Technologie zachycování CO2

admin

Zachycování a ukládání uhlíku (CCS) je kombinace technologií, jejichž cílem je zabránit uvolňování CO2 vznikajícího při konvenční výrobě energie a v průmyslových výrobních procesech jeho ukládáním do vhodných podzemních zásobníků. Technologie zachycování v podstatě odděluje emise CO2 z procesu, poté je stlačený CO2 dopraven do vhodného geologického úložiště a injektován. Mezi schůdné způsoby přepravy CO2 patří jak potrubí, tak lodní doprava. Mezi vhodná geologická úložiště CO2 patří opuštěná ropná a plynová pole, hluboké slané formace a netěžitelné uhelné sloje. Dominantním důvodem pro provádění zachycování a ukládání uhlíku (CCS) je snižování emisí CO2 z průmyslu a výroby energie; bez pobídek k takovému snižování emisí lze očekávat jen málo CCS. Zavedení CCS v průmyslu a energetice by umožnilo pokračovat ve využívání fosilních paliv při výrazném snížení emisí CO2. Úplný řetězec CCS však zatím nebyl zaveden a přetrvává mnoho technických, environmentálních a ekonomických nejistot.

Představení technologií zachycování CO2

Existuje několik technologií, které se používají při zachycování, přepravě a geologickém ukládání CO2. Většina výzkumu a vývoje byla zaměřena na zlepšení účinnosti technologií používaných k oddělení CO2 od ostatních sloučenin, které jsou běžně emitovány průmyslovým procesem. Tyto technologie se obecně označují jako „technologie zachycování“. Procesy zachycování lze rozdělit do tří kategorií, přičemž vhodnost jednotlivých přístupů závisí na daném průmyslovém procesu nebo typu elektrárny.

  1. Post-combustion: CO2 se odstraňuje ze spalin vznikajících při spalování fosilního paliva. Separace po spalování zahrnuje použití rozpouštědla k zachycení CO2. Mezi typické aplikace této technologie patří uhelné elektrárny s práškovým spalováním (PC) a elektrárny s kombinovaným cyklem na zemní plyn (NGCC). Tato technologie je vhodná zejména pro modernizaci (Parliamentary Office of Science & Technology, 2009).
  2. Předspalování: Primární palivo v procesu reaguje s párou a vzduchem nebo kyslíkem a přeměňuje se na směs oxidu uhelnatého a vodíku, často nazývanou „synplyn“. Oxid uhelnatý se následně ve „směnném reaktoru“ přemění na CO2. CO2 se pak může oddělit a vodík se použije k výrobě elektřiny a/nebo tepla. Tato technologie je vhodná zejména pro použití v elektrárnách s integrovaným zplyňovacím kombinovaným cyklem (IGCC) (IPCC, 2005).
  3. Oxy-fuel combustion: Primární palivo se spaluje v kyslíku namísto vzduchu, čímž vznikají spaliny obsahující především vodní páru a vysokou koncentraci CO2 (80 %). Spaliny se následně ochlazují, aby došlo ke kondenzaci vodní páry, čímž vzniká téměř čistý proud CO2. Pro výrobu kyslíku ze vzduchu in situ je nutné další zařízení (Mckinsey & Company, 2008).

Průmyslové procesy: Separační technologie lze využít také v různých průmyslových odvětvích, například při zpracování zemního plynu a při výrobě oceli, cementu a čpavku (IPCC, 2005).

Zachytávání a ukládání uhlíku (CCS) by mohlo zachytit 85-95 % veškerého vyprodukovaného CO2 (IPCC, 2005), ale čisté snížení emisí se pohybuje v rozmezí 72-90 % vzhledem k energii, kterou stojí separace CO2, a k předcházejícím emisím (Viebahn a kol..),

Jakmile je CO2 z procesu účinně „zachycen“, bude nutné jej dopravit na vhodné místo k uložení. Nejefektivněji se CO2 přepravuje, když je stlačen na tlak vyšší než 7,4 MPa a teplotu vyšší než přibližně 31˚C. Za těchto podmínek vykazuje CO2 nadkritické vlastnosti; je to kapalina s vlastnostmi plynu. Proto by se CO2 za normálních okolností přepravoval za vysokých tlaků v potrubích z uhlíkové oceli, ne nepodobných běžným plynovodům, nebo v lodích, pokud je třeba překonat velkou vodní plochu. Potrubí pro CO2 již ve velkém měřítku existují, i když především v řídce obydlených oblastech, zejména v USA pro zvýšenou těžbu ropy (EOR). Lodě s CO2 zatím nebyly realizovány, ale je nepravděpodobné, že by způsobovaly technické problémy.

