Carbon Capture & Storage (CCS) - Jak se zbavit CO2? Uložit do země!

Emise CO2 jsou podle mínění mnohých největším viníkem klimatických změn. Jak se jich zbavit? Jedním z řešení je technologie Carbon Capture & Storage, která se zabývá možností ukládání přebytečného oxidu v hlubinách Země. Jak fungují první reaktory a co dokáží? Kde jsou naopak rizika?

Technologie Carbon Capture & Storage (CCS) je pro bojovníky proti klimatickým změnám potažmo emisím skleníkových plynů zosobněním technického pokroku. O takovéto technologii již dávno snili. Ostatně, už ji rovněž zapracovali do svých futuristických energetických koncepcí. Ve svém minulém článku jsem psal o studii Světového fondu na ochranu přírody (WWF), která v budoucnu počítá s výrazným využitím technologie. Ve své projekci na ni postavil budoucí světovou elektroenergetiku.

„Geniálně jednoduché - uhlík jsme původně vykopali ze země, tak jej tam prostě znovu zakopeme. Opravdu?“

Pojďme se tedy trochu blíže seznámit s technologickým zázrakem, který zachrání naši planetu před klimatickými změnami.

Co je to technologie Carbon Capture & Storage (zachycování a ukládání uhlíku)?

V podstatě se jedná o doplňková technická zařízení, která jsou začleněna do technologických systémů úpravy spalin klasických tepelných elektráren na fosilní paliva. Úkolem zařízení je zachytit CO₂ vznikající v procesu spalování v kotli elektrárny, plyn dále vhodným způsobem zpracovat a následně kontrolovaným způsobem uložit v bezpečném trvalém úložišti.

Už CCS skutečně někde funguje?

Jedním z nejpropracovanějších projektů technologie CCS na světě v současné době disponuje energetický koncern Vattenfall. Technici spustili v dubnu 2007 testovací jednotku o výkonu 0,5 MWt a nedávno (konkrétně 9. září 2008) za účasti politických elit uvedli jako první na světě do provozu pilotní CCS elektrárnu Schwarze Pumpe (Lausitz) o výkonu 30 MWt.

Pilotní CCS elektrárna Schwarze Pumpe (Lausitz, NSR). Zdroj: Vattenfall Europe AG

Jaké technologie separace CO₂ jsou k dispozici?

V principu lze využít několik základních technologií, jak se zbavit nežádoucího CO₂ ve spalinách:

1) Spalování paliva se vzduchem a následná separace CO2 ze spalin („post combustion capture“)
Jak již vypovídá samotný název, technologické zařízení CCS zachycuje CO₂ po spálení paliva v kotli, tj. v systému zpracování spalin. Jedná se o „první generaci“ technologie CCS. Nevýhodou tohoto technického řešení je, že CO₂ má ve spalinách poměrně nízkou koncentraci (cca 15%) a zařízení musí zpracovávat ohromné množství spalin, včetně oxidů dusíku (NO_x).

2) Spalování paliva s čistým kyslíkem a následná separace CO2 ze spalin („Oxy-Fuel“)
Jedná se o „druhou generaci“ technologie CCS. Tímto způsobem docílíme nižších množství zpracovávaného plynu a vyhneme se následným potížím se zpracováním oxidů dusíku (NOx), které samy o sobě přinášejí značné komplikace z hlediska ochrany ovzduší. Rovněž docílíme zvýšení výsledné koncentrace CO₂ ve spalinách, která v tomto případě dosahuje až 98%.

3) Zplynování paliva před spálením, konverze CO z plynu na CO2, separace CO2 a vodíku a následné spalování čistého vodíku („pre combustion capture“ resp. IGCC - Integrated Gasification Combined Cycle)
Technologie IGCC jsou v současné době nejpropracovanější technická řešení, která lze využít pro zachycování a separaci CO2. Tyto technologie však byly v minulosti primárně vyvíjeny za účelem zplyňování uhlí v chemickém průmyslu a až následně se začaly modifikovat i pro technologie CCS. Proto je IGCC prakticky neslučitelná s fungováním již vybudovaných fosilních elektráren. Velmi zjednodušeně řečeno se jedná o chemickou továrnu, kterou je nutné „naroubovat“ na vybudovanou klasickou elektrárnu, což lze zajistit pouze u nově budovaných zařízení.

Pilotní CCS elektrárna Schwarze Pumpe (základní technologické objekty). Zdroj: Vattenfall Europe AG

Vzhledem k výše uvedeným skutečnostem a záměru provozovatele prozkoumat technologie, které by případně bylo možné využít pro rekonstrukce stávajících elektráren na fosilní paliva, bylo rozhodnuto o prověření technické varianty č. 2 (Oxy-Fuel).  

