Geologické ukládání CO₂ >

GEOLOGICKÁ SEKVESTRACE CO₂

Úvod

V roce 2003 byl ve Washingtonu podpesán mezinárodní dokument o zachytávání a dlouhodobém skladování oxidu uhličitého, zakládající současně tzv. "Carbon Sequestration Leadership Forum". Zakládajícími členy Fóra jsou: Austrálie, Brazílie, Itálie, Indie, Japonsko, Kanada, Kolumbie, Mexiko, Norsko, Čína, Rusko, Velká Británie a USA. Nedávno bylo k účasti ve Fóru přizváno i Polsko. Cílem Fóra je podporovat vývoj technologií pro zachytávání oxidu uhličitého z průmyslových zplodin a jeho ukládání ("carbon capture and storage – CCS", „carbon dioxide sequestration“, „geosequestration“) v různých geologických formacích.

 

V současné době probíhá ve světě řada projektů řešících zachytávání a ukládání CO₂ teoreticky i poloprovozně, a to jak v rámci EU, tak dalších národních (např. USA, Kanada, Austrálie, Finsko, Japonsko) a nadnárodních programů (např. RECOPOL – mezinárodní pilotní projekt ukládání CO₂ ve vytěžených uhelných slojích hornoslezské pánve v Polsku). Hlavním cílem těchto projektů je zjistit, zda je ukládání CO₂ v geologických formacích ekologicky bezpečné a ekonomicky únosné. Investice z fondů EU do obdobných projektů se budou v následujícím období dramaticky zvyšovat. Současně příslušné instituce EU vyzývají k rozvoji mezinárodní spolupráce na poli těchto progresivních technologií.

 

Na základě Kyótského protokolu budou postupně zrušeny daňové úlevy a dotace do všech sektorů emitujících skleníkové plyny. Pro ČR jako nového člena EU to znamená závažnou výzvu k aktivnímu zapojení do mezinárodních struktur podporujících vývoj a aplikaci těchto technologií.

Principy a technologie geologické sekvestrace (geosekvestrace) CO₂

Termín geosekvestrace CO₂ představuje jeho dlouhodobé uložení v různých geologických formacích. V širším smyslu se do obsahu pojmu zahrnuje i extrakce CO₂ z kouřových (spalných) plynů nebo průmyslových plynů, jeho stlačení a případný transport do místa uložení.

Metody extrakce CO₂

Pro vlastní zachytávání CO₂ ze spalných plynů existuje řada technických možností (techniky absorpční a adsorpční, kryogenní, membránové, Carnolova technika), které jsou v současné době dále zdokonalovány a testovány. Z hlediska časového zařazení zachytávání vzhledem ke spalovacímu procesu se vyčleňují tři metody:

• zachytávání CO₂ před spalovacím procesem („pre-combustion capture“);

• zachytávání CO₂ po spalovacím procesu („post-combustion capture“);

• zachytávání CO₂ po spalování s podporou směsi O₂/CO₂ („oxyfuel combustion“);
  při použití této metody lze dosáhnout až 90% koncentrace CO₂ (při klasickém spalování pouze 12 – 15 %) v kouřových plynech a jeho extrakce je potom technicky jednodušší a levnější.

Doprava CO₂

Dioxid uhličitý lze skladovat a dopravovat v plynném, kapalném nebo pevném skupenství. Zkapalňování nebo solidifikace CO₂ ovšem vyžadují vysoké dodatečné náklady a značné energetické vstupy, které by negativně ovlivnily celkovou energetickou bilanci procesu. Proto se, je-li to technicky možné, dává přednost přepravě CO₂ v plynné formě.

 

Hromadná přeprava CO₂ může být realizována cisternami (po silnici, železnici nebo po vodě) nebo plynovodem. V případě předpokládaných větších přepravovaných objemů (10 – 30 Mt CO₂ ročně) je jedinou použitelnou alternativou právě plynovod. Přeprava cisternami může mít význam v případě menších demonstračních projektů s přepravovaným množstvím plynu v řádu 100 – 200 kt CO₂ ročně. Značné zkušenosti s transportem CO₂ v plynovodech jsou v USA, kde je tento plyn široce využíván při progresivní druhotné metodě těžby ropy. Zhruba 22 Mt CO₂ je ročně transportováno 3980 km dlouhým plynovodem z přírodních zdrojů v Novém Mexiku a Coloradu a ze zařízení na úpravu zemního plynu do ropných polí v západním Texasu. Nověji byl vybudován 330 km dlouhý plynovod ze závodu v Severní Dakotě do ropných polí v kanadském Saskatchewanu, s kapacitou 2 Mt CO₂ ročně. Tyto příklady ukazují, že transport CO₂ plynovodem je zavedenou komerční technologií.

