Metan, ukládání uhlíku a fotovoltaika. Nová energetická strategie?0

Získávání metanu z hydrátů v oceánu nebo ložisek v permafrostu, jeho štěpení na vodík a tuhý uhlík a využívání vodíku pro výroby elektřiny a tepla souběžně s využitím obnovitelných zdrojů energie. Mohla by to být dočasně udržitelná energetika?

Nedávno jsem psal o možnostech těžby břidlicového plynu. Trochu pesimistický výhled ohledně těžby u nás jsem uzavřel tímto tvrzením: „Pokud země jako USA, Kanada a v Evropě třeba Polsko budou břidlicový plyn těžit ve znatelném množství, sníží se zřejmě jeho cena“.

„Je  lepší problémy s břidlicovým plynem a hydráty metanu řešit, než je zavrhnout.“

Reklama

Myslím, že stojí za připomenutí, že to není jen plyn těžený z břidlic, který může přispět ke snížení ceny plynu (metanu) na trhu.

Je břidlicový plyn spásou pro evropskou energetiku nebo budoucí ekologický průšvih?

Břidlicový plyn, proč se o něm tolik mluví? Jak se těží břidlicový plyn Břidlicový plyn by mohl pokrýt až desetinu naší spotřeby, říká Česká plynárenská unie Jaká jsou rizika při těžbě břidlicového plynu

Hydráty metanu

Už mnoho let se ví, že vůbec největší zásoby metanu (a možná největší zásoby fosilního paliva vůbec) jsou hydráty metanu, uložené na mořském dně, na okrajích kontinentálních šelfů, a ve věčně zmrzlé půdě (permafrost) severní tundry. Zajímavý zdroj představuje významnou příležitost pro energetiku a neméně významná rizika pro klimatický systém naší planety. Hydrát metanu je z hlediska chemického zvláštní sloučenina. Voda totiž díky takzvaným „vodíkovým můstkům“ krystaluje nikoli tak, že se molekuly natěsnají do nejtěsnějšího možného uspořádání, ale naopak se při tuhnutí mezi nimi udělají mezery. Led je proto lehčí než kapalná voda, což je u kapalin dost neobvyklé. Mezery či dutiny v krystalické mřížce jsou natolik velké, že se do nich malá molekula metanu CH₄ může, za vhodných podmínek, vmezeřit.

Schematické znázornění struktury hydrátu metanu. Zdroj: Wikipedia

Vhodné podmínky nastávají na dně moří v hloubkách 1000 metrů a teplotě několik stupňů nad, nulou nebo ve věčně zmrzlé půdě (permafrostu). Hydrát metanu vypadá jako obyčejný led a průměrně obsahuje v 1 dm³ skoro 170 litrů metanu. Někdy se mu říká „hořlavý led“, protože při tání se metan uvolňuje, který se dá zapálit.

„Hořlavý“ led.
Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/Methane_clathrate

Vypadá to, že jako první se o praktické využití pokusí Čína. Velká ložiska byla totiž nalezena v Tibetu a čínské ministerstvo půdy a přírodních zdrojů dokonce oznámilo, že jde o „triumfální objev řešící energetickou soběstačnost země“. Také se objevily zprávy, že Čína chystá průzkum podmořských ložisek hydrátů metanu v jihočínském moři a dokonce se údajně s hydráty metanu počítá v pětiletém plánu 2011-2015.

Jaká jsou rizika těžby hydrátů metanu?

Proč se do těžby pouští právě Číňané? A ne třeba Japonci, kteří se tím zabývají už dlouho? Možná proto, že Čína se tolik nebojí riskovat. Asi největší riziko těžby hydrátů metanu je totiž narušení stability ložisek a únik velkého množství metanu do atmosféry. Metan je silnější skleníkový plyn než CO₂ a panují tedy celkem oprávněné obavy z urychlení klimatických změn.

Objevil se dokonce zajímavý argument pro urychlenou těžbu hydrátů metanu z permafrostu. Podle zjištění vědců se totiž půda v těchto oblastech otepluje zhruba o půl stupně za deset let (měřeno v hloubce šesti metrů). Údajně by bylo nejlepší hydráty metanu vytěžit dříve, než půda roztaje.

