Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

CCS = Separace CO2 a jeho ukládání v geologických formacích

Datum: 28.7.2008  |  Autor: Bronislav Bechník

Od ukládání CO2 kdesi pod zem, si mnozí slibují řešení globálního problému lidstva. Autor článku se domnívá, že jde o slepou uličku. Jak dokládá, není technologie udržitelná. Logicky jí propagují především tažební společnosti. Zda jde skutečně pouze o uhelnou či ropnou lobby napoví následující článek.

Na jednu stranu jsou laické i odborné veřejnosti předkládána tvrzení, že v podstatě všechny komponenty technologie CCS (Carbon Dioxide Capture and Geological Storage) jsou známy a v praxi odzkoušeny [9]. Na druhou stranu jsou teprve v letošním roce pořádány semináře, na nichž jsou řešeny dílčí problémy technologie [12] a jsou spouštěny první ověřovací provozy [10]. Rovněž Eurelectric (evropské sdružení elektroenergetických firem) ve svém vyjádření ze 7. června 2007 opatrně uvádí: "Systém separace a následného uložení CO2 (CCS) je slibná technologie, ale před tím, než se jí dostane podpory prostřednictvím specifické legislativy, je zapotřebí pokračovat ve výzkumu [4].

Základní princip CCS

Celý technologický řetězec CCS se skládá ze tří relativně samostatných částí: separace - doprava - ukládání. Přestože jednotlivé prvky řetězce jsou v současnosti ve větší nebo menší míře využívány, celý řetězec v rozsahu, jak je předpokládán pro nasazení v energetice, dosud realizován a dlouhodobě odzkoušen nebyl.

Předpokládá se, že použití technologie CCS by mohlo být nákladově efektivní pro velké bodové zdroje emisí s roční produkcí kolem 1 milionu tun CO2 nebo více [2, 8]. V České republice do této kategorie spadá asi 25 zdrojů, převážně elektráren, které dohromady emitují zhruba polovinu veškerých emisí CO2 [7].

Separace CO2

Největší pozornost je v současnosti věnována separaci CO2 ze spalin při spalování fosilních paliv [2]. K zachytávání CO2 ze spalovacích procesů jsou navrhovány tři základní technologické postupy [2, 3]:

  1. spalování se vzduchem a separace CO2 ze spalin (post combustion)
  2. spalování s kyslíkem a separace CO2 ze spalin (Oxy-Fuel)
  3. zplynování paliva a separace CO2 z takto vyrobeného plynu (pre combustion, IGCC)

Mimoto je možno separovat CO2 i z procesních plynů z výroby cementu a vápna a z výpalu keramiky, případně jiných průmyslových a chemických výrob, v nichž jsou uvolňovány významné objemy CO2.


Obrázek: Metody zachytávání CO2

Spalování se vzduchem

Separace CO2 ze spalin vzniklých při konvenčním spalování fosilních paliv se vzduchem vyžaduje nejmenší zásahy do stávajících zařízení. Bylo by třeba vřadit jednotku pro separaci za jednotku odsířování spalin. Procesem čištění spalin a následné separace CO2 však procházejí velké objemy plynu. Technologické zařízení by proto muselo být větší než v ostatních variantách. Pro vlastní separaci jsou vzhledem k nízkým koncentracím CO2 použitelné pouze technologie s alkalickými roztoky.


Obrázek: Schéma technologie při spalování se vzduchem

Spalování s kyslíkem

Spalování s kyslíkem je též známo pod označením Oxy-Fuel technologie. Varianta je výhodnější jak z hlediska objemu plynů vstupujících do procesu separace, tak z hlediska koncentrace CO2 ve spalinách. Separační zařízení by mohlo být menší než v předchozí variantě. Je dostupná širší škála metod pro vlastní separaci. Kromě jednotky pro kryogenní separaci kyslíku ze vzduchu by však bylo třeba provést zásah i do technologie spalovacího procesu. Zvažuje se i ukládání nepřečištěných spalin, tj. včetně oxidů síry a dusíku.


