CCS = Separace CO₂ a jeho ukládání v geologických formacích

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.