Vhodnými místy pro ukládání CO2 jsou opuštěná ropná a plynová pole nebo hluboké solné formace s předpokládanou minimální hloubkou 800 m, kde jsou okolní teplota a tlaky dostatečně vysoké, aby se CO2 udržel v kapalném nebo nadkritickém stavu. Migraci CO2 z úložiště brání kombinace fyzikálních a geofyzikálních mechanismů zachycení (IPCC, 2005). Technologie používané k vtláčení CO2 jsou podobné technologiím používaným v ropném a plynárenském průmyslu. Kromě vrtů a zařízení pro vtláčení jsou nezbytné technologie měření a monitorování, které umožňují sledovat zbývající kapacitu úložiště a chování CO2. Zatímco některé technologie vstřikování jsou známé, vylepšení speciálně pro ukládání CO2 se stále vyvíjejí. Po dokončení injekční fáze bude třeba vrt utěsnit pomocí vhodné (obvykle cementové) „zátky“ umístěné v dostatečné hloubce, aby se zabránilo stoupání CO2 vzhůru vrtem a jeho případnému úniku nebo kontaminaci podzemních vod.

Proveditelnost technologie zachycování CO2 a provozní potřeby

Technická proveditelnost technologie zachycování a ukládání uhlíku

Použití technologií jinde naznačuje, že CCS je technicky proveditelné u většiny velkých stacionárních bodových zdrojů CO2. Technologie separace CO2 se již uplatňují při zpracování zemního plynu (NGP), kde je odstranění CO2 ze zemního plynu nezbytné pro zlepšení výhřevnosti a/nebo pro splnění specifikací plynovodu. Ukládání CO2 v kombinaci s NGP bylo úspěšně demonstrováno na ložisku plynu Sleipner v Norsku a na ložiscích plynu In Salah v Alžírsku. Na celém světě je plánována řada zařízení CCS. V průmyslovém odvětví projekt Quest CCS v kanadské Albertě zahrnuje zachycení 1,2 MtCO2 ročně z úpravny ropných písků a přepravu do hluboké solné formace k uložení. Očekává se, že projekt bude uveden do provozu v roce 2016. V odvětví energetiky je projekt Kemper County IGCC v Mississippi nově postavenou elektrárnou s integrovaným zplyňovacím kombinovaným cyklem o výkonu 600 MW, která plánuje zachytit 3,5 MtCO2 ročně a využít CO2 ke zvýšené těžbě ropy. Tento projekt je v současné době ve výstavbě a má být dokončen koncem roku 2014. Global CCS Institute identifikuje 12 projektů CCS, které jsou v současné době v provozu, a 8 projektů ve výstavbě (Global CCS Institute, 2013).

Regulační nejistota a vnímání technologie zachycování a ukládání uhlíku veřejností

Každá nová technologie s potenciálními riziky se v počáteční fázi potýká s regulační nejistotou. V případě CCS se tyto překážky právě řeší. V posledních letech došlo k úpravám mezinárodních legislativních předpisů, konkrétně Londýnského protokolu (Úmluva o zabránění znečišťování moří ukládáním odpadů a jiných látek z roku 1972 a Protokol z roku 1996) a Úmluvy OSPAR (Úmluva o ochraně mořského prostředí severovýchodního Atlantiku), aby bylo možné ukládat CO2 na moři. Přetrvává však řada právních otázek týkajících se odpovědnosti za ukládání, odpovědnosti za monitorování a přeshraniční přepravy CO2. Nedostatek regulačních rámců může potenciálně bránit pokroku projektů CCS vzhledem k související míře rizika, kterému čelí realizátoři projektů. V EU, Kanadě a Austrálii byly právní rámce pro CCS přijaty, ve Spojených státech o nich probíhají diskuse.

Postoj nevládních organizací zabývajících se ochranou životního prostředí k CCS je smíšený; zatímco některé tyto technologie podporují, jiné jsou proti nim. Sociální vědci zaznamenali obecný nedostatek informovanosti a pochopení mezi laickou veřejností. V několika obcích, kde se plánovaly projekty ukládání CO2, projevily místní zainteresované strany obavy z rizik spojených s CCS a v některých případech proti nim protestovaly. Vnímání CCS veřejností je v současné době považováno za významnou překážku, pokud demonstrační projekty CCS nebudou doprovázeny nezkresleným poskytováním informací a procesy zapojení komunity.

Vliv technologie zachycování a ukládání uhlíku na životní prostředí a jeho rizika

Zachycování a ukládání uhlíku (CCS) má potenciál výrazně snížit emise CO2 z výroby energie a průmyslových zařízení. Největším rizikem spojeným s CCS je možný únik z potrubních systémů a úložišť, ať už dočasný nebo trvalý. CO2 není jedovatý plyn, ale může vést k udušení, pokud je jeho koncentrace ve vzduchu dostatečně vysoká, například pokud k úniku dojde v uzavřené budově. Rizika úniku CO2 z potrubí se neliší například od přepravy zemního plynu, CO2 však není hořlavý. Mnoho zemí zavedlo regulační rámce a normy pro přepravu a trvalé skladování CO2, jejichž cílem je zajistit, aby takové postupy neohrožovaly bezpečnost lidí a životního prostředí.

