Ukládání a užívání CO2 - 1. Část

10

Ukládání a užívání CO2 – 1. Část

Ing. Bohumír Číhal

Při zachytávání CO₂, ať už přímo z ovzduší nebo bodovými zdroji, je třeba vyřešit jeho využití nebo uložení.

Oxid uhličitý lze s pomocí elektrochemické redukce přeměnit na methanol nebo kyselinu mravenčí, takže by se nemusel ukládat. Po zachycení a přečištění v nádobách se zásaditými roztoky by byl oxid uhličitý dopraven do elektrolyzéru, což je zařízení, kde probíhá chemická přeměna pomocí elektrické energie. Přeměna oxidu uhličitého na užitečné suroviny je energeticky velmi náročná. Pokud by se vyplatila, za většinou elektráren a továren by dávno stálo zařízení na zachytávání, natlakování a přípravu tohoto skleníkového plynu k dalšímu použití.

Skladování CO₂ se předpokládá buď v hlubinném geologickém souvrství, nebo ve formě minerálních uhličitanů. Zkoumá se pyrogenní zachycování a skladování uhlíku (Pyrogenic carbon capture and storage – PyCCS). Úložiště v hlubinném oceánu se nepoužívá, protože by mohlo oceán okyselit. Pozornost se zatím upíná hlavně na jeho ukládání pod zem, do čedičového podloží, kam se vstřikuje s vodou a po dvou letech zkamení. Geologické souvrství jsou v současné době považovány za nejslibnější místa pro ukládání. Obecným problémem je, že dlouhodobé předpovědi o zabezpečení podmořských nebo podzemních zásobníků jsou velmi obtížné a nejisté a stále existuje riziko, že nějaký CO₂ může unikat do atmosféry.

Ukládání oxidu uhličitého vyprodukovaného lidskou činností pod zemský povrch není žádnou novinkou nebo čistou teorii. Tento princip v praxi funguje v řadě geologických systémů, v nichž byl CO₂ zcela přirozeně uložen po dlouhá tisíciletí. Stejně tak se CO₂ desítky let využívá ke zvýšení účinnosti těžby ropy v těžebním průmyslu systémem EOR (Enhanced Oil Recovery). Po celém světě najdeme mnoho navzájem podobných geologických útvarů, do nichž bychom mohli uložit množství CO₂ odpovídající průmyslovým emisím tohoto skleníkového plynu za několik stovek let.

Pokud se zachycený CO₂ nevyužívá na místě, stlačuje se a přepravuje potrubím, lodí, po železnici nebo nákladními auty, aby se využil v řadě aplikací (například pro zpracování paliv, výrobu energie anebo třeba v potravinářském průmyslu k sycení nápojů, nebo se vstřikuje do hlubokých geologických formací (včetně vyčerpaných zásobníků ropy a zemního plynu nebo solných formací), které zachycují CO₂ k trvalému uložení.

Obr. č. 1: Shrnutí nakládání s CO2

Proces CCUSProces CCUS (carbon capture, utilisation and storage) resp. CCS zahrnuje zachycování CO₂, zpravidla z velkých bodových zdrojů, jako jsou elektrárny nebo průmyslová zařízení, která používají jako palivo fosilní paliva nebo biomasu. Pokud se zachycený CO₂ nevyužívá na místě, stlačuje se a přepravuje potrubím, lodí, po železnici nebo nákladními auty, aby se využil v řadě aplikací, nebo se vstřikuje do hlubokých geologických formací, jako jsou vyčerpané zásobníky ropy a zemního plynu nebo slané vodonosné vrstvy.

Obr. č. 2: Proces CCUS

Postupně uvedeme jednotlivé kroky procesu.

Zachycení

Prvním krokem v CCUS je zachycování emisí CO₂ z rozsáhlých průmyslových procesů, jako je výroba energie, cementu nebo chemická výroba. Existuje několik metod zachycování CO₂:

• Předspalovací zachycování
  Odstraňování CO₂ z paliv probíhá před jejich spalováním. Proces začíná zplyňováním paliva za vzniku syngasu – směsi vodíku, oxidu uhelnatého (CO), CO₂ a dalších plynů. Syngas pak prochází reakcí vody a plynu, při níž se CO a voda přeměňují na vodík a CO₂. Nakonec se oddělí CO₂ a zůstane palivo bohaté na vodík připravené ke spalování.

• Zachycování po spalování
  Zachycování CO₂ ze spalin po spalování je nejčastěji používaná metoda v elektrárnách a lze ji dodatečně instalovat do stávajících zařízení.

• Spalování kyslíkových paliv
  Palivo se spaluje v čistém kyslíku namísto vzduchu, čímž vznikají spaliny, které jsou tvořeny převážně CO₂ a proces odlučování je tak účinnější. Po zachycení se CO₂ stlačí do zkapalněného stavu, což usnadňuje jeho přepravu.

Zachycený plyn má nízkou koncentraci CO₂ (cca 0,03 % CO₂). Proto se stlačuje do podoby husté tekutiny, která zabírá výrazně méně objemu než CO2 v plynném skupenství. Koncentrovaný CO2 je se stlačením dehydrován. Dehydratace je potřeba, aby se předešlo korozi zařízení a infrastruktury a také, za vysokých tlaků, vytváření hydrátů (pevných krystalů podobných ledu), které mohou zařízení a potrubí ucpat. Stlačení se provádí společně s dehydratací v několikastupňovém procesu: opakovanými cykly stlačení, ochlazení a odstranění vody. Tlak, teplotu a obsah vody je třeba přizpůsobit způsobu dopravy a tlakovým požadavkům v místě ukládání.

Přeprava

Po zachycení se CO₂ přepravuje do místa využití, nebo do úložiště. Obvykle se tak děje prostřednictvím potrubí, ale pro menší množství nebo v případě, že potrubí není možné použít, lze použít nákladní automobily, lodě nebo dokonce vlaky. Potrubí je nejběžnějším způsobem přepravy, zejména v regionech s dobře zavedenou sítí pro ropu a plyn.

Využití

Zachycený CO₂ lze následně využít v různých aplikacích, například při intenzivní těžbě ropy službami EOR (Employer of Record), kdy se vstřikuje do ropných polí, aby se zvýšila míra těžby, nebo při výrobě chemikálií, plastů a sycených nápojů. Tyto způsoby využití také pomáhají kompenzovat náklady spojené se zachycováním a skladováním CO₂. Podrobněji dále.

Ukládání

Posledním krokem je trvalé uložení CO₂ v geologických formacích, jako jsou vyčerpaná ropná a plynová pole nebo hluboké slané vodonosné vrstvy. Úložiště jsou pečlivě vybírána na základě jejich schopnosti dlouhodobě zadržovat CO₂ bez rizika úniku.

Poté, co je CO₂ injektován do vhodného podzemního rezervoáru, akumuluje se v pórech mezi horninovými zrny a v trhlinách, přičemž odtud vytlačuje a nahrazuje přítomná fluida – vodu, ropu nebo zemní plyn. Vhodné hostitelské horniny pro CO₂ by proto měly mít vysokou pórozitu a permeabilitu. Takovéto horninové formace jsou výsledkem ukládání sedimentů v geologické minulosti a běžně se nacházejí v tzv. "sedimentárních pánvích“. V některých místech se tyto propustné formace střídají s nepropustnými horninami, které mohou působit jako nepropustné těsnění. V sedimentárních…