Přidat EnviWeb k oblíbeným odkazům
RSS kanályMobilní verze EnviWeb.cz

Čistá energie z uhlí pomocí technologií CCS

21.11.2012  |  365× přečteno      vytisknout článek

co2Spotřeba energie neustále roste, a to jak v rozvojových tak rozvinutých zemích. Spolu se spotřebou energie rostou i emise CO2.

Úvod


Elektrickou energii vyrobenou v uhelných elektrárnách má snad každý spojenou s vypouštěním znečišťujících látek a skleníkových plynů do ovzduší. V minulosti bylo uděláno mnoho pro omezení vzniku znečišťujících látek a jejich odstraňování ze spalin. Běžnou součástí dnešních elektráren jsou dnes prachové filtry a odlučovače na TZL (tuhé znečišťující látky) a také zařízení pro odstranění SO2 pomocí mokré vypírky CaCO3. Emise NOx jsou u nás snižovány pomocí tzv. primárních opatření, neboli spalování za podmínek, kdy jich vzniká pouze minimální množství. Navzdory snižování vypouštěného množství znečišťujících látek se emise skleníkových plynů téměř nezměnily. Vznik skleníkového plynu CO2 tvoří samotnou podstatu spalování a představuje tedy nutné zlo pro uvolnění energie uhlí a výrobu elektřiny. Viz Obr. 1.

ccs
Obr. 1: Vývoj emisí znečišťujících látek ze stacionárních zdrojů (nahoře) a vývoj emisí skleníkových plynů (dole) v ČR od roku 1990 [2]

Spotřeba energie neustále roste, a to jak v rozvojových tak rozvinutých zemích. Spolu se spotřebou energie rostou i emise CO2. Podle IPCC (Mezivládní panel pro změnu klimatu) vzroste do roku 2100 průměrná globální teplota o 1,1 až 6,4 °C. Obavy z klimatických změn a globálního oteplování vedou ke snahám o omezení emisí CO2. Současné vědecké poznání považuje za téměř jisté, že ke globálnímu oteplování přispívají lidmi vypouštěné skleníkové plyny, otázkou pouze zůstává do jaké míry. V diskuzích o udržitelném rozvoji a budoucnosti energetiky bývají tedy zmiňovány hlavně obnovitelné zdroje a jaderná energetika, jakožto technologie bez emisí skleníkových plynů. Spalování uhlí je často považováno za špinavou technologii, která časem ustoupí novým způsobům výroby elektřiny. Podobné názory úplně opomíjejí mimo jiné i technologie CCS (Carbon Dioxide Capture and Storage), neboli záchyt a ukládání CO2. Klasická energetika založená na spalování fosilních paliv může být zbavena komínů vypouštějících skleníkové plyny a zařadit se mezi čisté technologie.

Scénář IEA (Mezinárodní energetická agentura) počítá se snížením emisí CO2 v energetickém sektoru o 50 % do roku 2050. Klíčem mají být kromě obnovitelných zdrojů, jaderné energie a energetických úspor také CCS technologie, které mají dle scénáře zachytit a uložit až 70 % CO2, vyprodukovaného energetickým sektorem.

Záchyt


ccs
Obr. 2: Způsoby záchytu CO2[1]

Záchyt CO2 je první a nejdůležitější částí CCS řetězce. Ze všech procesů (záchyt, transport a ukládání) je právě záchyt energeticky i finančně nejnáročnější a jeho efektivní zvládnutí tedy představuje klíč ke konkurenceschopnosti celé technologie. Existují 3 principiální způsoby záchytu CO2, viz Obr. 2.

Post - Combustion záchyt

Neboli záchyt po spalování. Jeho výhodou je, že vlastní spalovací zařízení může zůstat nezměněné a post - combustion záchyt lze tedy nasadit na stávající elektrárny. Mimo energetiku může být použit také pro záchyt CO2 z výroby cementu a petrochemického průmyslu. Tento proces byl původně vyvinut jako metoda čištění zemního plynu od CO2 a využívá princip absorpce (záchytu) CO2 na vhodnou kapalinu a následné desorpce (uvolnění). Nejpoužívanější sorpční kapalinou je v současnosti monoetanolamin (MEA).
Produkty spalování nejsou vedeny do komína, ale do reaktoru pro záchyt CO2, kde jsou vypírány pomocí MEA. Oxid uhličitý je absorbován a zbylé složky spalin (N2, O2 a H2O) můžou být vypuštěny do atmosféry. MEA nesoucí CO2 je veden do vedlejšího reaktoru, kde je CO2 uvolněn. K jeho uvolnění je třeba velké množství tepla, což představuje značnou energetickou ztrátu. Oxid uhličitý je následně stlačen a může být transportován k úložišti nebo jinak využit.

