Zemní plyn - těžba, vlastnosti a rozdělení

Zemní plyn se stal nepostradatelným zdrojem energie pro naší společnosti. Řadí se do skupiny tzv. velmi výhřevných plynů a je využíván pro široké spektrum potřeb – k vytápění, vaření a ohřevu vody, v elektrárnách, v teplárnách nebo třeba v dopravě. Jenom v České republice se ho ročně spotřebuje přes 8 mld. m3. Jak se vlastně zemní plyn těží, jaké má vlastnosti a podle čeho a jak se dělí?

Na tyto otázky Vám odpoví následující článek, který kromě výše zmíněných otázek popisuje také proces „výroby“ tepla při hoření zemního plynu.

Těžba a úprava zemního plynu

Zemní plyn se dle výskytu dělí na dva druhy – naftový a karbonský. Naftový zemní plyn je plyn, vyskytující se společně s ropou. Jak už označení druhého druhu napovídá, karbonský zemní plyn se vyskytuje v uhelných ložiscích.

Těžba naftového zemního plynu probíhá pomocí vrtů, které jsou vedeny přímo do pórovitých ložisek. Ložiska se vyznačují ohraničením nepropustnými vrstvami a vodou. Tato ohraničení způsobila nahromadění plynu, a to v průběhu tisíců let. Hloubka vrtů se pohybuje většinou do 3 km, některé vrty ovšem dosahují hloubky až 8 km. Co se umístění ložisek týče, nacházejí se jak na pevnině (Rusko, Nizozemsko, Alžírsko a další), tak pod mořským dnem (například v Severním moři).

Zemní plyn karbonský, který vznikal miliony let při přeměně prvohorních rostlin na černé uhlí, se uvolňuje při těžbě tohoto uhlí a z bezpečnostních důvodů je odsáván jako tzv. degazační plyn. Existují ovšem lokality, kde se tento druh zemního plynu těží dlouhodobě. Takové těžbě musí předcházet podrobný průzkum vlastností ložiska a uhlí a pro dosažení větší výtěžnosti často i umělé zvýšení propustnosti uhelných slojí.

Před dálkovou dopravou je nutné zemní plyn upravit na požadovanou kvalitu, aby ho bylo možné následně komerčně využít. Technologie čištění se přitom liší, jelikož jsou závislé na konkrétním složení plynu.

Teorie vzniku zemního plynu

Teorií vzniku zemního plynu existuje více. V principu je lze rozdělit do dvou kategorií – organické a anorganické.

Organické teorie označují jako příčinu vzniku zemního plynu postupné uvolňování při vzniku ropy nebo uhlí jako důsledek postupného rozkladu organického materiálu. Podle těchto teorií byly tedy na samém počátku rostlinné a živočišné zbytky. Ve prospěch teorie svědčí fakt, že se zemní plyn vyskytuje právě v ložiscích ropy nebo uhlí.

Podle anorganické teorie stojí za vznikem zemního plynu řada chemických reakcí anorganických látek.

Jednou z posledních teorií, se kterou přišli američtí vědci, je vznik zemního plynu postupným štěpením uhlovodíků, které se na naší planetu dostaly v době jejího vzniku. Podle této teorie vznikl postupným štěpením vyšších uhlovodíků methan (CH4), který následně začal pronikat k povrchu země.

Vlastnosti zemního plynu a dělení topných plynů

Zemní plyn je bezbarvý, sám o sobě nezapáchající, hořlavý plyn. Je nejedovatý, nedýchatelný a lehčí než vzduch. Co se složení zemního plynu týče, hlavní složkou je methan. Dále se v něm vyskytují vyšší uhlovodíky a malé množství inertních plynů.

V následující tabulce jsou uvedeny průměrné hodnoty pro sledované vlastnosti zemního plynu.

Pro energetické účely se v historii plynárenství používaly různé plyny. Významného postavení ovšem dosáhly pouze plyny vyrobené tzv. zplyněním nebo odplyněním uhlí, zemní plyny a kapalné plyny na bázi propanu a butanu.

