Zachytávanie a ukladanie oxidu uhličitého

Schéma postupu zachytávania a uskladňovania oxidu uhličitého.

Zachytávanie a ukladanie oxidu uhličitého (angl. carbon capture and storage, skrátene CCS; iné názvy: zachytávanie a skladovanie oxidu uhličitého , zachytávanie/zachycovanie a uskladňovanie oxidu uhličitého; nevhodne je [podľa anglického vzoru] v týchto názvoch namiesto výrazu "oxidu uhličitého" slovo "uhlíka" ) je proces zachytávania odpadového oxidu uhličitého (CO₂) z veľkých bodových zdrojov, ako sú tepelné elektrárne, železiarne a podobne, jeho transport na miesto uskladnenia a samotné uskladnenie tak, aby nevstupoval do atmosféry; obyčajne to znamená jeho ukladanie do hlbokých geologických štruktúr. Jednotlivé prvky tejto technológie síce sú testované, ale ako komplexná technológia v neboli v praxi nikdy dlhodobo testované.

Technológia zachytávanie a ukladania oxidu uhličitého nie je považovaná za trvalo udržateľnú, pretože je energeticky náročná a zvyšuje spotrebu paliva (a tým aj výsledné množstvo emisií). Tesnosť geologických štruktúr podzemných úložísk navyše nemožno trvalo zaistiť (životnosť 50 až 100 rokov), po uplynutí tohto obdobia hrozí ich poškodenie a potreba investícii do ich ďalšieho udržiavania.

Princíp

V súčasnosti sa za najvýhodnejšie považujú dva hlavné veľkopriestorové spôsoby ukladania oxidu uhličitého do týchto štruktúr:

• vyťažené plynové a ropné ložiská, pretože existuje dostatok relevantných charakteristík, získaných pri ich ťažbe, ktoré sú využiteľné v prospech technológie CCS.
• hlboko uložené zvodnené horizonty – akvifery – obsahujúce slanú vodu (nevhodnú na pitné účely), ktorá je v mnohých prípadoch slanšia ako morská voda.

Ostatné spôsoby ukladania, akými sú ukladanie v nevydobytých uhoľných priestoroch, alebo v ultrabázických horninách sú stále predmetom výskumu (napr. aj na Slovensku). Tieto môžu poskytnúť v budúcnosti rozšírenie možností pre ukladanie CO₂.

CO₂ je vtláčané do hĺbky prostredníctvom injektážnych vrtov do rezervoárového horizontu, kde vypĺňa pórové priestory, alebo priestory vzniknuté tektonickými deformáciami (pukliny), kde nahrádza a vytláča fluidá, ktorými boli tieto priestory zaplnené: zemný plyn, voda, ropa. Horniny tvoriace rezervoár musia mať preto dobrú porózitu a priepustnosť. Takéto typy sú zistené v sedimentárnych bazénoch, dokumentujúc geologický vývoj v minulosti. Jemnozrnné, nepriepustné sedimenty ležiace v nadloží takéhoto rezervoárového (priepustného) horizontu tvoria bariéru pre plyn uložený v rezervoárovom horizonte, čím zabraňujú jeho úniku. Ropa, prírodný plyn (metán) a dokonca aj čistý CO₂ nachádzajúce sa v takýchto štruktúrach v prirodzených podmienkach dokazujú ich schopnosť „uskladniť“ takéto fluidá po dobu niekoľkých miliónov rokov. Tesnosť a životnosť týchto štruktúr použitých pre uskladnenie oxidu uhličitého však zatiaľ nebola dlhodobo testovaná.

Podzemné formácie, akými sú rezervoáre a nadložné tesniace horizonty predstavujú komplexnú štruktúru, ktorá je často nehomogénna a tektonicky porušená. Z toho dôvodu sú veľmi dôležité geologické vedomosti z takýchto hĺbok, aby sa zabezpečilo spoľahlivé určenie príslušného miesta pre uskladnenie predmetného plynu, s ohľadom na jeho bezpečné a dlhodobé uskladnenie.

Potenciálne rezervoáre pre uskladnenie CO2 musia spĺňať množstvo kritérií, z ktorých najdôležitejšie sú:

• dostatočná porozita, permeabilita a ukladacia kapacita
• prítomnosť nadložného nepriepustného (tesniaceho) horizontu – napr. ílov, ílovcov, slieňov, prípadne soli, ktorý zabraňuje migrácii CO₂ smerom ku povrchu
• prítomnosť pascových štruktúr, akými sú klenbovité formy tesniacich hornín, ktoré riadia rozsah migrácie uskladneného plynu v samotnom rezervoáre
• dostatočná hĺbka rezervoáru – viac ako 800 m kde sú už teploty a tlaky dostatočne vysoké, prispievajúce ku kompresii CO₂ (zmenšovanie objemu) a takto zabezpečujúce maximálne možnú skladovaciu kapacitu
• absencia vody vhodnej na pitné účely v rezervoárovom horizonte

