Podzemní ukládání oxidu uhličitého

Před dvěma lety vyšel v Třípólu článek CCS aneb Cam ten Carbon Složíme (http://3pol.cz/847‑ccs‑aneb‑cam‑ten‑carbon‑slozime). Vracíme se k tématu a podíváme se na podzemní ukládání oxidu uhličitého produkovaného lidskou činností podrobněji.

Rozhodneme‑li se uložit oxid uhličitý (CO₂) pod zem, nemůžeme ho napustit kamkoli; vhodné hostitelské horniny je nejprve třeba najít. Protože potenciální rezervoáry pro geologické ukládání CO₂ existují po celém světě a mají dostatečnou kapacitu, mohla by technologie CCS (Carbon Capture and Storage – zachytávání a ukládání oxidu uhličitého) významně přispět ke zmírnění globálního oteplování, o kterém se mnozí domnívají, že ho vyvolala lidská činnost.

Máme tři hlavní možnosti kam ukládat

1. Vytěžená ložiska ropy a zemního plynu – díky průzkumu a těžbě jsou dostatečně prozkoumána, poskytují okamžitou možnost ukládání CO₂ a současně zvýšení těžby.
   
2. Slané akvifery, neboli podzemní prostory z porézních hornin nasáklé vodou – mají velký úložný potenciál, ale obecně jsou méně prozkoumány.
   
3. Netěžitelné uhelné sloje – možnost pro budoucnost, jakmile se podaří vyřešit problém se vstřikováním velkých objemů CO₂ do hornin s nízkou propustností.

Potenciální úložiště CO₂ musí splňovat řadu kritérií, z nichž nejdůležitějšími jsou:

• dostatečná pórozita, permeabilita (propustnost) a úložná kapacita;
  
• přítomnost nadložní nepropustné horniny – tzv. „těsnicí horniny“ (např. jíl, jílovec, slínovec, sůl), která zabrání oxidu uhličitému dostat se zpět k povrchu; existence tzv. „strukturních pastí“ – jevů, jako je např. klenbovitá stavba těsnicí horniny, které mohou řídit a usměrňovat rozsah migrace CO₂ v úložné formaci;
  
• uložení v hloubce přes 800 m, kde je dostatečně vysoký tlak a teplota pro zajištění ukládání CO₂ v tekutém skupenství (tzv. superkritický stav), čímž se zajistí maximalizace jeho uloženého množství;
  
• nepřítomnost pitné vody.

Kde hledá Evropa úložiště oxidu uhličitého

V Evropě jsou velmi rozšířené sedimentární pánve – oblasti s převahou usazených hornin –, např. pod mořským dnem v Severním moři nebo na pevnině okolo horského hřebene Alp A mnoho takových míst splňuje kritéria pro geologické ukládání CO₂, tudíž je vědci nyní mapují a zkoumají. Příkladem oblasti se značným potenciálem je tzv. „jižní permská pánev“, která se rozprostírá od Anglie až po Polsko. Horotvorné procesy zanechaly v usazených horninách část pórů vyplněných slanou vodou, ropou nebo zemním plynem a stlačily jílové vrstvy do formy s nízkou propustností. Velká část pískovcových formací leží v hloubce 1 až 4 km, kde je dostatečný tlak, který umožňuje uložit CO₂ v tekutém skupenství s vysokou hustotou. Voda má v těchto hloubkách obsah solí až 400 g/l; je tedy mnohem slanější než voda mořská (35 g/l). Horotvorné pohyby v pánvi způsobily plastické deformace vrstev soli kamenné, které vytvořily stovky dómových struktur postupně zadržujících zemní plyn. Právě tyto „pasti“ se studují jako případná úložiště CO₂ pro pilotní projekty. Ty oblasti Evropy, které jsou tvořeny prastarou zpevněnou zemskou kůrou, jako např. většina Skandinávie, nemají pro geologické ukládání vhodné horniny.

Jak přepravovat velká množství oxidu uhličitého?

