Technologie separace a ukládání CO2 – prostor pro výzkum, vývoj a inovace

Separace a ukládání CO2 (Carbon Capture and Storage – CCS) je potenciální technologií pro dosažení plánovaných výrazných redukcí emisí CO2. CCS lze aplikovat především tam, kde vzniká velké množství CO2 na jednom místě (cementárny, rafinérie atd.), ale primární uplatnění by mělo být v energetice. Tato kategorie výrobních zdrojů je pak označována jako nízkoemisní či dokonce bezemisní zdroje. Technologie CCS však nejsou vyvinuty a ověřeny v měřítku potřebném pro energetiku, proto jedním z cílů Akčního plánu pro energetiku Evropské rady (přijatého v březnu 2007) je podpora zřízení 10 až 12 plnokapacitních demonstračních jednotek technologií CCS, které by měly být uvedeny do provozu do roku 2015. Cílem realizace demonstračních jednotek je prokázání funkčnosti celého řetězce technologie CCS a optimalizace nákladů na jejich pořízení a provoz tak, aby zvýšení ceny produkované energie bylo únosné. Zároveň Evropská komise připravuje návrhy legislativních změn umožňujících ukládání CO2 do geologického prostředí (dojde k doplnění směrnic o vodě, o odpadech, o integrované prevenci a dalších) a zároveň se připravují nástroje pro posílení výzkumu a vývoje, včetně podpory nově vznikající formy spolupráce – evropské průmyslové iniciativy. Celý energetický cyklus s technologií CCS se skládá ze separace CO2 ze spalin či plynu vzniklého zplyňováním (gasifikací) uhlíkového paliva, dále transportu z místa separace CO2 do oblasti ukládání a posledního kroku, kterým je vlastní uložení CO2 do vhodné hluboké geologické formace. V současné době má každá významná energetická společnost program redukce emisí skleníkových plynů a ani Skupina ČEZ nezůstává stranou tohoto dění - ve své veřejné deklaraci z podzimu loňského roku uvedla, že bude reinvestovat zisky z prodeje uspořených povolenek do dalších opatření ke snižování emisí skleníkových plynů. Konkretizace těchto opatření byla provedena Akčním plánem, který je koncipován jako do značné míry otevřený dokument – obsahuje dlouhodobé cíle do roku 2020 a soubor krátkodobých opatření do roku 2012. Skupina ČEZ rozvíjí dvě možnosti zřízení demonstračních jednotek CCS na místě svých elektráren, a to v lokalitách Hodonín a na místě nové elektrárny v severních Čechách. Hodonínský případ má potenciál z hlediska dostupnosti úložných kapacit pro CO2, zatímco severočeská alternativa je výhodnější z hlediska vyšší účinnosti elektrárny (přes 42 %). Příprava technologie CCS v ČR bude znamenat významný impulz pro výzkumně-vývojovou sféru (již dnes ČEZ, a.s. podporuje několik projektů) a případná realizace jedné demonstrační jednotky v ČR by znamenala i výrazné zapojení domácích dodavatelů technologií. PŘÍPRAVA METOD SEPARACE CO2 PRO ENERGETIKU Intenzivní výzkum a vývoj probíhá především v oblasti separace CO2, kde se očekávají významné až průlomové inovace, které umožní její efektivní aplikaci bez zásadních vlivů na účinnost elektrárny a ceny produkované energie. Z chemie je známo poměrně velké množství metod separace CO2 z plynné směsi, avšak jen málo těchto metod přestoupilo hranici laboratorního měřítka. Pro účely energetiky (modelově např. elektrárna s práškovým kotlem o instalovaném výkonu 500 MWe) je však nutné počítat se zpracováním několika milionů m3 spalin za hodinu při nízké koncentraci CO2 ve spalinách (kolem 13 obj.