Jak to celé funguje?

Technicky orientovaní zájemci z řad čtenářů se mohou v druhé kapitole článku (otevře se v samostatném okně) podrobněji seznámit s grafickou prezentací základních technologických objektů a principu funkce CCS elektrárny typu Oxy-Fuel (převzato z německých zdrojů, legenda v češtině). Ostatní čtenáři mohou pokračovat následujícím odstavcem.

Základní princip funkce „Oxy-Fuel“ technologie

V případě „Oxy-Fuel“ technologie není práškové uhlí spalováno v kotli elektrárny v normálním vzduchu, nýbrž ve směsi čistého kyslíku a recyklovaných spalin. Do kotle se takto vrací zhruba 75% CO₂ vznikajícího při hoření paliva. Aby bylo možné přivádět do kotle čistý kyslík, musí být v systému přívodu vzduchu do kotle instalována separační jednotka, v které je z přiváděného vzduchu odseparován dusík a další plyny. Ty jsou odváděny mimo systém spalování, tj. vůbec nevstupují do kotle.

Spaliny z kotle jsou následně zpracovávány obdobným způsobem jako v současných moderních uhelných elektrárnách, tj. prochází elektrostatickými odlučovači popílku, odsiřovací jednotkou a dalšími technologickými čistícími jednotkami.

Po odsíření spalin pracujeme s plynem s velmi vysokou koncentrací CO₂ (až 98%) a obsahem vodní páry. Plyn následně vstupuje do chladiče, kde dochází ke kondenzaci vody. Na konci tohoto technologického řetězce tedy získáme téměř čistý CO2, který je následně transportován kompresorem do zpracovací jednotky. Tam je buď zkapalněn a přečerpán do transportních vozidel, nebo stlačen na požadovaný transportní tlak a potrubím dopraven na konečné úložiště.

Kde se má CO₂ ukládat?

Zpracovaný CO2 je možné ukládat ve vhodných geologických formacích pod zemským povrchem nebo v hlubinách oceánu. Pro ukládání CO2 jsou m.j. potenciálně vhodné následující geologické formace: 

1. tzv. „červená jalovina“ v hloubce cca 3500 m pod zemským povrchem
2. podzemní vodní jezera (tzv. aquifery)
3. vytěžená ložiska ropy a zemního plynu
4. produkční ložiska ropy a zemního plynu (injektáž tlakového CO2 má zároveň umožnit lepší dotěžení ropy a zemního plynu)

Některé z potenciálních možností ukládání CO2. Zdroj: Vattenfall Europe AG 

Má proces CCS nějakou chybu?

Bohužel ano, a to hned několik a poměrně zásadních.

1) Energetická bilance procesu CCS

Jak si již pozorní čtenáři zajisté všimli v grafické prezentaci zjednodušeného technologického schématu elektrárny, u separační jednotky a kompresoru na CO₂ jsou zobrazeny šipky s označením přívodu elektrické energie. Rovněž další technologická zařízení v systému separace, zpracování a transportu CO₂ vyžadují přívod energie. Energetické nároky rozhodně nejsou zanedbatelné. Celkově to znamená výrazné zvýšení vlastní spotřeby elektrárny, což ve svém důsledku přináší snížení její čisté účinnosti přibližně o 6-14 % a navýšení spotřeby paliva o 20-40 %. 

2) Uhlíková bilance procesu CCS

Naším primárním a nejušlechtilejším cílem je zmenšit množství emitovaného CO₂ – kvůli tomu byla energie CCS vyvinuta. Jak jsem však uvedl výše, technologie separace a zpracování CO₂ je energeticky náročná. Nebo-li musím v elektrárně spalovat více fosilního paliva, abych mohl vyrobit elektřinu potřebnou pro pohon doplňkových technických zařízení na separaci a zpracování CO₂ a zároveň tím tedy produkuji další „dodatečný“ CO₂. Rovněž tak technologie vlastní přepravy a ukládání CO₂ vyžaduje určité množství energie a fosilních paliv (ať už se jedná o přepravu potrubím, automobily, loděmi apod.).

Pokud má mít celá technologie nějaký smysl, výsledná uhlíková bilance procesu CCS musí zůstat záporná, a to, pokud možno, co nejvýrazněji. Jinými slovy množství zachyceného a uloženého CO₂ (položka mínus) musí být větší než navýšení emisí CO₂ způsobené dodatečnou spotřebou energie a fosilních paliv na technologie zachycování, transportu a ukládání CO₂  (položka plus). Pokud by provozovatel elektrárny např. chtěl loděmi přepravovat zachycený CO₂ ve formě zkapalněného plynu z německých elektráren do ropných ložisek na Blízkém východě, mohl by mít s uhlíkovou bilancí problém. Podotýkám, že toto je teoretický příklad vymyšlený autorem článku pouze pro názornou ilustraci problému.