CO₂ odebraný např. z elektrárenského nebo jiného průmyslového provozu se nejprve dehydruje a stlačí do podoby husté tekutiny, která má výrazně menší objem než plynný CO₂. Dehydratace (odstranění vody) je nutné, aby plyn nekorodoval zařízení a také aby za vysokých tlaků nevznikaly hydráty (pevné krystaly podobné ledu, které mohou zařízení a potrubí ucpat). Plyn se stlačuje a spolu s tím dehydratuje v několikastupňovém procesu: kdy se plyn opakovanými cykly stlačuje, ochlazuje a odstraňuje se voda.

Stlačený oxid uhličitý můžeme dopravovat lodí nebo potrubím. Lodní přeprava se dnes využívá pouze velmi zřídka (10 000–15 000 m³) pro průmyslové účely, ale může se stát atraktivní v budoucích projektech CCS, pokud budou zdroje CO₂ blízko pobřeží a daleko od vhodných úložišť. Pro přepravu CO₂ jsou vhodné stejné lodě jako pro zkapalněný plyn (LPG nebo LNG). Nejnovější lodě pro LPG mají objem až 200 000 m³ a jsou schopny přepravit 230 000 t CO₂. Potrubím dnes dopravují velké množství oxidu uhličitého ropné společnosti, které ho využívají při intenzifikaci těžby ropy. Ve světě je v provozu přes 3000 km produktovodů pro jeho dopravu, a to převážně v USA. Potrubí je lacinější než doprava lodí, a také výhodnější v nepřetržitém toku od zařízení pro zachytávání CO₂ až do úložiště. Všechny současné produktovody se provozují pod vysokým tlakem, v tzv. superkritických podmínkách, kdy se CO₂ chová jako plyn, ale má hustotu jako kapalina.

Ukládání – injektáž

Na úložišti se oxid uhličitý vpraví pod zem tlakem. Injektážní tlak musí dostatečně převyšovat stávající tlak v rezervoáru. Protože je cílem dlouhodobé uložení CO₂, musíme si být jisti celistvostí horninové formace. Vysoké rychlosti injektáže mohou způsobit nárůst tlaku v bodě injektáže, zvláště ve formacích s nízkou propustností. Injektážní tlak by tedy neměl překročit mezní tlak pro tvorbu trhlin v hornině, jinak se může porušit nadložní těsnicí vrstva horniny. Pro stanovení maximálního injektážního tlaku, při kterém se formace ještě neporuší, se používají geomechanické analýzy a modely.

Co se stane s oxidem uhličitým v zemi

Po injektáži vyplňuje CO₂ pórové prostory v hornině, které jsou ve většině případů už zaplněny solankou, tj. slanou vodou. Postupně se dostává do hry několik mechanismů, z nichž první se považuje za nejdůležitější: brání CO₂ v pronikání k povrchu. Další tři směřují k posílení účinnosti a bezpečnosti ukládání v čase.

1. Akumulace pod těsnicí horninou. Protože i „hustý“ CO₂ je lehčí než voda, má tendenci stoupat vzhůru. Tento pohyb se zastaví, když oxid uhličitý narazí na vrstvu hornin, která je nepropustná, obvykle složená z jílu nebo soli, působí jako past a brání CO₂ stoupat dále vzhůru.
   
2. Zadržení v malých pórech. Plyn se zadrží, když jsou póry v rezervoárové hornině tak úzké, že se CO₂ už nemůže dále pohybovat směrem vzhůru, a to i přesto, že je lehčí než okolní voda.
   
3. Rozpouštění. Malé množství injektovaného CO₂ se rozpustí v solance přítomné v pórech hornin rezervoáru. Malé množství injektovaného CO₂ se rozpustí v solance přítomné v pórech hornin rezervoáru. Voda s rozpuštěným CO₂ je těžší než voda bez něj a má proto tendenci klesat ke dnu rezervoáru. Vzhledem ke stoupání injektovaného CO₂ a klesání vody s rozpuštěným CO₂ se neustále obnovuje kontakt mezi solankou a CO₂. Tím se zvyšuje množství CO₂, které se může rozpustit. Tyto procesy jsou relativně pomalé, protože probíhají v úzkých pórových prostorech. Hrubé odhady ze zkušebních projektů naznačují, že se za 10 let ukládání rozpustilo cca 15 % injektovaného CO₂.
   
