Carbon capture and storage - Technologie uskladňování CO2

Carbon capture and storage (CCS) technologie je ověřená metoda dlouhodobého snížení vypouštění CO2 z elektráren a tepláren. Své uplatnění nachází zejména u uhelných elektráren, kde je aplikace CCS technologie nejpřínosnější.

Z historického hlediska jsme se setkali s ukládáním oxidu uhličitého do podzemních prostor již dávno. CO2 se využívá v ropném průmyslu, kde se vstřikuje do podzemních zásob ropy a tím se zvyšuje efektivita těžby tohoto nerostu. V tomto případě se ale samozřejmě jedná o vedlejší produkt. Ukládání CO2 do podzemních prostor za účelem snížení vypouštěných emisí je nový koncept, na který se v současnosti upíná pozornost kvůli možnosti snížení světových emisí CO2.

První komerční využití CCS technologie ve velkém měřítku byl The Sleipner Project. Jedná se o druhou největší těžařskou oblast zemního plynu v Severním moři, která produkuje velké množství oxidu uhličitého. Kvůli vysokým norským poplatkům za vypouštění CO2 (kam tato těžařská oblast spadá) a díky dostupným podzemním prostorům zde byla vybudována první CCS technologie.

Díky tomu, že je uskladňovací prostor hned u zdroje, nemusel být budován žádný transportní systém a jako podzemní prostory se využila místa po vyčerpaném zemním plynu. Projekt byl uveden do provozu v roce 1996 a ročně umožní uskladnění skoro 1 milion tun CO2. Budoucnost CCS technologie dokazuje i fakt, že IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) ve své zprávě z roku 2005 tuto technologii označil jako klíčovou v procesu stabilizace emisí a zároveň cenově dostupnou.

Proces zachycení oxidu uhličitého

Proces na zachycení oxidu uhličitého se využívá ve více než 60 průmyslových oblastech, jako je těžba a zpracování ropy a zemního plynu nebo v chemickém průmyslu, kde se vždy jednalo o relativně malé množství a CO2 se primárně zachycoval za jinými než ekologickými účely. Použití zachycení CO2 ve velkém měřítku v energetickém průmyslu je věc nová, ale můžeme u ní vycházet z ověřených principů a technologií. Zachycení se dá rozdělit na tři procesy a to na „po spalovací zachycení„, „před spalovací zachycení“ a „kyslíkaté spalování„.

Po spalovací zachycení zahrnuje separaci CO2 z odpadních plynů, které vznikají spalováním fosilních paliv. V tomto ohledu je technologie dost podobná již existujícím zachycovacím procesům škodlivých plynů z elektráren, jako jsou oxidy síry a dusíku. Existuje více způsobů zachycení emisí, ale nejčastěji se k účelu separace používají speciální chemikálie aminy.

Odpadní plyn ze spalování se nechá probublat skrz aminovou sloučeninu. CO2 se páruje s aminy, zatímco ostatní plyny putují sloučeninou dále. Sloučeniny aminů a oxidu uhličitého se následně odvedou, CO2 se separuje a může se uskladnit. Aminy se dají po odseparování znovu použít na další zachycení oxidu uhličitého. Jedná se tedy o dobře známou technologii, ale používaná je pouze v malém měřítku.

Před spalovací zachycovaní obsahuje separaci CO2, než se fosilní paliva spálí. Paliva v pevném nebo kapalném stavu (např. uhlí, biomasa nebo benzín) se zplyňují v chemické reakci při vysoké teplotě. Po procesu zplyňování vzniknou dva plyny a to vodík a oxid uhelnatý. Oxid uhelnatý se přemění na oxid uhličitý a odvede se pryč. Zbylý vodík se využije na spalování a výrobu elektřiny nebo na jiné účely. CO2 se obvykle z před spalovacího procesu, kvůli následné transportaci, kompresuje do superkritické kapaliny.