%). Pro využití v energetice se zvažují především dva základní přístupy - separace CO2 po procesu spalování s variantou oxického spalování (post-combustion capture + oxyfuel) a separace CO2 před procesem spalování (precombustion capture) – viz obrázek. Separační jednotka se musí nacházet v blízkosti energetické výrobny (pro minimalizaci přepravy spalin) a separovaný CO2 se musí převést na kapalný či nadkritický stav (pro minimalizaci objemu CO2 pro jeho následný transport k uložení). Důležité je rovněž odstranění vody z CO2 pro minimalizaci koroze zařízení při následném transportu a ukládání CO2. Technologie separace CO2 ze spalin jsou principiálně založeny na absorpčních, adsorpčních a membránových postupech, avšak pro praktické využití v příštích letech budou k dispozici pouze metody chemické absorpce. Tyto metody využívají regentů na bázi amínů či jiných látek. Metoda amínové vypírky byla vyvinuta před více než 70 lety, je využívána v chemickém průmyslu a pro odstraňování kyselých komponent ze zemního plynu. Na počátku 80. let byla v USA aplikována pro separaci CO2 z elektrárenských spalin pro účely terciární těžby ropy (tyto jednotky dnes již nejsou v provozu) a posléze rovněž u dvou elektráren s fluidními kotli pro produkci menšího množství CO2 pro potravinářské účely. Podstatou metody je absorpce CO2 vhodným amínem či jeho směsí za teploty cca 40-50 oC (vytvoří se karbamáty) a jeho zpětnou desorpcí párou. Metoda amínové vypírky je energeticky značně náročná, především z důvodu spotřeby velkého množství nízkotlaké páry v desorpčním kroku. Účinnost amínové vypírky radikálně snižuje přítomnost SO2, NO2, O2 a prachu; lze předpokládat, že především zbytková koncentrace SO2 bude problematickým faktorem, který si může vyžádat až začlenění dodatečného odsíření (snížení koncentrace SO2 z prvních stovek mg/ m3 na první desítky mg/m3). Metoda chemické absorpce je v současnosti zdokonalována vývojem účinnějších, selektivnějších a stabilnějších separačních médií, novým řešením kolonového hospodářství (vnitřní výstelka kolon) a efektivnějším provázáním energetických toků (křížové výměníky tepla, dělení toku média, atd.). S tímto účelem byla zřízena např. pilotní jednotka na elektrárně Esbjerg v Dánsku. Množství dalších pilotních a demonstračních jednotek je ve výstavbě. Oxické spalování uhlíkového paliva (pevného či plynného) je potenciálně velmi atraktivní možností, jelikož vznikající spaliny obsahují vysoké procento CO2, jenž by bylo možné oddělit méně náročněji než aplikací chemické absorpce (např. aplikací kryogenního dočištění CO2). Technologie oxického spalování je však v počátečním stádiu vývoje, připravují se pouze první pilotní jednotky o instalovaném výkonu desítek MW (například společnostmi Vattenfall nebo Total). Koncepce oxického spalování musí vyřešit množství zatím otevřených otázek, např. redukci vysokých teplot spalování (řešením může být recirkulace části spalin), materiálové problémy, limity kvality paliva či možnosti retrofitů pro současnou generaci kotlů. Odstranění CO2 před spalováním je principiálně využitelné pro pevná (uhlí, biomasa, uhlíkové odpady) i plynná paliva (zemní plyn). V případě pevných paliv je energetický cyklus založen na zplynění paliva, vyčištění vniklého plynu (syngas), separace CO2 a následného využití syngasu v kombinovaném cyklu – IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle). Vyvinuto bylo velké množství zplyňovacích postupů, které jsou využívány především pro výrobu meziproduktů pro chemický průmysl, vodíku a kapalných paliv. V energetice je pouze několik příkladů využití zplyňovacích postupů založených na uhelném palivu (např. Tampa a Wabash v USA, Buggenum v Nizozemsku, Puertollano ve Španělsku a rovněž Vřesová v ČR), z nichž naprostá většina využívá hořákový typ zplyňování (entrained-flow gasification). Tato metoda zplyňování probíhá při vysoké teplotě (1300 – 1400 ?C) v kyslíkové atmosféře, přičemž palivo je dávkováno v suchém stavu