Celkově se topné plyny dělí následovně:

1. Topné plyny vyrobené odplyněním nebo zplyněním uhlí – jsou středně výhřevné plyny a v ČR jsou známy jako koksárenský plyn nebo svítiplyn. Co se týče složení, rozhodujícími složkami jsou metan, vodík, oxid uhelnatý, dále dusík, oxid uhličitý a vyšší uhlovodíky. Kvůli vysokému obsahu oxidu uhelnatého se jedná o plyny jedovaté. Spalné teplo těchto plynů je v rozmezí 19 – 20 MJ/m3.
2. Topné plyny s vysokým obsahem methanu – je skupina velmi výhřevných plynů se spalným od 20 MJ/m3 (bioplyny, karbonské plyny s vysokým obsahem inertních plynů) do 40 MJ/m3 (zemní plyn karbonský i naftový). V případě vyššího obsahu vyšších uhlovodíků může být spalné teplo ještě vyšší.
3. Topné plyny na bázi propanu a butanu – jsou vysoce výhřevné plyny. V České republice jsou využívány buď samostatně nebo jako směs pod názvem propan-butan. Na rozdíl od výše uvedených plynů jsou dodávány v kapalném stavu. Co se spalného tepla týče, leží v intervalu od 101,7 MJ/m3 (čistý propan) do 133,9 MJ/m3 (čistý butan).

Druhy těženého zemního plynu

Podle složení se těžený zemní plyn dělí do čtyř skupin:

1. zemní plyn suchý (chudý) – s vysokým obsahem metanu (95 – 98 %) a nepatrným množstvím vyšších uhlovodíků
2. zemní plyn vlhký (bohatý) – kromě metanu obsahuje vyšší podíl vyšších uhlovodíků
3. zemní plyn kyselý – plyn s vysokým obsahem sulfanu (H2S), který je před dodávkou zemního plynu do distribuční soustavy nutné odstranit
4. zemní plyn s vyšším obsahem inertních plynů – obsažen oxid uhličitý a dusík

Ze skupiny vyšších uhlovodíků obsahuje zemní plyn především nasycené uhlovodíky, které jsou za normálních podmínek plynné, a to etan, propan a butan. V některých ložiscích obsahuje zemní plyn také uhlovodíky, které jsou za normálních podmínek kapalné (od pentanu výše). Ty se při úpravě oddělují jako plynový kondenzát.

V následující tabulce jsou uvedeny příklady složení některých zemních plynů.

V současné době nejvyužívanějším zemním plynem je zemní plyn naftový, který vznikal společně s ropou. Při společné těžbě je získáván zpravidla vlhký zemní plyn. Některá ložiska přitom obsahují pouze zemní plyn bez ropy.

Pokud je těžen plyn karbonský, jedná se zpravidla o suchý zemní plyn. Jak je již uvedeno výše, tento plyn se z bezpečnostních důvodů odtěžuje při těžbě černého uhlí.

Jak probíhá proces „výroby“ tepla?

Pro začátek je třeba uvést, že při spalování zemního plynu platí dva známé fyzikální zákony – zákon zachování hmoty a zákon zachování energie. Spalováním tedy není energie vyráběna, ale probíhá přeměna uložené energie na energii tepelnou.

Při dokonalém spalování zemního plynu dochází k jeho  chemické přeměně na směs oxidu  uhličitého a vodní páry.  Každá chemická sloučenina má přitom určitou hodnotu tzv.  slučovacího čísla, které udává energetický potenciál sloučeniny v  chemické reakci.

Další důležitou veličinou spojenou se spalování zemního plynu  je reakční teplo. Je to teplo,  které se při reakci vymění s okolím a vypočítá se jako rozdíl sumy slučovacích tepel látek  vstupujících do reakce a látek z reakce vystupujících. V praxi se pro tyto hodnoty používají  termíny výhřevnost (pokud je veškerá vzniklá voda ve formě páry) a spalné teplo (pokud veškerá vodní pára zkondenzovala na kapalnou vodu).

Proces spalování zemního plynu lze jednoduše popsat následující chemickou rovnicí:

CH4 + 2 O2 => CO2 + 2H2O