Kyslíkaté spalování (Oxyfuel combustion) se využívá při spalování uhlí v prostředí čistého kyslíku namísto obyčejného vzduchu. Takto je možné se vyhnout výskytu dusíku při spalování a následná koncentrace oxidu uhličitého ve spalinách se značně zvýší. Tím se jeho odchycení zjednodušuje. Tato fáze je v procesu zachycení CO2 nejméně propracovaná a je stále spíše v experimentální fázi.

Každá část zachycování má své výhody použitelné v různých oblastech.  „Kyslíkaté spalování“ a „po spalovací zachycování“ má potenciál hlavně u současných a momentálně plánovaných elektráren. Naproti tomu „před spalovací proces“ má potenciál v budoucí vodíkové energetice. Bohužel i technologie CCS má své nevýhody. Technologie má kladný ekologický dopad, její dopad na efektivitu elektrárny je však negativní. Aplikací CCS se zvyšují investiční i provozní náklady a zároveň se snižuje efektivita celé elektrárny. Zachycování zvyšuje vlastní spotřebu elektrárny o 10-40 %, která se využije především na proces separace CO2. Tímto směrem se nyní především ubírá vývoj technologie.

Přeprava oxidu uhličitého

V procesu přepravy se technologie CCS nepřináší žádnou novinku. CO2 je inertní plyn a dá se s ním jednoduše operovat. Přepravuje se vysokotlakovými trubkami, jako je tomu v ropném průmyslu. V ojedinělých případech může být ekonomicky výhodné přepravovat oxid uhličitý lodí, zejména pokud se musí přepravovat na velké vzdálenosti.

Uskladnění

CO2 se uskladňuje hluboko pod zemí za vysokého tlaku a prakticky se z něho stává kapalina. Existuje celá řada mechanismů na zajištění oxidu uhličitého pod zemí a záleží hlavně na geologickém podkladu v místě uskladnění.

Strukturální uskladnění pumpuje CO2 do jeskyně, kde je zachycen nepropustnou vrstvou kamenní. Tento způsob má uplatnění zejména v těžařských oblastech po zemním plynu a ropě, kde se pouze ucpe přívodní otvor

Reziduální uskladnění využívá rezervoární skály, které se v principu chovají jako houby. Vysokotlaký natlačený oxid uhličitý vyplní vzduchové prostory a dále se nemůže pohybovat.

Rozpouštěcí uskladňování je metoda, která funguje obdobně jako sůl a voda. CO2 se rozpustí ve slané vodě a ta je těžší než okolní slaná voda a postupně se propadne na dno.

Minerální uskladňování funguje podobně jako rozpouštěcí metoda. CO2 je opět rozpuštěn ve slané vodě, která má ovšem spíše kyselý charakter. Tato vlastnost zapříčiňuje reakci s určitými minerály, které vytvoří nepropustnou vrstvu na povrchu kamenů (podobně jako měkkýši). Tento proces může být rychlý nebo pomalý, ale ve výsledku naváže oxid uhličitý na okolní minerály.

Po uskladnění se stav úložiště pečlivě sleduje, aby se detekovaly možné úniky CO2 zpět do ovzduší. Tím se zaručuje spolehlivost, efektivita a bezpečnost skladovacích metod. Podle dostupných dat a studií se únik takto uskladněného CO2 odhaduje s určitostí na maximálně 1 % za sto let, ale spíše na 1 % za tisíc let.

Současné využití

V současné době existuje 75 projektů, kde se CCS technologie využívá ve větším měřítku. Většina z nich se nachází v USA a Kanadě a Norsku. Díky těmto projektům se ročně zachytí a uskladní více než 36 milionů tun CO2. Příklady fungujících projektů jsou kromě Sleipneru třeba In Salah v Alžírsku, Great Plains Synfuel Plant and Weyburn-Midale projekt v USA a Kanadě či Century Plant v USA.