Príklady pre ukladací potenciál v Európe

Jedným z príkladov územia spĺňajúci kritériá uvedené v predošlom texte je juhopermská panva, ktorý sa v európskom priestore rozprestiera od Spojeného kráľovstva až na územie Poľska. Pieskovcové (priepustné) horizonty tu boli uložené v geologickej minulosti v rôznom časovom období. Sedimenty boli ovplyvnené horninovými procesmi, takže niektoré z pórových priestorov boli vyplnené slanou vodou, alebo prírodným plynom. Medzivrstvy ílov zhutnených do kompaktných vrstiev zabraňujú výstup fluíd smerom ku povrchu. Väčšina pieskovcových formácií sa nachádza v hĺbkach 1 – 4 km, kde je geostatický tlak dostatočne vysoký pre uloženie CO₂ v hustom stave. Obsah solí vo formačných vodách rezervoáru sa zvyšuje spoločne s hĺbkou približne od 100 g/l do 400 g/l., čo znamená, že voda nasýtená soľami (mineralizovaná) je niekoľkokrát slanšia ako voda morská (35 – 40g/l).

V predmetnej panve vzniklo niekoľko stoviek klenbovitých štruktúr, ktoré týmto poslúžili ako pasce pre prírodný plyn – metán. Takéto pasce sú cieľom pre výskum vodných miest pre ukladanie CO₂ a pre pilotné (poloprevádzkové) projekty.

Ukladacia kapacita

Odhad ukladacej kapacity je zvyčajne veľmi približná hodnota, založená na priestorovomm rozsahu potenciálne vhodnej formácie. Ukladacia kapacita môže byť určená v rozličných mierkach, vychádzajúc z národných regulatív pre približný odhad v panvových a rezervoárových podmienkach. Pre zvýšenie presnosti odhadu sa berie do úvahy heterogenita špecifická pre danú rezervoárovú formáciu a komplexnosť reálnej geologickej štruktúry. Rozličné úrovne ukladacej kapacity sú zvyčajne rozlíšené na: objemovú, geotechnickú a realizovateľnú kapacitu.

Objemová kapacita

Odhaduje sa tu objem pórových priestorov v rezervoárovom horizonte, založený na distribúcii, hrúbke a vlastnostiach potenciálne vhodnej rezervoárovej formácie.

Geotechnická kapacita

Berie do úvahy na konkrétnom mieste informačný potenciál o rezervoárových a tesniacich vlastnostiach hornín tvoriacich úložisko, ako sú napr. intenzita vtláčania (injektáže), vlastnosti injekčných fluíd a vtláčacia stratégia. Takéto odhady ale vyžadujú detailné konkrétne informácie z daného miesta pre numerické modelovanie injektáže CO₂ a jeho migrácie v danej rezervoárovej štruktúre.

Realizovateľná kapacita

V tomto finálnom štádiu sa berú do úvahy socio-ekonomické faktory, ktoré sú rozhodujúce pre aktuálne určenie miesta pre ukladanie. Tieto faktory zahŕňajú dostupnosť vhodných zdrojov CO₂, náklady na uskladnenie, prekážky, legislatívne záležitosti a postoj verejnosti. Všetky tieto ne-geotechnické efekty ukladacej kapacity je veľmi obťažné objektívne predikovať a vysvetľovať.

Záverom možno konštatovať, že objemová kapacita pre ukladanie CO₂ v Európe je vysoká, ale treba počítať s množstvom neurčitostí, hlavne v hlbokých slaných zvodnených vrstvách – zvodnencoch. Napriek tomu tieto štruktúry môžu poskytnúť ukladanie CO2 v priemyselnej škále po dobu niekoľkých desaťročí. Mapovanie a zvyšovanie informačnej úrovne o kapacitných možnostiach v Európe je predmetom prebiehajúceho výskumu v jednotlivých členských štátoch EÚ a prostredníctvom projektu EU - CO₂ STOP v nadnárodnej európskej mierke.

Cena

Hoci čiastkové procesy zapojené do technológie zachytávania a uskladňovania oxidu uhličitého sa používajú v iných priemyselných aplikáciách, dosiaľ nedošlo k žiadnemu komerčnému projektu, ktorý by integroval tieto existujúce procesy, výpočet výsledných nákladov je preto pomerne neistý. V Európe sa odhaduje zvýšenie cien za 1 kWh o 1,3 – 3,0 eurocentov (pri cene energie pre domácnosti 1 kWh za 8 eurocentov).

Podľa odhadov by zapojenie tejto technológie pri výrobe elektrickej energie z fosílnych palív v USA zvýšilo cenu elektriny za kWh o polovicu. V roku 2008 boli náklady na zachytenie a uskladnenie jednej tony CO₂ odhadované na 25 až 60 EUR za tonu. Podľa odhadov by pokračovaním výskumu a jeho zefektívnením mohlo dôjsť poklesu tejto ceny o polovicu (prípadne na 20 EUR za tonu).

Referencie

Chemický portál