 

Z hlediska nákladů na přepravu je velmi výhodné, pokud producent CO₂ (např. klasická tepelná elektrárna) využívá místních palivových zdrojů (např. černé uhlí uložené v hlubokých slojích), které lze současně využít pro následnou geosekvestraci.

Ukládání CO₂ do geologických formací

Pro dlouhodobé uložení zachyceného oxidu uhličitého (nebo směsi CO₂/N₂) lze využít následující geologické formace:

Ložiska ropy a zemního plynu

Potenciálním úložným prostorem zde jsou vytěžená nebo dotěžovaná ložiska ropy, ve kterých lze injektáží CO₂ (metoda EOR = Enhanced Oil Recovery) zlepšit výtěžnost zbytkové ropy o 10 – 15 %. V ideálním případě může zvýšená výtěžnost ropy eliminovat náklady na zachycení a uložení CO₂. Tato metoda se aplikuje již několik desetiletí, zejména v USA. Použije-li se oxid uhličitý v superkritickém stavu, je jeho směs s ropou dokonale mísitelná, čímž se snižuje viskozita ropy a směs lépe migruje k těžní věži. Posléze při snížení tlaku se mísitelnost omezí a jen malá část CO₂ zůstane rozpuštěná v ropě. Výhodou je, že přibližně 80 % ložisek ropy je uloženo v hloubce větší než 800 m, což je kritická hloubka pro setrvání CO₂ v superkritickém stavu. Generální koncepce pro ukládání CO₂ ve vyčerpaných nebo opuštěných ropných polích počítá s přirozenou vhodností nahradit uhlovodíky superkritickým CO₂ a představuje nejjednodušší způsob jeho uložení.

 

Ložiska ropy jsou výhodnou variantou, protože před vlastní těžbou byly zásoby uhlovodíků těsně uzavřeny v měřítku geologického času a obdobně může být „uzavřen“ i oxid uhličitý. Další výhodou je jejich vysoká prozkoumanost a tedy dostatek informací pro výběr vhodného prostoru pro ukládání, řízení jeho využití a dlouhodobý monitoring. Kapacita ložiska ropy pro ukládání CO₂ je závislá na pórovém prostoru uvolněném ropou a dalším pórovém prostoru vyplněném vodou ležící pod roponosnými vrstvami. Příkladem může být kanadsko-americký projekt Weyburn. Oxid uhličitý je zachycován ve výrobní jednotce na zplyňování uhlí (Great Plains Synfuels Plant) v Severní Dakotě a transportován plynovodem do ropného pole v kanadském Saskatchewanu, kde je v množství 5000 tun denně injektován. Předpokládá se, že za dobu životnosti projektu (20 let) zde bude uloženo celkem 20 mil. tun CO₂.

 

Ložiska zemního plynu, podobně jako ložiska ropy, se mohou zformovat a udržet v měřítku geologického času jen pokud jsou plynonosné struktury dokonale utěsněny. Ačkoli vháněním CO₂ lze poněkud zvýšit produkci plynu (metoda EGR = Enhanced Gas Recovery), tento přírůstek je však ve srovnání s metodou EOR menší a ukládání CO₂ by tedy obecně přicházelo v úvahu až po vytěžení drtivé většiny zásob.

Uhelné sloje

Netěžitelné nebo opuštěné uhelné sloje nabízejí další možnost ukládání; vháněný CO₂ je přednostně adsorbován uhlím, zatímco původně adsorbovaný metan je jím vytlačován. Tato metoda může být zvláště významná v případě metanem bohatých ložisek uhlí, kde výtěžnost metanu pro primární etapu těžby je okolo 20 – 60 % plynu. lnjektovaný CO₂ vytěsní na uhlí adsorbovaný metan a zvýší tím jeho výtěžnost až na 72 % (metoda ECBMR = Enhanced Coal Bed Methane Recovery). Vedle ukládací kapacity pro CO₂ tak vzniká potenciál k zachycení desorbovaného metanu a jeho dalším využitím lze snížit náklady na uložení. Klíčovým faktorem při tomto způsobu uložení je propustnost (permeabilita) uhelné sloje. Tato varianta ukládání je v současné době námětem řady projektů v USA (Allison,Tiffany, Black Warrior) Kanadě, Austrálii a v polském Slezsku (RECOPOL).