3) Kapacita a budoucí využití potenciálních úložišť CO₂

V současné době je kapacita odhadována na zhruba 70násobek celosvětové roční produkce CO₂. Rovněž je nutno připomenout, že po injektáži CO₂ je (bývalé) ložisko čehokoliv navždy zapovězeno pro budoucí těžbu modernější technologií popř. jakékoliv jiné využití. Bude to natlakovaná plynová láhev čekající na vhodné podmínky k vypuštění plynu.

Projekt Sleipner A již ukládá CO2 pod dno Severního moře

4) Bezpečnostní rizika úložišť CO₂

Geologické formace samozřejmě nejsou certifikované tlakové nádrže. Lze předpokládat, že CO₂ bude z úložiště v určité míře unikat podél geologických zlomů. Takže je pouze otázkou času (možná i tisíciletí), kdy uskladněný plyn postupně unikne.

Ukládaný CO₂ má být skladován v plynné formě pod vysokým tlakem. Zvýšení tlaku v úložišti může způsobit mikrozemětřesení s rizikem narušení nadložních vrstev a náhlého a nepředvídatelného masového úniku CO₂. 

Problém je v tom, že CO₂ přestává být ve vyšších koncentracích neškodným sodovkovým plynem a zabíjí. Uvádí se, že objemová koncentrace CO₂ okolo 8 % zabije člověka do 30–60 minut. 

Nechci čtenáře přespříliš strašit, ale k podobné katastrofě spojené s únikem CO₂ z podzemí již došlo 21. srpna 1986 u jezera Nyos v severozápadním Kamerunu. Předpokládaný únik CO₂ při jezerní zemětřesné erupci byl zpětně vyčíslen vyšetřovací komisí na 1,6 milionu tun. Podle dostupných zdrojů bylo v okolí 20 km od jezera udušeno údajně až 1700 lidí a 3500 hospodářských zvířat.

Z bezpečnostního hlediska je zcela absurdní, že technologie CCS prosazují lidé, kteří velmi rádi a velmi často hovoří o potenciálních a mnohdy až zcela hypotetických bezpečnostních rizicích hlubinných úložišť jaderného odpadu, ale velmi reálná bezpečnostní rizika úložišť stovek milionů kubíků CO₂ je nechávají zcela v klidu. Ochranu životního prostředí si osobně představuji poněkud jinak, především z hlediska nezaujatého posuzování možných bezpečnostních rizik.

Budoucnost Carbon Capture & Storage (CCS)

Technologie Carbon Capture & Storage (CCS) jsou teprve v plenkách. Doposud nejsou veřejně k dispozici ani data z pilotní elektrárny Schwarze Pumpe v Lausitz. V roce 2012-2015 má být uvedena do provozu první demonstrační elektrárna průmyslové velikosti o výkonu 300-500 MWe, což bude první zlomový bod, kdy se naplno projeví veškeré výhody či nevýhody technologie CCS. V současné době jsem opravdu na pochybách, zda technologie CCS mají vůbec nějaký smysl z hlediska výsledné energetické a uhlíkové bilance. A bezpečnostní rizika trvalých úložišť CO₂ jsou zcela nepochybně nesrovnatelně vyšší než u trvalých úložišť jaderného odpadu. Dočkejme tedy času, v průběhu několika let budeme vědět víc.

(Další články na téma Energie lze nalézt na osobním blogu autora).

Kapitoly článku

• • Technologie Carbon Capture & Storage
• • Jak funguje elektrárna na principu CCS?

Související články

• • EURO 5: Zdraží emisní limity automobily?
• • WWF: Důvody, proč Česko nejvíce zatěžuje planetu
• • Emisní povolenky – zdraží elektřinu proti globálnímu oteplování?
• • Kritika studie WWF: Energetické plány jsou nerealizovatelné
• • Google „ničí“ planetu, dýchání taky! (glosa)

Tagy: Energie, Doprava, Dům a zahrada, Ze světa, Události, Komentáře, Věda, Energetika, Vytápění, Emise, NazelenoPlus, Emise CO2, Globální oteplování, Politika

• Katalog firem
  úspory energií, obnovitelné zdroje
• Poradna
  nechte si poradit od odborníků
• Rodinný dům plný úspor
  interaktivní tipy na úspory
• Najdeme vám dodavatele
  poptávky na zateplení, tepelná čerpadla, výměnu oken
• Kalkulačky úspor
  spočítejte si náklady na fotovoltaiku či dotace
• Aktuální zpravodajství
  nenechte si ujít žádnou novinku

Nejlepší články ze Světa bydlení