Energetická koncepce s využitím bezemisního metanu

Hlavní problém našeho světa zřejmě není v tom, že bychom zdroje fosilních paliv vyčerpali. Pokud se jedná o plyn, toho je tolik, že stále rostoucí těžba a spotřeba může významně negativně ovlivnit klimatický systém. Jak velká těžba a následné využití bude, nejspíš rozhodnou rychle se rozvíjející země jako je Čína nebo Indie či Brazilie. Mají velký hlad po energetických surovinách a zpravidla si tolik nelámou hlavu s případnými následky. Přesto se domnívám, že rozvinuté země by mohly (a měly) něco v tomto směru podniknout. Nemá smysl snažit se těžbě bránit, stejně na to nemáme žádné nástroje. Lepší by asi bylo věnovat úsilí výzkumu a vytvořit model využití tohoto zdroje: ekonomicky výhodný a přitom šetrný k životnímu prostředí, v tomto případě ke klimatu. Raději se pokusit problémy s břidlicovým plynem a hydráty metanu řešit, než než tyto zdroje jenom předem zavrhnout.

Pokud by se totiž opravdu podařilo v blízké budoucnosti úspěšně získávat velká množství metanu, pak by bylo možné vytvořit energetickou koncepci, kde by se relativně levný a dostupný metan mohl stát základní energetickou surovinou, která by umožnila nahradit uran, uhlí i ropu a současně by dokázala výrazně zvýšit využitelnost obnovitelných zdrojů energie (zvláště fotovoltaiky). Pokud bychom část takto získané, relativně levné, energie „obětovali“ tak by šlo i minimalizovat  emise CO₂ a dalších škodlivých látek do ovzduší. Zní to sice jako sci-fi, ale zajímavé je, že vlastně skoro všechny technologie jsou už známé a zčásti i vyzkoušené. Jediný důvod, proč se to nedělá, je ten, že zemní plyn je zatím drahý a globální změna klimatu relativně nevýrazná.

Zachycování a ukládání uhlíku

Jednou z možností, jak využívat fosilní paliva bez škodlivých emisí CO₂ je metoda zachycování uhlíku ze spalin a jeho ukládání ve formě CO₂ pod zem do vytěžených ložisek plynu či ropy, zavodněných geologických formací nebo na dno oceánu.

Zdroj: Wikipedie

Dokonce je možné jej zkapalněný uložit na dno oceánu, kde vytvoří jezírka, která se rychle pokryjí tuhým  hydrátem kyseliny uhličité, a která jsou údajně dlouhodobě stabilní. Pro střednědobé ukládání uhlíku je to asi postačující, nicméně pokud bychom chtěli ukládat uhlík na dobu v řádu stovek let, tak nemáme dostatek informací. Nevíme, jak se budou taková úložiště chovat, kolik CO₂ z nich může uniknout či jaké další problémy to může způsobit.

Některé metody uvažují i o zachycování CO₂ přímo z ovzduší například pomocí pěstování stromů. Podmínkou je, že takto získané dřevo by se nesmělo používat jako palivo; mohlo by se ale využít například ke stavbě domů. V angličtině se používá termín „Carbon capture and storage“, zkratka CCS. Když si zadáte tuto frázi do vyhledávače, najdete spoustu odkazů.

O různých technikách CCS se uvažuje už dlouhá léta, ale zatím se jich využívá jen velmi málo. Jednak proto, že to zvyšuje cenu vyrobené energie a jsou s tím spojená jistá rizika zpětného úniku CO₂ do atmosféry. Pěkně je to rozebráno v článku B. Bechníka.

Uvažuje se o třech fázích zachycování a oddělení uhlíku z paliva:

1. Spalování se vzduchem a separace CO₂ ze spalin (post combustion). Nevýhodou je nutnost oddělovat CO₂ od značného přebytku N₂.
2. Spalování s kyslíkem a separace CO₂ ze spalin (Oxy-Fuel), výhodou je, že spaliny jsou po vykondenzování vody tvořeny už jen CO₂.
3. Zplynování paliva a separace CO₂ z takto vyrobeného plynu (pre combustion, IGCC)

Autor dochází k závěru, že technologie CCS není trvale udržitelná. Podle něj umožňuje pouze přesunout řešení současných problémů do budoucnosti a sama tato technologie další problémy vyvolává. Podle jeho názoru je na planetě při troše skromnosti dostatek zdrojů pro spokojený život více než 10 miliard lidí. S tím lze do jisté míry souhlasit, mám ale dvě výhrady. Při současném tempu růstu populace těch 10 miliard asi nebude zdaleka konečné číslo. Vezmeme-li v úvahu rychlý vzestup životní úrovně v Indii, Číně a dalších rozvojových zemích, tak soudím, že bude třeba asi více než jen „troška skromnosti“. Navíc mám dojem, že skromnosti se nám nedostává ještě více než energie.