4. Mineralizace (minerální zadržení). Oxid uhličitý v kombinaci se solankou přítomnou v rezervoáru může reagovat s minerály tvořícími horniny úložiště. Některé minerály se mohou rozpustit, zatímco jiné se naopak mohou vysrážet, a to v závislosti na pH a minerálním složení rezervoárových hornin. Odhady naznačují, že i po velmi dlouhé době bude pomocí mineralizace zadržena jen relativně malá část CO₂. Po 10 000 letech by mělo být mineralizací zadrženo pouhých 5 % uloženého oxidu, zatímco 95 % by se mělo rozpustit a žádný CO₂ by neměl zůstat ve formě samostatné fáze (husté tekutiny).

Jak to víme?

Jednak díky laboratorním měřením: na vzorcích hornin lze provádět experimenty s mineralizací, prouděním a rozpouštěním. Dalším pomocníkem jsou numerické simulace: počítačové programy lze využít k predikci chování oxidu uhličitého v mnohem delších časových intervalech. Můžeme studovat přírodní rezervoáry CO₂, kde je tenot oxid (většinou vulkanického původu) zadržován v podzemí po dlouhá časová období, často po miliony let. Takové struktury se označují jako „přírodní analogy“. Samozřejmě probíhá monitorování demonstračních projektů geologického ukládání CO₂, jako jsou např. Sleipner (při pobřeží Norska), Weyburn (v Kanadě), In Salah (v Alžírsku) nebo K12b (při pobřeží Nizozemí). Výsledky krátkodobých simulací se zde porovnávají se skutečnými terénními daty, což umožní zpřesnit použité modely.

Hlavní poznatky

• Za příznivých geologických podmínek může být přírodně vzniklý plyn zadržen po dobu stovek tisíc až milionů let.
  
• Přirozené rezervoáry a kapsy plynu se dokonce vyskytují i v těch nejméně příhodných geologických podmínkách (např. ve vulkanických oblastech).
  
• Difuze je proces velmi pomalý, takže migrace jakéhokoli významnějšího množství plynu vyžaduje proudění způsobené tlakem.
  
• Místa, kde dochází k únikům přirozeně se vyskytujících plynů na povrch, leží téměř výhradně ve vulkanických a seizmicky aktivních oblastech, v nichž leží výrony plynu na aktivních nebo nedávno aktivovaných zlomech.
  
• Významné úniky plynu se vyskytují pouze zřídka a jsou vesměs omezeny na výrazně zlomově porušené vulkanické a geotermální oblasti, kde CO₂ nepřetržitě vzniká přírodními procesy.
  
• Anomálie plynu na povrchu jsou obvykle ve formě plošně limitovaných až bodových výskytů, které mají omezený prostorový dopad na okolní prostředí.

Ale „co když…“?

Oxid uhličitý je pro lidské zdraví nebezpečný jen ve velmi vysoké koncentraci, zhruba od 50 000 ppm (5 %), kdy způsobuje bolesti hlavy, závrať a nevolnost. Vyšší hodnoty mohou způsobit smrt, je‑li jim člověk vystaven příliš dlouho, zejména když koncentrace kyslíku ve vzduchu poklesne pod životně nutnou úroveň 16 %. Uniká‑li však CO₂ v ploché otevřené krajině, rychle se rozptýlí ve vzduchu, a to i při slabém větru. Potenciální riziko pro obyvatelstvo je tak omezeno na uzavřené prostředí nebo tzv. topografické deprese, kde koncentrace tohoto plynu může vzrůst, protože je těžší než vzduch a má tendenci se hromadit při povrchu. Ve skutečnosti mnoho lidí trvale žije v oblastech s každodenními přirozenými výrony plynu. Např. v Ciampinu v Itálii, poblíž Říma, jsou obytné domy postaveny jen 30 m od míst výronů plynu, kde koncentrace CO₂ v půdě dosahují 90 % a denně do atmosféry uniká 7 tun CO₂. Místní obyvatelé se vyhýbají riziku dodržováním jednoduchých preventivních opatření, například nespí v přízemí a domy dobře větrají.