Pre - Combustion

Neboli záchyt před spalováním. Tento způsob využívá technologii IGCC neboli zplyňování uhlí a následné spálení vzniklého syntézního plynu. Ve zplyňovacím reaktoru je za působení vysoké teploty a zplyňovacího média (kyslíku) uvolněn z uhlí tzv. syntézní plyn. Syntézní plyn je směs CO, H2 a CO2. Zplyněním tedy dojde k přeměně pevného paliva - uhlí - na plynné palivo. Syntézní plyn je veden do reaktoru, kde je reformován parou a dochází k tzv. shift reakci. Vystupující plyn je složený už jen s CO2 a H2. Z této směsi může být CO2 relativně snadno zachycen například procesem pro odstranění kyselých plynů. Zbylý vodík může být energeticky využit. Případným spálením vodíku vznikne pouze vodní pára. CO2 je stejně jako v předchozím případě stlačen a vyčištěn.

Oxyfuel - Combustion

Neboli spalování čistým kyslíkem. Vzduch obsahuje přibližně 78 % dusíku N2, který je tedy i hlavní složkou běžných spalin. Tento dusík jednak ztěžuje zmíněnou pre-combustion separaci CO2 ze spalin a také snižuje účinnost spalování. Systémy oxyfuel, ve kterých dochází ke spalování s čistým kyslíkem, mají separaci CO2 mnohem snazší a dosahují vyšší účinnosti spalování. Spaliny po spalování oxyfuel obsahují hlavně CO2 a vodní páru a separace CO2 může být provedena pouhým vysušením spalin. Problémem zůstává nutnost výroby kyslíku, která je v současné době zajišťována kryogenní separací kyslíku ze vzduchu a je velmi nákladná a energeticky náročná.

Transport

Pro transport CO2 od míst záchytu do míst ukládání je kvůli velkým objemům zřejmě nejvhodnější využít potrubní dopravu. Alternativa v podobě nákladní a vlakové dopravy by vyšla mnohem dražší a energeticky méně efektivní. V přímořských oblastech představuje zajímavou variantu doprava pomocí tankerů.

Ukládání

Posledním článkem řetězce CCS je jeho ukládání do hlubokých horninových formací. Po celém světě existuje celá řada míst, které jsou pro ukládání CO2 vhodné. Vtláčením CO2 pod vysokým tlakem do vhodné horninové formace je možné zajistit jeho trvalé a bezpečné uložení. Vysoký tlak často způsobí přechod CO2 do tzv. superkritického stavu, kdy se chová jako hustá kapalina.
CO2 je možné ukládat jednak do vytěžených nalezišť ropy a zemního plynu. Další možností jsou horniny s velkým množstvím slané vody (slané akvifery) a netěžitelné uhelné sloje. Všechny zmíněné možnosti nad sebou obvykle mají neprostupnou vrstvu skály, která slouží jako uzávěr a v minulosti prokázaly, že jsou schopny zadržovat plyny po miliony let.
Velmi zajímavou možností je využití CO2 pro zvýšení těžby ropy, případně zemního plynu. Vtláčení CO2 do aktivního ropného vrtu způsobí zvýšení výtěžnosti ropy. S vytěženou ropou se část CO2 vrátí zpět, část ale zůstane trvale uložena v podzemních formacích.

Současný stav

Technologie CCS jsou zatím velmi mladé, výraznější provozní zkušenosti jsou zatím pouze s absorpčním záchytem CO2 při čištění zemního plynu. Ostatní zmíněné způsoby záchytu a ukládání jsou na úrovni laboratorních a poloprovozních jednotek. Výzvou zůstává energetická náročnost záchytu CO2, která by při současné úrovni poznání znamenala snížení účinnosti výroby elektřiny cca o 8 - 10 procentních bodů. Další výzkum v oblasti záchytu CO2 se zaměřuje např. na alternativní absorpční kapaliny, záchyt CO2 na tuhý adsorbent a separaci pomocí membrán a molekulových sít. Tyto technologie mají potenciál energetickou náročnost výrazně snížit. Obdobné úsilí je vyvíjeno i pro technologie separace kyslíku ze vzduchu pro spalování kyslíkem. Kandidátem jsou také membrány a molekulová síta, případně adsorpce kyslíku na tuhé sorbenty.
Dalším nezanedbatelným aspektem je dopad na cenu elektřiny. Odhady hovoří o nárůstu výrobní ceny elektřiny o 40 až 60 %. Dopad na koncové spotřebitele by však mohl být mnohem mírnější - tato problematika je natolik komplikovaná, že si zaslouží širší pojednání v samostatném článku.
Nyní se podívejme na globální přehled všech projektů na záchyt a ukládání CO2 v různém stadiu rozpracovanosti. Obr. 3 ukazuje celkový potenciál ročně zachytávaného CO2 v jednotlivých odvětvích. Obr. 4 udává potenciál pro ukládání CO2 v jednotlivých oblastech. V obou případech jsou žlutě vyznačeny již realizované projekty a fialově projekty dokončované. Ostatní barvy představují projekty v různém stadiu rozpracovanosti.