Obrázek: Schéma technologie při spalování s kyslíkem

Zplynování paliva

Pro tuto technologii se vžilo označení IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle). Pomineme-li ostatní emise, jsou hlavními spalitelnými produkty zplynování fosilních paliv oxid uhelnatý a vodík (CO a H2). V dalším technologickém kroku by byl oxid uhelnatý konvertován na vodík za vzniku oxidu uhličitého. Separace CO2 z takto vyrobeného plynu může být nákladově výhodnější než předchozí postupy. Ostatní emise by byly eliminovány již při zplynování paliva.

Technologie zplynování paliva je použita v elektrárně Vřesová, zejména z důvodu eliminace emisí oxidů síry.

Investičně je tato varianta vhodná pro nové zdroje. Implementace do stávajících technologií je problematická.


Obrázek: Schéma technologie se zplynováním paliva

Separační technologie

Pro separaci CO2 ze spalin jsou komerčně využívány reverzní chemické reakce s alkalickými sorpčními roztoky. Proces probíhá při dvou teplotách. Při nižší teplotě je CO2 vázán do roztoku, při vyšší teplotě je z roztoku uvolňován. Nejčastěji jsou využívány aminy (monoetanolamin, KS-1). Protože tyto roztoky reagují s oxidy síry, je vyžadováno důsledné odsíření před separací CO2, zpravidla lepší než v současných elektrárnách.

Proces vyžaduje tepelnou energii na regeneraci roztoku a elektrickou energii na pohon čerpadel a ventilátorů. O tuto spotřebu se snižuje energetická účinnost konverze paliva na elektřinu. V současnosti jsou vyvíjeny a zkoušeny nové sorbenty s cílem snížit energetickou náročnost regenerace.

Účinnost separace

Nákladově efektivně lze separovat pouze část CO2 obsaženého ve spalinách. Předpokládaná účinnost separace je kolem 85 %. Emise CO2 u potenciální elektrárny využívající technologii CCS by proto byly na úrovni 220 až 250 g/kWh. Při vyšších investicích do separačního zařízení lze dosáhnout účinnosti separace až 95 % (při použití Oxy-Fuel procesu až 98 %), ovšem při dalším snížení energetické účinnosti elektrárny [2].

Pro srovnání: emise stávajících uhelných elektráren ČEZ, a.s. v České Republice jsou v rozsahu asi 1000 až 1200 g/kWh [6]. Výjimkou je elektrárna Dětmarovice spalující černé uhlí (asi 900 g/kWh) a elektrárna Hodonín spalující nekvalitní lignit (přes 1400 g/kWh). Nejlepší dostupné technologie výroby elektrické energie z hnědého uhlí vykazují emise těsně pod hranicí 800 g/kWh (vztaženo k čisté produkci) [11]. Výše uvedená elektrárna Vřesová používající zplynovací technologii vykazuje měrné emise CO2 kolem 2500 g/kWh [6].


Obrázek: Zvýšení spotřeby paliva při použití technologie CCS, upraveno podle [3]

Možnosti ukládání CO2 v geologických vrstvách

Ukládání zachyceného CO2 je možné ve vhodných geologických formacích pod zemským povrchem nebo ve velkých hloubkách v oceánu. Ukládání v oceánu by však mohlo vést k růstu pH mořské vody s následným rozpouštěním vápenitých skořápek mořských živočichů. Pro ukládání CO2 jsou potenciálně vhodné následující geologické formace:

  1. hlubinná jezera sladké nebo slané vody (aquifery)
  2. netěžitelné uhelné sloje
  3. vytěžená ložiska ropy a zemního plynu
  4. produkční ložiska ropy a zemního plynu


Obrázek: Možnosti ukládání CO2 v geologických vrstvách, zvýrazněny jsou možnosti
sekundárního využití ke zvýšení těžby ropy a zemního plynu, upraveno podle [2]

Hlubinná jezera a uhelné sloje

Při ukládání CO2 v uhelných slojích lze jako vedlejší produkt získat metan - zemní plyn. Naproti tomu hlubinná jezera mají největší potenciál z hlediska objemu, který by bylo možno k ukládání CO2 využít.

Hlavní problém tohoto řešení (podobně jako v ostatních případech) je, že uložení CO2 znemožní budoucí jiné využití těchto formací. V budoucnu může být z nějakého jiného důvodu výhodné využití jak v současnosti netěžitelných uhelných slojí, tak hlubinných jezer, i kdybychom je v současnosti využít neuměli.