Dopady na životní prostředí

Potenciální dopady úniků oxidu uhličitého z úložiště na ekosystémy by se lišily v závislosti na tom, zda je úložiště situováno na pevnině nebo pod mořským dnem. U mořských ekosystémů je hlavní účinek CO₂ lokální a spočívá ve snížení pH. S tím souvisejí zejména dopady na faunu, která žije na mořském dně a nemůže se přesunout. Brzy poté, co únik ustane, se ekosystém obnovuje. U pevninských ekosystémů mohou být dopady shrnuty zhruba takto:

Vegetace – Koncentrace CO₂ v půdním vzduchu na úrovni 20–30 % jsou z hlediska výživy rostlin vlastně příznivé a zvyšují rychlost růstu některých druhů, ale hodnoty nad tímto limitem mohou být pro některé (ale ne všechny) rostliny smrtící. Tento jev se výrazně koncentruje na bezprostřední okolí místa výronu plynu; vegetace však zůstává silná a zdravá už ve vzdálenosti několika metrů.

Kvalita podzemní vody – Přidání CO₂ může pozměnit chemické složení podzemní vody, neboť voda se pak stává kyselejší a z hornin a minerálů se mohou uvolnit některé prvky. I kdyby plyn unikl do vrstvy s pitnou vodou, účinky by zůstaly prostorově omezené. Není bez zajímavosti, že mnoho evropských akviferů je obohaceno přírodním CO₂ a voda z nich se často jímá do lahví a prodává jako „minerální“.

Integrita hornin – Okyselení podzemní vody může způsobit rozpouštění hornin, snížení strukturální celistvosti a vytvoření závrtů. Proto pouze důkladná znalost geologické a strukturní stavby nám v konečném důsledku umožní identifikovat všechny potenciální únikové cesty plynu, vybrat úložiště s nejnižším potenciálem úniku a předpovídat chování plynu.

Zpracováno na základě publikace Co to vlastně je geologické ukládání CO₂?, vydal Geonet, http://www.CO2geonet.eu

---

Víte, že…

…podzemní ukládání CO₂ není lidským vynálezem?
Jde o zcela přírodní a široce rozšířený jev, což dokazují přirozená ložiska oxidu uhličitého, která v přírodě existují po tisíce a miliony let. Příkladem je skupina osmi přirozených ložisek CO₂ v jihovýchodní Francii, která byla objevena při ropném průzkumu v 60. letech 20. století. Tyto přírodní lokality i mnoho dalších po celém světě dokazují, že geologické formace jsou schopny účinně a bezpečně zadržovat CO₂ po extrémně dlouhá časová období.

---

Co pro výzkum CCS dělá Česká republika

V České republice začal výzkum v oblasti CCS až začátkem nového tisíciletí. V rámci projektů EU (CASTOR, GeoCapacity) proběhla na území České republiky v letech 2003–2008 inventarizace vhodných geologických oblastí a struktur pro ukládání CO₂ a předběžného odhadu potenciální úložné kapacity. V současnosti je předmětem výzkumu celý řetězec technologie CCS – od zachycování CO₂ v elektrárnách až po ukládání do podzemí v rámci národního projektu, financovaného Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR. Výzkum řeší mimo jiné vhodnost přestavby současných elektráren oproti výstavbě úplně nových bloků vybavených zachycováním CO₂. Pro ukládání CO₂ v podzemí se v laboratořích testují vzorky hornin, získané z hlubokých vrtů v těch geologických oblastech, které byly v předchozích etapách výzkumu vyhodnoceny jako vhodné pro ukládání CO₂.

Další zdroje informací

Zvláštní zpráva o CCS Mezivládního panelu pro změnu klimatu (IPCC):
http://www.ipcc.ch/pdf/special‑reports/srccs/srccs_wholereport.pdf

Internetové stránky Generálního ředitelství pro klimatickou akci Evropské komise o CCS, včetně informací o právním rámci a implementaci Směrnice o geologickém ukládání oxidu uhličitého http://ec.europa.eu/clima/policies/lowcarbon/ccs_en.htm

Internetová stránka IEA GHG s informacemi o nástrojích pro monitoring:
http://www.CO2captureandstorage.info/CO2tool_v2.1beta/introduction.html