ccs
Obr. 3: Množství zachytávaného CO2[1]

Závěr

Minimalizace dopadů lidské činnosti na životní prostředí a snaha o udržitelný rozvoj představují velkou výzvu pro energetický sektor. Tohoto cíle zřejmě nelze dosáhnout žádným jednoduchým způsobem. Klasické fosilní elektrárny stále zaujímají v energetickém mixu důležitou úlohu, kterou není možné přesunout ani na obnovitelné zdroje ani na jadernou energetiku. Problém obnovitelných zdrojů je kromě vysoké ceny také jejich nestálost, která ztěžuje regulaci elektrické sítě. V každém okamžiku je nutné udržovat rovnováhu mezi výrobou a spotřebou energie, při nedodržení tohoto stavu nastane black-out. Navíc je nutné držet určité množství klasických zdrojů v tzv. teplé rezervě. Elektrárny v tzv. teplé rezervě představují pojistku, a když dojde k výpadku aktivního zdroje mohou teplé rezervy velmi rychle takový zdroj nahradit. Teplé rezervy je nutné držet i pro klasické elektrárny, např. kvůli poruchám, ale zvyšování podílu nestálých zdrojů v síti vyžaduje větší teplé rezervy. Z tohoto pohledu tedy ani obnovitelné zdroje považovat za naprosto bezemisní. Na rozdíl od obnovitelných zdrojů má jaderná energetika (odhlédneme - li od jaderné bezpečnosti) problém se svou stálostí. Paradoxně i stálost výkonu a nemožnost jeho regulace je problém, protože spotřeba energie se neustále mění a na tuto změnu je třeba reagovat. Regulace a vyvažování elektrizační soustavy je prováděna hlavně pomocí klasických elektráren na fosilní paliva a vodních a přečerpávacích elektráren. V tomto ohledu nejde jen o držení teplých rezerv. Spalovací elektrárny umožňují změnu výkonu o desítky procent bez výrazného dopadu na jejich účinnost.

Technologie CCS představují další možnost, jak vyrábět energii udržitelným a šetrným způsobem a umožňují zajištění nezbytné úlohy spalovacích elektráren i v koncepci udržitelného rozvoje. Výroba energie z uhlí bez emisí CO2 je při současné úrovní znalostí možná, nutnou daní je snížená účinnost výroby elektřiny a zvýšená cena. Celosvětový výzkum, zaměřený hlavně na oblast záchytu v současnosti probíhá na mnoha univerzitách a výzkumných ústavech po celém světě.


ccs
Obr. 4: Množství ukládaného CO2[1]

Ing. Jiří Štefanica
Autor je absolvent ČVUT v Praze, Fakulta Strojní, Ústav Energetiky a pracuje ÚJV Řež, a.s.

[1] Global CCS Institute: The Global Status of CCS, 2012, Canberra
[2] Cenia: Životní prostředí ČR, 2008


Související články


Poslední diskuse k článku - 0 příspěvků celkem

přidej nový příspěvek

Zatím žádný příspěvek
můžete na tento článek reagovat jako první...


EnviWeb s.r.o. neručí a nenese zodpovědnost za obsah diskusních příspěvků, diskuse nemoderuje ani nerediguje. Diskusní příspěvky vyjadřují názor jejich autorů. EnviWeb s.r.o. si vyhrazuje právo odstraňovat diskusní příspěvky, a to zejména takové, které odporují dobrým mravům, porušují platné zákony ČR, poškozují dobré jméno serveru nebo obsahují neplacenou reklamu. Diskuse NEJSOU určeny pro dotazy na autory článků nebo redaktory EnviWebu.



Search
Partneři
Ekologický oskar
ZmapujTo.cz
Fandíme EnviWebu
Výrobky a služby pro životní prostředí
Výrobky a služby pro životní prostředí
Partnerské časopisy
<< Předchozí Následující >>



Doporučujeme: Ekologove.cz - ekologie v každodenní praxi, EnviMarket.cz - nabídka výrobků a služeb, ZmapujTo.cz - hlášení podnětů od občanů, Nazeleno.cz - úspory energie, Inspirace v bydlení, Cena elektřiny, Dřevěné brikety, Palivové dřevo, Palivové dřevo, Palivové dřevo, Palivové dřevo, Palivové dřevo, Palivové dřevo


Enviweb s.r.o. využívá zpravodajství ČTK, jehož obsah je chráněn autorským zákonem.
Přepis, šíření či další zpřístupňování tohoto obsahu či jeho části veřejnosti,a to jakýmkoliv způsobem, je bez předchozího souhlasu ČTK výslovně zakázáno.
Copyright (2008) The Associated Press (AP) - všechna práva vyhrazena. Materiály agentury AP nesmí být dále publikovány, vysílány, přepisovány nebo redistribuovány.
Toplist