či ve formě vodné suspenze. Separaci CO2 lze uskutečnit poměrně účinně, jelikož objem vzniklého syngasu je značně menší než v případě spalin vzniklých spálením stejného množství paliva klasickými postupy a upravený syngas (tj. po převedení CO na CO2) je navíc relativně bohatý na CO2. Jak oxické spalování, tak hořákové zplyňování potřebuje kyslík, jehož získávání je dnes poměrně energeticky náročné (přibližně 200 kWh/ t O2). Dnes se pro jeho získání používá především kryogenní separace. Testuje se několik slibných přístupů, především založených na membránových procesech, avšak jejich komerční nasazení se neočekává dříve než za 10 let. Mimo dříve uvedené postupy separace CO2 je v různé fázi vývoje velké množství dalších alternativ, z nichž lze především zmínit: ? Pevné regenerovatelné sorbenty ? Sorpce na pevných látkách impregnovaných amíny ? Biochemická fixace ? Membránové postupy MOŽNOSTI PRO TRANSPORT CO2 Transport CO2 ve velkém množství lze uskutečnit pouze potrubním systémem, zpravidla v nadkritickém stavu CO2 (kritický bod CO2 je při teplotě 31 oC a tlaku 7,4 MPa, nad tímto tlakem se CO2 chová jako hustá fáze v poměrně širokém rozsahu teplot). V projektech experimentálního ukládání CO2 se využívá rovněž přeprava cisternami. Zkušenost s potrubní přepravou CO2 je především v USA, kde existuje síť s celkovou délkou kolem 3000 km vybudovanou pro potřeby terciární těžby ropy (s přepravní kapacitou přes 35 mil. t CO2/rok). Tato síť je nejhustší v západním Texasu a známý je rovněž přeshraniční systém ze severní Dakoty do kanadského Weiburnu. Nutné je však zdůraznit, že CO2 pro terciární těžbu ropy pochází z přírodních zdrojů (přírodní výrony CO2), oddělením z přírodního plynu (od metanu) a v omezeném množství rovněž ze zplyňování uhlí (jednotka Great Plains v Severní Dakotě). Evropská komise předpokládá do budoucna vznik celoevropské přepravní sítě CO2 (obdoba plynovodů), což je však otázka minimálně 20-30 let. V první fázi aplikace CCS se spíše předpokládá vybudování málokapacitního přepravního systému s následným rozšířením pro několik zdrojů v regionu. ALTERNATIVY UKLÁDÁNÍ CO2 Uložení CO2 se realizuje vtláčením do propustných sedimentárních formací, do vytěžených či dotěžovaných struktur uhlovodíků nebo do netěžitelných ložisek uhlí; vždy se jedná o ukládání do hloubky minimálně 800 m. Logika průzkumu a odvození úložných kapacit v geologických formacích se odvíjí od měřítka pohledu na zkoumanou oblast, čemuž odpovídá i přesnost a věrohodnost předpokládaných úložných kapacit. Úvodní odhady jsou proto zpravidla až řádově větší něž jsou později potvrzené kapacity na základě podrobného geologického průzkumu. Sedimentární formace (zpravidla salinní) představují největší potenciál pro ukládání CO2, a to jak celosvětově, tak v Evropě a ČR. V současnosti se realizuje množství projektů, jejichž cílem je identifikovat vhodné oblasti k ukládání v Evropě, upřesnit úložné kapacity a vytvořit nástroje pro predikci chování uloženého CO2 v dlouhodobém časovém horizontu. Oxid uhličitý bude reagovat s okolním prostředím a podzemní vodou, bude docházet k mnoha geochemickým pochodům, jejichž charakter a rychlost musí být věrohodným způsobem známy. V ČR mají potenciál pro uložení CO2 především zanořené pánve středočeského permokarbonu a sedimentární formace na jihovýchodní Moravě. Sumární úložná kapacita sedimentárních formací v ČR je téměř 3 mld. t CO2. Další alternativou pro ukládání CO2 jsou struktury přírodních uhlovodíků, ať již vyčerpané (v tomto případě se jedná o prosté ukládání) či vyčerpávané (v tomto případě se CO2 využívá - jedná se o technologie zvyšování výtěžnosti ropy nebo plynu - enhanced oil