 

Velmi zajímavý je v tomto ohledu projekt společnosti BP Amoco v Coloradu známý pod názvem Tiffany Unit. Vedle čistého CO₂ zde v rámci metody ECBMR testovali uměle připravené směsi CO₂/N₂ a dokonce i plynné produkty vzniklé spalováním uhlí (kouřové spaliny). Při použití směsí s různým podílem dusíku výtěžnost metanu významně stoupala. Bylo zjištěno, že dusík lépe vytěsňuje metan, a naopak CO₂ je přednostně adsorbován uhlím. To je ekonomicky velmi výhodné jak pro těžbu metanu (výrazně vyšší výtěžnost) tak pro vlastní geosekvestraci CO₂ (výrazně větší množství adsorbovaného plynu).

 

Možnost injektovat kouřové spaliny, poměrně jednoduše a levně očištěné od nežádoucích příměsí a složené hlavně z dusíku a CO₂, představuje ekonomicky velmi zajímavou variantu, protože by v tomto případě odpadlo dosud poměrně technicky náročné a drahé zachytávání CO₂ ze spalin.

Slané akvifery (solanky)

Mají největší potenciální kapacitu pro ukládání CO₂ ze všech geologických formací. Musí být pokryty vhodnými nepropustnými vrstvami, bez zlomů, s vrcholem v minimální hloubce 800 metrů, aby oxid uhličitý mohl setrvat v superkritickém stavu. K zajištění vysoké hustoty a rozpustnosti se CO₂ injektuje pod vysokými tlaky do velkých hloubek. Jeho část (10 – 25 %) se rozpustí ve vodě, zbytek velmi zvolna vystoupá vzhůru a vytvoří vrstvu ("oblak") pod krycími horninami.

 

Velmi výhodné je, pokud solanka vznikla v pískovcích s vyšším podílem Mg-minerálů pocházejících z původních bazaltů („basalt derived sandstones“) nebo přímo v porézních bazaltech. V tomto případě jde vlastně o kombinovanou metodu geosekvestrace, protože reakcí CO₂ s Mg-minerály vzniká stabilní magnezit (viz metoda minerální karbonatizace a nekonvenční metody geosekvestrace).

 

Největší světový komerční projekt ukládání CO₂ v solankách byl zahájen společností Statoil v roce 1996 ve spojitosti s těžbou zemního plynu z pole Sleipner v Severním moři. Ročně se ukládá cca 1Mt CO₂ do hloubky asi 1000 m pod mořským dnem. Současně probíhá monitorování těsnosti uložení a dlouhodobého chování CO₂. Ukládáním CO₂ (v tomto případě vedlejšího produktu těžby zemního plynu) společnost eliminuje poplatky za emise CO₂.

Bituminózní břidlice

Uložení CO₂ v bituminózních břidlicích je další možnou, ale dosud v praxi netestovanou metodou. Oxid uhličitý se v tomto případě naváže na jílové minerály a kerogen, obdobně jako je vázán metan v uhelných slojích. Formace bituminózních břidlic představují z hlediska ukládací kapacity významný potenciál a jako takové jsou v současné době předmětem intenzivního výzkumu např. v Kentucky Geological Survey.

Solné kaverny

Podzemní solné kavemy, s objemy až 500 000 m³, jsou obvykle pozůstatky po těžbě soli pomocí jejího rozpouštění ve vodě. Protože sůl je velmi neprostupná, tyto prostory mohou dobře sloužit pro dlouhodobé ukládání CO₂, a to i v podobě suchého ledu. Vzhledem k vysokým nákladům je tento způsob ukládání zatím považován za neekonomický.