Ložiska ropy a zemního plynu

Zejména o poslední možnost - ukládání ve vytěžených a produkčních ložiscích ropy a zemního plynu je v současnosti největší komerční zájem. Zejména ropné a plynařské těžební společnosti hledají budoucí uplatnění jak pro technologie vrtání, kterými disponují, tak pro vytěžená ložiska surovin. Dalším potenciálním přínosem při případném budoucím ukládání CO2 by byla možnost zvýšit výtěžnost ložisek. Tato alternativa je v některých případech využívána již dnes, jedná se o technologie EOR (enhanced oil recovery) a EGR (enhanced gas recovery). To je pravděpodobně hlavní důvod, proč má CCS širokou podporu ropných společností: náklady na zvyšování těžby při ukládání emisí CO2 do produkčních ložisek by nesl zcela nebo alespoň částečně subjekt produkující emise CO2.

Zvýšení těžby ropy a zemního plynu vede ve svém důsledku k dalšímu růstu emisí CO2, který nelze efektivně eliminovat technologií CCS. Celkové environmentální dopady využití EOR a EGR mohou být tedy vyšší než zisky.

Náklady na separaci a ukládání CO2

V současnosti jsou náklady na separaci CO2 odhadovány na 25 až 60 EUR na tunu zachyceného CO2. Očekává se, že budoucím výzkumem v této oblasti by mohly být sníženy asi na polovinu [1]. Náklady na dopravu jsou očekávány ve srovnání s tím nízké, pokud bude CO2 dopravován potrubím nebo loděmi na menší vzdálenosti. Doprava nákladními automobily by byla příliš náročná. Při dopravě potrubím na vzdálenost do 250 km jsou finanční náklady odhadovány na 1 až 4 EUR/t. Náklady na stlačování plynu a jeho injektáž do geologických formací jsou předpokládány v rozmezí 10 až 20 EUR/t. Při současných cenách energií lze tedy očekávat zvýšení nákladů na výrobu energie o 60 až 150 %.

Je však třeba rozlišovat náklady na redukci emisí CO2 od nákladů na separaci a ukládání CO2. Protože hrubá produkce CO2 při použití CCS je vyšší, je nutno jej odstranit větší množství. Vezměme si modelový příklad: řekněme, že současné emise jsou 1000, pak při použití CCS by byly hrubé emise asi 1200. Z toho 1000 by bylo možno separovat ze spalin a uložit, zbývajících 200 budou čisté emise CO2. Uloženo by bylo 1000, ale emise by byly sníženy pouze o 800.

Rizika

Při ukládání CO2 v geologických vrstvách jsou předpokládána rizika, jež v současnosti neumíme spolehlivě odhadovat. Předpokládá se například, že CO2 bude alespoň částečně unikat podél geologických zlomů [12]. Ukládaný CO2 má být stlačován pod vysokým tlakem, nebo zkapalňován. Zvýšení tlaku může způsobit nepředvídatelný pohyb hlubinných vod nebo může být příčinou mikrozemětřesení s rizikem narušení nadložních vrstev. Zvýšení pH při rozpouštění CO2 může vést k rozpouštění některých minerálů s dalšími negativními důsledky [2, 8].

Ve všech seriozních publikacích je opakovaně zdůrazňováno, že dříve než bude technologie CCS zahrnuta mezi vhodná řešení ke snížení emisí CO2, je třeba důsledně vyhodnotit možná rizika, zdravotní a environmentální dopady [2, 3, 8].

Trvalá udržitelnost technologie CCS

CCS není trvale udržitelná z několika důvodů:

  1. zvyšuje spotřebu paliva a tím i hrubé emise CO2
  2. nelze trvale zajistit těsnost podzemních úložišť
  3. vezmeme-li v úvahu všechny možnosti ukládání, dávají perspektivu na pouhých 50 až 100 let
  4. není dořešena a odzkoušena v objemech, v nichž by náklady klesly na přijatelnou úroveň
  5. vzhledem k masivní podpoře ze strany těžebních a energetických společností má silný potenciál odčerpat prostředky, jež by bylo vhodnější vložit do podpory úspor a OZE

Závěr

Technologie CCS není trvale udržitelná. Umožňuje pouze přesunout řešení současných problémů do budoucnosti s tím, že sama tato technologie další problémy vyvolává. Na Zemi je při troše skromnosti dostatek zdrojů pro spokojený život více než 10 miliard lidí. Je však třeba intenzivně využívat možnosti úspor energií a materiálů a efektivně rozvíjet obnovitelné zdroje energie (OZE).