Negativní dopady na životní prostředí související s CCS jsou spojeny s dodatečnou poptávkou po fosilních palivech v důsledku energetických sankcí za provoz zachytávací jednotky a s toxikologickými dopady souvisejícími s použitím rozpouštědel k chemickému zachycení CO2 (Zapp et al., 2012). Využití CCS je kompromisem mezi vysokým potenciálem snižování emisí CO2 a mírnými dopady na životní prostředí v důsledku snížené energetické účinnosti a dopadů na životní prostředí spojených se zachycováním CO2.

Stav technologie zachycování a ukládání uhlíku & a její budoucí tržní potenciál

V současné době existují ve světě čtyři příklady projektů CCS v plném rozsahu, všechny v průmyslovém odvětví, nikoli ve výrobě elektřiny. Kromě společnosti Weyburn, která využívá CO2 ze zařízení na zplyňování uhlí ve Spojených státech, vstřikuje norská ropná společnost Statoil od roku 1996 do hluboké slané formace pod Severním mořem přibližně milion tun CO2 odděleného ze zemního plynu ročně a od roku 2008 se podobná technologie uplatňuje v projektu Snohvit, rovněž v Norsku. Konsorcium společností BP, Statoil a Sonatrach vtláčí CO2 v lokalitě In Salah v Alžírsku, rovněž s využitím CO2 pocházejícího z těžby zemního plynu. Technologie podobná předspalovacímu zachycování se používá při výrobě hnojiv a vodíku, kde se zachycený CO2 využívá v jiných průmyslových procesech nebo se vypouští. Technologie kyslíkového spalování pro využití při výrobě elektřiny je zatím ve fázi demonstrací, ale v současné době ji v Německu testuje evropská elektrárenská společnost Vattenfall.

Kapacita globálního geologického ukládání CO2 je velká, přičemž nedávné odhady potenciálu v rámci celé pánve se pohybují mezi 8 000 Gt a 15 000 Gt (IEA, 2008b). Úroveň znalostí o potenciálu ukládání se však liší v globálním, regionálním i místním měřítku (IPCC, 2005). Odhady skladovacích kapacit jsou nejpokročilejší v Evropě, Severní Americe, Japonsku a Austrálii. Odhaduje se, že vyčerpané zásobníky ropy a zemního plynu mají celosvětovou kapacitu pro ukládání 675-900 GtCO2 a tato možnost ukládání se jeví jako vhodná vzhledem k existujícím znalostem o těchto lokalitách a také k možnosti opětovného využití stávající infrastruktury z procesů těžby ropy a zemního plynu (IPCC, 2005). Hluboké solné formace mají kapacitu pro ukládání nejméně 1000 GtCO2 a předpokládá se, že se nacházejí v mnoha světových sedimentárních pánvích. Bylo zdůrazněno, že v oblastech, kde dochází ke zrychlenému růstu spotřeby energie, včetně Číny, Indie, jihovýchodní Asie, východní Evropy a jižní Afriky, je zapotřebí více informací o kapacitě ukládání (IPCC, 2005).

Jak může technologie zachycování a ukládání uhlíku přispět k socioekonomickému rozvoji a ochraně životního prostředí

Úroveň, do jaké CCS podporuje udržitelný rozvoj, je široce diskutovaným tématem. Diskuse o povolení CCS do mechanismu čistého rozvoje Kjótského protokolu jsou příkladem rozdílných názorů zainteresovaných stran. Někteří tvrdí, že žádná technologie zahrnující spalování fosilních paliv nemůže být spojována s udržitelným rozvojem vzhledem k vyčerpatelnosti těchto zdrojů. Jiní poukazují na dopady využívání fosilních paliv, které přesahují samotné emise CO2, včetně dopadů těžby uhlí na životní prostředí (Coninck, 2008).

Klima

Jak bylo uvedeno výše, CCS by mohlo zachytit 85-95 % CO2 vyprodukovaného v zařízení (IPCC, 2005), ale čisté snížení emisí se pohybuje v rozmezí 72-90 % vzhledem k energii, kterou stojí separace CO2 a předcházející emise (Viebahn et al..), 2007)

Finanční požadavky a náklady na technologii zachycování a ukládání uhlíku

V současné době je zdaleka většina aplikací CCS ekonomicky nerealizovatelná. Dodatečné zařízení používané k zachycování a stlačování CO2 vyžaduje také značné množství energie, což zvyšuje potřebu paliva v uhelné elektrárně o 25-40 % a rovněž zvyšuje náklady (IPCC, 2005). Očekává se, že demonstrační projekty CCS v odvětví energetiky budou stát 90-130 USD/tCO2, kterým se zabrání, přičemž náklady by mohly klesnout na 50-75 USD/tCO2 pro komerční aktivity v plném rozsahu, které se uskuteční po roce 2020 (Mckinsey & Company, 2008). Tyto náklady berou v úvahu energetickou sankci za zachycování CO2, ale nikoliv předcházející emise, takže předpokládají snížení emisí o 80 až 90 % ve srovnání s konvenčním zařízením.