recovery, EOR, enhanced gas recovery, EGR). Technologie EOR s přírodním CO2 se využívá v řadě zemí, především v USA, Kanadě, Brazílii, Chorvatsku a Maďarsku. EOR lze však aplikovat jen pro určitý typ ropy v určitých geologických a geochemických podmínkách, přičemž přínosy (dodatečně vytěžená ropa) by měly převýšit náklady na nákup CO2 (zavedení metod tedy stimulují vyšší ceny ropy). Uvádí se, že 1 t vtláčeného CO2 zvýší výtěžnost o 2-3 barely ropy v ložisku. Vytěžitelnost ropných ložisek konvenčním způsobem je cca 25% a aplikací EOR lze výtěžnost zvýšit o dalších 5-15 %. Naprostá většina produkce ropy z EOR pochází z USA (přes 90 %); celosvětově tvoří však pouze několik desetin % z celkové těžby za rok. Další alternativou ukládání CO2 je v propustných uhelných slojích, kde může nahrazovat metan (ECBM – enhanced coal bed methane). Potenciál využití CO2 pro EOR, EGR a ECBM je v ČR pravděpodobně limitovaný. Ukládání CO2 ve větším měřítku se realizuje v Norsku již od roku 1996 (ropná plošina Sleipner), kde se každým rokem likviduje přibližně 1 mil. t CO2. Motivací pro ukládání CO2 je daň na emise CO2. EKONOMIKA SEPARACE A UKLÁDÁNÍ CO2 Aplikaci CCS u energetické výrobny má zásadní vliv na navýšení investičních (a to o desítky %) a provozních nákladů, což se nezanedbatelným způsobem projeví v ceně produkované energie. Aplikace separace CO2 do výroby energie znamená podstatné zvýšení vlastní spotřeby energie výrobní jednotky – v případě amínové vypírky pro separaci CO2 po spalování je to až o desítky %! Odhady investičních nákladů jsou v současné době postiženy recentní eskalací cen energetických celků a komodit a nejsou proto příliš věrohodné. Energetická náročnost amínové vypírky je daná především tepelnou náročností regenerace (výrobci zařízení uvádějí, že je třeba 3- 4 GJ nízkopotenciálové páry na t separovaného CO2) a spotřebou elektrické energie na kompresi CO2. Předpokladem pro aplikaci CCS je maximální účinnost energetického provozu, a proto se s CCS počítá především pro novou generaci elektráren (s účinností nad 40 %). Intenzivní výzkum, vývoj a demonstrace by měly přinést zásadní inovace současných technologií s redukcí především provozních nákladů – vyvíjejí se postupy s nižší energetickou náročností a s využitím levnějších sorpčních médií. Ekonomická náročnost transportu a ukládání (včetně souvisejících monitorovacích aktivit) je silně závislá na lokálních podmínkách – důležité faktory jsou např. délka transportu, převýšení terénu a z toho vyplývající potřebnost dodatečných kompresních stanic, propustnost geologického prostředí a z toho vyplývající množství vtláčecích vrtů apod. ZÁVĚRY Širšímu nasazení technologií CCS musí předcházet období přípravy a testování v reálném měřítku. Je otázkou, zda rozšíření těchto technologií po roce 2020, jak předpokládá Evropská komise, je reálné. Pro splnění tohoto náročného cíle bude především nutné: ? optimalizovat existující technologie separace CO2 či vyvinout zcela nové technologie pro zásadní redukci investičních a provozních nákladů tak, aby se toto navýšení nákladů promítlo únosným způsobem do ceny prodávané energie, ? najít mechanismus finanční podpory demonstračních jednotek, ? stanovit jednoznačná pravidla pro jednotlivé účastníky v řetězci CCS, ? stanovit pravidla, popř. upravit legislativu, pro ukládání CO2 do podzemí a stanovit transfery zodpovědností k finálně uloženému CO2, ? získat podporu zainteresovaných stran a veřejnosti tak, aby technologie CCS byla chápána jako jedna z nezbytných metod pro výrazné snížení emisí CO2 z energetiky, která je bezpečná a nepředstavuje riziko pro okolí. Aleš Laciok Specialista environmentálních produktů ČEZ, a.s.