Finanční prostředky, které by byly investovány do vývoje a provozování technologie CCS, by odčerpaly část prostředků určených pro jiné způsoby redukce emisí CO2, zejména pro rozvoj materiálové a energetické efektivnosti a obnovitelných zdrojů energie, které však mají nesrovnatelně vyšší potenciál trvalé udržitelnosti.

Technologii CCS propagují zejména těžební společnosti, a to jak uhelné, tak ropné a plynové [1]. Ty první vidí v redukci emisí CO2 možnost pokračovat v těžbě a spalování uhlí, ty druhé navíc i možnost zvýšit využití ložisek ropy a plynu.

Reference

[1] A "Down-To-Earth" solution to climate change.
[2] ADGEN, Peter; CREMER, Clemens; WARKENTIN, Sebastian; GERLING, Peter; MAY, Franz; KNOPF, Stephan. Assessment of Technologies for CO2 Capture and Storage, Summary. Berlin: Umweltbundesamt, 2006. [Cit 18. 10. 2007]. Dostupné na www.
[3] Carbon Dioxide Capture and Storage. IPCC Special Report. Prepared by Working Group III of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Metz, B., O. Davidson, H. C. de Coninck, M. Loos, and L. A. Meyer (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2005, 442 pp. [Cit. 10. 7. 2008]. Dostupné na www.
[4] Energetický sektor je k ukládání oxidu uhličitého opatrný. Dostupné na www [Cit. 22. 10. 2007].
[5] von GOERNE, Gabriela. Elektrárna bez emisí CO2 - nereálný pokus nabarvit uhlí na zeleno. Dostupné na www [Cit. 22. 10. 2007].
[6] KOTECKÝ, Vojtěch; POLANEKÝ, Karel. Fosilní faktor: analýza hlavních zdrojů znečištění oxidem uhličitým a emisní intenzita českých uhelných elektráren. Brno: Hnutí Duha, 2005. ISBN 80-86834-12-3. Dostupné na www [Cit. 13. 6. 2008].
[7] Národní alokační plán pro druhé kolo EU-ETS. Dostupné z www.
[8] Final Report of Working Group 3: Carbon Capture and Geological Storage. [cit. 15. 6. 2008]. Dostupné na www.
[9] Roadmap to Successful Storage of CO2. [cit 23. 7. 2008]. Dostupné na www.
[10] V Německu zahájeno zkušební ukládání CO2 do podzemí. Ekolist [online]. [cit 7. 7. 2008]. Dostupné na www.
[11] "V rámci výstavby a obnovy uhelných zdrojů energie budou realizovány moderní technologie s maximálním ohledem na dosažení vysoké účinnosti nového zdroje,". Dostupné na www [Cit. 23. 6. 2008].
[12] Workshop on Numerical Models for Carbon Dioxide Storage in Geological Formations. [Cit. 3. 4. 2008]. Dostupné na www.
[13] Prezentace a zápisy z jednání WG3 jsou dostupné na www.

 

Hodnotit:  

Datum: 28.7.2008
Autor: Bronislav Bechník   všechny články autora



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Google+  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (15 příspěvků, poslední 27.01.2013 19:15)

Mohlo by vás také zajímat

Jak omezit změnu klimatu - Přednáška a panelová diskuse k třetí části Páté hodnotící zprávy IPCC 26.4.2014
Jak snížit nebo stabilizovat obsah oxidu uhličitého v atmosféře - K pořadu České televize Turbulence z 6. října 2013 28.10.2013
Fyzikální základy změny klimatu 2013 - Hlavní teze ze Shrnutí pro politiky Pracovní skupiny I IPCC 12.10.2013

Energetika pro 21. století v České republice - Seminář Inženýrské Akademie České republiky 29.9.2012

Státní energetická koncepce podle Greenpeace - Energetická [r]evoluce 6.6.2012
Oxid uhličitý a možnosti jeho využití II - – perspektivní možnosti využití 30.4.2012
Oxid uhličitý a možnosti jeho využití I - fyzikální a chemické vlastnosti a jejich využití v praxi 16.4.2012

Kam dál


Témata 2019

technická podpora výrobců