extraction. Experts from the National Oceanic and Atmospheric Administration assessed the level of methane emissions at the level of 4% and even 9%.

In August, 2013 results of other research project by the scientists of National Oceanic and Atmospheric Administration and Cooperative Institute for Research in Environmental Science of Colorado university have been published. The researches used mass balance technique and measured the concentration of methane in air masses, which were moving through the territory of shale extraction region, as they moved into the region and flew out. Based on the measurement results,  methane leakages were estimated at the level of  6-12% of all natural gas extracted. Measurements were held in February, 2012 in Utah.

At the same time, according to the estimations of researchers at Massachusetts Institute of Technology, the amount of methane leakage from the execution of hydraulic fracturing is less and and usually constitutes about 0.4% – 0.6%, or, at some fields, up to 0.8% – 1.0% of the total shale gas production. The researchers point out that their estimates are lower because they consider the use of technologies designed for methane capture and flaring.

The example of such technologies’ application is demonstrated by Devon Energy Corporation on Barnett shale deposit where the method called green completion of drilling wells is applied. Natural gas that is coming along with the produced water after hydraulic fracturing is separated from water by using special separators and is fed into the pipeline instead of being exposed to the atmosphere or flared.

Обладнання для екологічного завершення буріння скважини. Джерело: devonenergy.com

Equipment for green completion. Source: devonenergy.com

Concluding, the shale gas extraction will be accompanied by carbon emissions into atmosphere. Based on the indicated above percentages of the methane leakages it is already possible to state that the amounts of greenhouse gases emissions into atmosphere during the active phase of shale gas extraction will be measured in millions tonnes of CO2 equivalent per annum. In turn, a part of these emissions may be reconciled due to the fact that the extracted natural gas may supplement of fuels with higher carbon intensity (coal, heavy oil, etc).  Definitely, deeper insight on the theme of carbon emissions at shale gas extraction is necessary in the nearest future, as Ukraine now is in the decision making process on joining the next commitment period of the UNFCCC Kyoto Protocol.

  • Oleksii Khabatiuk

    В цілому піднято правильне питання. Але є деякі коментарі та цифри для більш чіткого розуміння масштабів проблеми, співвідношення між джерелами викидів ПГ та висновків.
    1. Зазвичай, на видобувному майданчику не має підключення до електромережі такої потужності яка достатня для роботи основного обладнання для гідророзриву (помпи високого тиску, міксери та т.і..). Тому, в основному, використовують дизельгенератори та/або прямий привід від дизельних двигунів. Тому не можна такі викиди називати непрямими викидами ПГ (див. ISO 14064). Це прямі викиди ПГ від використання викопного палива для забезпечення роботи технологічного обладнання. Те саме стосується і викидів від транспортування компонентів для приготування рідини для гідророзриву (пісок, хімікати).
    2. Викиди по п.1 є мізерними у порівнянні із викидами метану з потоком зворотньої води. За даними того ж Ховарта десь близько 2% від загальних викидів на проммайданчику.
    3. Що стосується витрат електроенергії на транспортування води, то, на мою думку, зважаючи на умови договору с Шеврон, їм вигідніше видобувати воду самим ніж придбавати із централізованих систем водопостачання, тому див. п.1
    4. Що стосується даних про витоки, то на мою думку, представлення даних у відсотках від обсягу видобутку не надає уявлення про масштаби. Доцільно їх представляти в одиницях викидів на одиницю енергії палива, яке видобуте чи поставлено споживачу. За моїми розрахунками, що базується на дослідженнях того ж Ховарта, викиди ПГ при видобуванні сланцевого газу (чи газу щільних порід) становлять близько 10 т СО2-екв/ТДж, що призводить до зростання вуглецевоємності видобутого газу на близько 18% (з близько 56 до 66 т СО2-екв/ТДж).
    5. Що стосується витіснення сланцевим газом вугілля, то, на мою думку, конкуренція буде в першу чергу між традиційним газом (імпортним) та сланцевим газом. Буде відбуватись процес імпортозаміщення (в разі конкурентної ціни). Таким чином, на національному рівні, умовно чистий від повязаних викидів ПГ традиційний імпортний газ (викиди відбулись на території РФ) буде заміщено сланцевим газом обтяженим додатковими викидами ПГ.
    6. Що технологій уловлення метану із зворотної води, то, на мою думку, не варто очікувати, що така технологія буде застосована в Україні. Причина чисто економінча. Витрати високі, а додатковий вихід газу низький, і при цьому екологічний податок на викиди метану низький (біля 80 грн/т в наступному році).

  • Юрій Зфранківська

    Викиди при бурінні на сланцевий газ співмірні з тими, які є при бурінні “класичних” газових свердловин. Правда, може бути деяке збільшення при бурінні горизонтальної ділянки свердловини, та при гідророзриві пласта під час освоєння свердловини. Але усі ці методи можуть використовуватися і при “класичному” видобутку газу

  • Юрій Зфранківська

    На мою думку, варто приділяти увагу модернізації бурового і газопромислового обладнання, бо те , яке використовують деякі вітчизняні компанії, надто застаріле і значною мірою неекологічне (дизелі можуть бути ще танкові з витратою масла як і солярки… ну трохи перебільшив)