V poslední době se pozornost zaměřuje na hodnocení potenciálu a nákladů CCS v průmyslovém odvětví (UNIDO/IEA, 2011; ZEP, 2013). Mnoho průmyslových procesů, například primární výroba oceli, výroba cementu a rafinace ropy, pracuje na hranici energetické účinnosti a zachycování CO2 je jedinou technologií, která je schopna emise dále snížit. Náklady na aplikaci CCS v rámci průmyslu se mezi jednotlivými aplikacemi značně liší, nicméně některé náklady jsou mnohem nižší než náklady zjištěné v energetickém sektoru (viz obr. 4).

Je třeba poznamenat, že ačkoli aplikace CCS zvýší náklady na výrobu energie a průmyslovou výrobu, IEA (2008a) vypočítala, že vyloučení CCS z globálního portfolia opatření ke zmírnění dopadů zvýší náklady na dosažení stabilizace klimatu o 70 %. Na základě těchto informací lze zařazení CCS do portfolia mitigačních opatření z hlediska dlouhodobé ekonomické efektivity ospravedlnit.

Stav trhu mechanismu čistého rozvoje

Na klimatické konferenci v mexickém Cancúnu v roce 2010 rozhodla konference smluvních stran Kjótského protokolu (CMP) o zařazení projektů CCS do mechanismu čistého rozvoje (CDM).

  • Bellona, 2009. Technologie.
  • Coninck, H.C.De, 2008. Trojský kůň nebo roh hojnosti? Úvahy o povolení CCS v rámci CDM. Energy Policy 36, s. 929-936.
  • Evropská komise, 2009. Sdělení Komise Evropskému parlamentu a Radě. Demonstrace zachycování a geologického ukládání uhlíku (CCS) v rozvíjejících se rozvojových zemích: financování projektu uhelných elektráren s téměř nulovými emisemi mezi EU a Čínou. Brusel, Belgie.
  • IEA, 2008a. Perspektivy energetických technologií 2008: Scénáře a strategie do roku 2050. IEA/OECD, Paříž, Francie.
  • IEA, 2008b. Zachycování a ukládání CO2: A Key Abatement Option, IEA/OECD, Paris, France.
  • IEA, 2009. Technology roadmap – carbon capture and storage (Technologický plán – zachycování a ukládání uhlíku). Mezinárodní energetická agentura, Paříž, Francie.
  • IEA/UNIDO, 2011. . Mezinárodní energetická agentura, Paříž, Francie.
  • IPCC, 2005. Zvláštní zpráva o zachycování a ukládání oxidu uhličitého. Metz, B. a Davidson, O. a Coninck, H.C.De a Loos, M. a Meyer, L.A. (eds.). Cambridge University Press, Cambridge, Velká Británie a New York, USA, s. 442.
  • Mckinsey & Company, 2008. Zachycování a ukládání uhlíku: Assessing the economics.
  • Parlamentní úřad pro vědu a technologie, 2009. Postnote 335 – zachycování a ukládání uhlíku. Parlamentní úřad pro vědu a technologie, Londýn, Spojené království.
  • Organizace spojených národů, 1987. Zpráva Světové komise pro životní prostředí a rozvoj. Rezoluce Valného shromáždění 42/187.
  • Viebahn, P. a Nitsch, J. a Fischedick, M. a Esken, A. a Schuwer, D. a Supersberger, N. a Zuberbuhler, U. a Edenhofer, O., 2007. Srovnání zachycování a ukládání uhlíku s technologiemi obnovitelných zdrojů energie z hlediska strukturálních, ekonomických a ekologických aspektů v Německu. International Journal of Greenhouse Gas Control 1 (1), s. 121-133.
  • Zapp, P., Schreiber, A., Marx, J., Haines, M., Hake, J., Gale, J., 2012. Celkové dopady technologií CCS na životní prostředí – přístup životního cyklu. International Journal of Greenhouse Gas Control 8 (2012) 12-21
  • ZEP, 2013. „CO2 Capture and Storage (CCS) in energy-intensive industries – An indispensable route to an EU low-carbon economy“, Evropská technologická platforma pro elektrárny na fosilní paliva s nulovými emisemi, Brusel.