Hluboké vodní vrstvy oceánů

Představují největší ukládací prostor s dobou zadržení od 400 do 500 let. Voda cirkuluje mezi povrchovými a hloubkovými vrstvami v čase od 250 do 1000 roků. Zemská atmosféra je v kontaktu s povrchem oceánů v rozsahu 70 % povrchu Země a tudíž mezi nimi dochází ke kontinuální výměně uhlíku. V současné době odstraňují oceány z atmosféry 6 Gt CO₂ ročně. Ukládání antropogenního CO₂ do oceánů by urychlilo tento přirozený proces. Předpokládá se, že CO₂ by mohl být injektován v kapalné fázi pod cirkulující vrstvu, do hloubek více než 1500 m, kde by se rozpustil ve vodě nebo by tvořil CO₂–hydráty. Pro Českou republiku nemá tato metoda praktický význam.

Minerální karbonatizace

Chemickou reakcí oxidu uhličitého s Mg- nebo Ca-silikáty vznikají karbonáty a jiné stabilní vedlejší produkty. Jde o stabilitu v geologickém měřítku času (miliony let). Mg-silikáty jsou favorizovány, jsou více rozšířeny, tvoří rozsáhlá tělesa ultrabazických hornin a jsou více reaktivní. Nejlepších výsledků bylo dosaženo s olivíny  ( Mg₂SiO₄ + 2 CO₂ => 2 MgCO₃ + SiO₂ ) a serpentiny ( Mg₃SiO₃(OH)₄ + + 3 CO₂ => 3 MgCO₃ + 2SiO₂ + H₂O ).

 

Karbonatizační jednotky pracují za vysokých teplot a tlaků. Relativně pomalé karbonatizační reakce jsou urychlovány mikromletím Mg-silikátů (zvýšení aktivního povrchu), mícháním reakční směsi, přidáváním katalyzátorů, optimalizováním reakční teploty a parciálního tlaku CO₂. Rozpouštění olivínu se urychluje superkritickými podmínkami. Serpentin se aktivuje intenzivním předehřátím nad 600 ^oC, za účelem aktivace tj. destabilizace krystalové struktury, odstranění chemicky vázané vody a zvětšení porozity. Zatím není žádné zařízení v provozu, ale organizace participující v Mineral Sequestration Working Group vyvíjejí pilotní jednotku a v r. 2008 má pracovat demonstrační jednotka o výkonu 10 MW.

Nekonvenční metody geosekvestrace

V důsledku zvyšujících se požadavků na geologické ukládání CO₂ může v některých oblastech nastat nedostatek konvenčních skladovacích kapacit (v ložiskách ropy a plynu, slaných akviferech a uhelných slojích), které jsou potom dosažitelné jen za cenu transportu na velké vzdálenosti. Proto jsou zkoumány i další – nekonvenční geologická úložiště, která mohou mít menší skladovací kapacitu nebo nižší chemickou reaktivitu vzhledem k CO₂, ale díky svému výhodnému umístění poblíž zdroje emisí se stávají ekonomicky výhodnějšími. K nim lze přiřadit např. formace pískovců s vyšším podílem Mg-minerálů a porézní bazalty, zmíněné již v oddíle o solankách. Tyto formace lze využít i za nepřítomnosti slaných akviferů. Opět musí být pokryty dostatečně mocnou vrstvou nepropustných hornin. Vháněním do hloubky cca 2 km se CO₂ fixuje na Mg-minerály pískovců nebo bazaltů za vzniku karbonátů. Protože jde o proces geosekvestrace in situ, je z hlediska celkových nákladů nesrovnatelně výhodnější než např. minerální karbonatizace jako typická metoda ex-situ, při které je k fixaci obrovských množství CO₂ ze spalin nutno denně natěžit, rozemlít a ke karbonatizační jednotce dopravit enormní množství hořečnatých hornin.

 

 

Možnosti geologické sekvestrace CO₂ v ČR

Z hlediska vhodného geologického prostředí disponuje Česká republika poměrně značným potenciálem k trvalému ukládání CO₂.

 

Podle předběžného posouzení přicházejí pro případnou geosekvestraci CO₂ na území ČR v úvahu tyto geologické formace:

1. Vytěžená a dotěžovaná ložiska ropy a zemního plynu a slané akvifery v širší oblasti styku Českého masívu a Karpat (oblast Vídeňské pánve, karpatské předhlubně a flyšového pásma západních Karpat). K významným zdrojům CO₂ patří elektrárna Hodonín a průmyslové závody brněnské a zlínské aglomerace.