Pokud bychom nicméně používali jako palivo levný a dostupný metan, existuje ještě další možnost jak zabránit emisím CO₂.a současně neriskovat problémy s jeho ukládáním. Oddělit uhlík od vodíku lze ještě před spalováním, a k výrobě energie pak použít jen vodík. Metan se totiž dá za vysoké teploty a pomocí vhodného katalyzátoru snadno rozštěpit na uhlík a vodík. CH₄ → C + 2H_2.
Takto získaný uhlík ve formě mikrokrystalického grafitu je zcela inertní tuhá látka. Tento rozklad se používá již dlouho, například jako jedna z metod přípravy uhlíkové černi do barev a tuší. Za určitých podmínek (vysoká teplota a tlak) je dokonce možné získat uhlík ve formě diamantu. To už ale není zajímavé z hlediska energetického.

Rozklad metanu je endotermní proces, vyžaduje tedy dodání energie (37,8 kJ/mol H₂), nicméně není tak energeticky náročný jako parní reforming, který se běžně k výrobě vodíku z metanu využívá (63,3 kJ/mol H₂).

Z hlediska energetického je to samozřejmě dost marnotratné, přijdeme o více než třetinu tepla, které bychom získali při přímém spalování metanu. Nicméně pokud by byl metanu dostatek, pak bychom si mohli nějakou marnotratnost dovolit. Vodík jako palivo má navíc některé výhody. Tou hlavní je, že jej umíme přeměnit na elektřinu přímo pomocí palivových článků, jejichž účinnost není omezena druhým zákonem termodynamiky, na rozdíl od účinnosti tepelných strojů jako je spalovací motor nebo parní turbína. Palivový článek je také zařízení bez pohyblivých dílů, které pracuje bezhlučně a nevyžaduje tolik údržby. Mohou být libovolně malé a mohou se používat k pohonu automobilů nebo jako malé kogenerační jednotky vyrábějící elektřinu a teplo pro domy.

V zimním období, kdy je nedostatek slunečního svitu, je dobře využitelné teplo odpadající při výrobě elektřiny v palivových článcích a v letním období zase můžeme naplno využít například fotovoltaické panely. Palivové články jsou také využitelné jako vysoce pohotové zdroje pro vyrovnávání nepravidelností v dodávkách energie z větru či fotovoltaiky. O využívání vodíku jako „nosiče“ i „akumulátoru“  energie ve spojení s obnovitelnými zdroji se uvažuje už dlouho.

Hlavní výhoda tohoto procesu (štěpení metanu) ale podle mého názoru spočívá v tom, že uhlík odpadá v tuhé a inertní formě, která se dá snadno a bez rizika skladovat po prakticky neomezenou dobu. Navíc se určité množství uhlíku dá využít i v průmyslu. Je dokonce možné, že velké množství odpadního uhlíku by našlo použití při třeba výrobě  stavebních materiálů podobně jako popílek nebo energetický sádrovec (z odsiřování uhlí) nebo jiné odpady z energetiky.

Závěr

Získávání metanu z hydrátů v oceánu nebo ložisek v permafrostu, jeho štěpení na vodík a tuhý uhlík a využívání vodíku pro výroby elektřiny a tepla souběžně s využitím obnovitelných zdrojů energie by mohla být „dočasně udržitelná“ energetika. Mám na mysli časové období dostatečně dlouhé na to, aby se mezitím vyřešila výroba energie jadernou fúzí nebo problém skladování energie z obnovitelných zdrojů. Netvrdím, že se vývoj bude ubírat tímto směrem, možností je mnoho, a problémů ještě více. Domnívám se však, že při opuštění jaderné energie a v době, kdy nemáme žádnou rozumnou možnost sezonního ukládání energie z fotovoltaických elektráren, by se nám metan z hydrátů docela hodil. Uvidíme, zda se dočkáme nějakého zajímavého vývoje v této oblasti.