Zachytávání CO₂

Zachytávání oxidu uhličitého (CO₂) je prvním krokem procesu zachytávání a ukládání tohoto skleníkového plynu, který je znám pod zkratkou CCS (Carbon Capture and Storage). Jedná se o soubor technologií s cílem zabránit vypouštění nadměrného množství CO₂ do atmosféry.

Oxid uhličitý lze zachytávat u velkých producentů emisí. Mezi ně patří například elektrárny spalující uhlí a zemní plyn, úpravny zemního plynu, ocelárny, cementárny, papírny, celulózky nebo továrny na hnojiva. Využití CCS u těchto procesů může hrát významnou roli při snižování celosvětových emisí skleníkových plynů. V provozech zabývajících se úpravou zemního plynu a výrobou hnojiv se technologie pro separaci/zachytávání oxidu uhličitého používají ve velkém měřítku již několik desítek let a nedávno byla tato technologie poprvé uplatněna i při výrobě elektřiny.

Jak zachytávání CO₂ probíhá?

Energie obsažená ve fosilních palivech, jako je uhlí, ropa nebo zemní plyn, se uvolňuje při procesech spalování a konverze paliv, při nichž jako vedlejší produkt vzniká CO₂.

V systémech, kde se uhlí před spalováním drtí na jemný prášek, k nimž patří valná většina uhelných elektráren v Severní Americe, Evropě i Číně, se CO₂ musí separovat v nízkých koncentracích ze směsi plynných zplodin. V jiných systémech, například těch založených na zplyňování uhlí (kde se uhlí přeměňuje na chemické látky, zemní plyn nebo kapaliny), je separace CO₂ jednodušší.

Zachytávání CO₂ může probíhat třemi různými způsoby: před spalováním, po spalování a při spalování v kyslíkové atmosféře se zachycením po spálení.

Zachytávání před spalováním

Při zachytávání před spalováním se palivo nejprve přemění na plynnou směs vodíku a CO₂. Vodík se následně oddělí a lze jej spálit, aniž by vznikal další CO₂. Separovaný oxid uhličitý se naopak stlačí do formy vhodné k přepravě a ukládání. Kroky nutné k přípravě (konverzi) paliva jsou v případě zachytávání před spalováním obtížnější nežli u zachytávání po spalování. Proto je použití této technologie u stávajících elektráren složitější. Zachytávání před spalováním se používá v různých průmyslových procesech (například úprava zemního plynu), v energetice pak najde využití u nových projektů, zejména s kombinovaným cyklem.

Zachytávání před spalováním.

Zachytávání po spalování

Při zachytávání po spalování se CO₂ odlučuje z plynů vznikajících jako zplodiny hoření. Lze jej zachytávat pomocí kapalných rozpouštědel nebo jiných metod separace. Při použití absorpčního principu se CO2 zachycený v rozpouštědle následně zahřátím opět uvolní, čímž vzniká proud vysoce čistého CO₂. Tato technologie se běžně používá pro potřeby potravinářského průmyslu (včetně výroby nápojů).

Zachytávání po spalování.

Spalování v kyslíkové atmosféře

Při spalování v kyslíkové atmosféře palivo nehoří za přítomnosti vzduchu, ale v atmosféře obsahující kyslík a oxid uhličitý. Jako zplodiny hoření tak vznikají převážně vodní pára a CO₂. Ty pak lze od sebe snadno oddělit, čímž vzniká proud vysoce čistého CO₂.

Spalování v kyslíkové atmosféře.

Proč je snižování emisí CO₂ zásadní při výrobě elektřiny?

Elektrárny spalující fosilní paliva produkují větší podíl emisí CO₂ nežli jiná průmyslová odvětví. Nasazení technologie zachytávání a ukládání oxidu uhličitého zde proto ve srovnání s ostatními odvětvími nabízí největší potenciál snížení emisí – a to jak u nových, tak i stávajících elektráren.

Technologie pro zachytávání CO₂ lze instalovat u všech nových typů elektráren spalujících uhlí nebo plyn. Technologie CCS však představuje značnou finanční investici. Pro zajištění návratnosti těchto nákladů a dalšího rozvoje CCS je proto nutné vytvořit vhodné právní prostředí, které bude emise oxidu uhličitého do ovzduší pokutovat.

Nejinak je tomu i v případě dovybavování stávajících elektráren technologiemi CCS. Zde je navíc nutná i dostatečná integrace zařízení pro zachytávání CO₂ do stávajícího provozu a existence dodatečného prostoru pro výstavbu nového zařízení.

Proč je důležité snižovat i emise CO₂ produkované průmyslem?

Průmyslové provozy jako cementárny, ocelárny, papírny a celulózky, chemičky a úpravny plynu patří mezi velké zdroje emisí CO₂. Ve srovnání s energetikou společně vyprodukují asi 25 % emisí tohoto skleníkového plynu. Při nasazení technologií CCS v těchto provozech bychom mohli dosáhnout výrazného snížení globálních emisí CO₂. V některých případech nejsou emise CO2 důsledkem používání fosilních paliv, ale vedlejším produktem technologických procesů probíhajících v těchto zařízeních. U některých procesů (například výroby cementu nebo výroby oceli ve vysokých pecích) je přitom CCS jedinou technologickou možností, jak zajistit výrazné snížení emisí CO₂.

Fungují už dnes průmyslové provozy, kde se CO₂ zachytává?

Ano. Jednou z prvních oblastí, kde se technologie CCS začala využívat, je úprava zemního plynu. Například v rámci norského projektu ukládání oxidu uhličitého Sleipner, který běží už od roku 1996, se každoročně zachytí zhruba milion tun CO₂. Ten se následně vtláčí a trvale ukládá do slaného akviferu ležícího hluboko pod dnem Severního moře.

V Abú Zabí ve Spojených arabských emirátech je aktuálně v běhu první projekt rozsáhlého využití CCS v oboru výroby železa a oceli. Mezi další pokročilé projekty využití CCS patří například závod na výrobu etanolu v americkém Illinois nebo velké zařízení na zkapalňování zemního plynu v Západní Austrálii.

Prvním projektem, který ve velkém využívá technologii CCS při výrobě elektřiny, je elektrárna Boundary Dam v kanadském státě Saskatchewan. Do provozu byla uvedena v říjnu 2014. V období 2017-2020 byla v provozu další velká demonstrační elektrárna vybavená CCS - Petra Nova v Texasu. Další projekty jsou v přípravě v USA, Číně a Velké Británii.

Kam se budou technologie zachytávání CO₂ ubírat dál?

Možnosti a funkčnost zachytávání CO₂ byly v uplynulých letech jasně prokázány při úspěšné realizaci pilotních projektů, a v případě průmyslových procesů i na řadě velkých průmyslových instalací. Realitou se stalo i využití této technologie při výrobě elektřiny. Prokázalo se, že technologie funguje; její větší rozšíření v praxi však bude vyžadovat další výzkum zaměřený na snížení nákladů a energetických ztrát. Takovýto pokrok lze u dalších generací technologií pro zachytávání CO₂ oprávněně očekávat.

Celosvětově budou třeba značné finanční investice, které by umožnily v blízké budoucnosti realizovat určitý počet projektů komerčního rozsahu. Toto portfolio nových projektů přinese značné výhody v podobě „učení se přímo praxí“, jež spolu s pokračujícím výzkumem výrazně pomohou snížit náklady na zachytávání CO₂.