2. Slané akvifery v okolí Podbořan (jz. Žatce), Loun, Slaného, Roudnice nad Labem a Mnichova Hradiště. Potenciálním zdrojem CO₂ jsou především tepelné elektrárny v sz. Čechách a na Mělnicku.

3. Černouhelné sloje české části hornoslezské pánve (s možností využít dostupné zdroje CO₂ v ostravské průmyslové aglomeraci a zkušenosti z projektu RECOPOL) a ložiska Mělník – Benátky nad Jizerou (s blízkým zdrojem CO₂ z elektrárny Mělník), zkoumané v 90. letech minulého století v rámci Komplexního programu CBM, dále ložiska Slaný, Syřenov a několik dalších oblastí s prognózními zásobami černého uhlí (Peruc – Kokovice, roudnická pánev, mnichovohradišťská pánev).

Ve specifických podmínkách ČR musí problém geologického ukládání CO₂ řešit v první řadě geologové, protože i v případě, že by se ČR nezúčastnila vývoje procesu, dodávek zařízení atp. a nakoupila by technologie v zahraničí, bude i v takovém případě třeba vytipovat vhodné geologické formace a surovinové zdroje, provést jejich průzkum, zjistit jejich dislokaci vůči zdrojům emisí a řešit dlouhodobou strategii včetně ekonomických a investičních parametrů. S ohledem na záměr obnovy uhelných elektráren po roce 2010 je nutno se problémem dlouhodobého ukládání CO₂ začít zabývat již v současné době.

Závěry

Tento přehled popisuje hlavní metody geologického ukládání CO₂, které jsou předmětem intenzivního výzkumu vyspělých zemí světa.

Technologicky nejrozvinutější je ukládání do dotěžovaných nebo opuštěných ložisek ropy a plynu, i když hlavním záměrem je v tomto případě zvýšení výtěžnosti uhlovodíků.

Ukládáním CO₂ nebo směsí CO₂/N₂ do hluboce uložených uhelných slojí se výrazně zvyšuje výtěžnost metanu a snižují se tak náklady na geosekvestraci.

Slané akvifery mají obrovské skladovací kapacity, ale jejich průzkum je obtížnější a nákladnější než u ložisek uhlovodíků.

Minerální karbonatizací je CO₂ vázán na miliony let s minimálním rizikem na jeho náhodné uvolnění. Vyžaduje však dostupné zdroje Mg-minerálů (ultrabazické horniny) s enormními zásobami.

Ukládání v solných kavernách a v oceánech zatím naráží na odpor veřejnosti.

Globální kapacita geosekvestrace byla odhadnuta takto:

Vytěžená ložiska ropy: 150 Gt CO₂;                                                                 Vytěžená ložiska plynu: 1000 Gt;                                                                      Slané akvifery: 2700 – 13 000 Gt;                                                              Netěžitelné uhelné sloje: 150 Gt.

 

Při současných globálních emisích CO₂ ve výši cca 25 Gt za rok (tj. cca 7 Gt uhlíku/rok) je zřejmé, že zachytávání a geologické ukládání CO₂ má klíčový význam pro globální snížení emisí skleníkových plynů.

Rozvinutí jednotlivých metod geosekvestrace CO₂ a jejich aplikace v ČR bude stejně jako jinde ve světě podmíněno vyřešením řady problémů z mnoha oborů lidské činnosti. Ve fázi hledání koncepce bude nutno porovnat více potenciálních metod a z nich vybrat metody vhodné, které však mohou být v různých oblastech země různé.

 

Společnost GIS-GEOINDUSTRY, s.r.o. je přesvědčena, že jako nová členská země Evropské unie se problematikou geologické sekvestrace CO₂ začne seriózně zabývat i ČR a má vážný zájem ve spolupráci se všemi zainteresovanými stranami (MŽP, MPO, energetické závody, cementárny, celulózky, papírny…) iniciovat komplexní řešení daného problému s alternativou samostatného (českého) projektu nebo společného projektu v rámci EU.

---

 

RNDr. Josef Šimek

 

GIS–GEOINDUSTRY, s.r.o.

 

simek@geoindustry.cz