Aktuální číslo:

2018/10

Téma měsíce:

Navigace

Uhlí jako úložiště a zdroj plynů

Oxid uhličitý může pomáhat těžit metan
 |  11. 9. 2008
 |  Vesmír 87, 622, 2008/9

Oxid uhličitý je v současnosti nejvýznamnějším antropogenním skleníkovým plynem. V porovnání s ostatními sice nevykazuje nejsilnější efekt, ale jeho mimořádný význam je dán tím, že je emitován v největším množství. Proto je snižování jeho emisí v popředí zájmu na celém světě.

Vedle žádoucího omezení vzniku emisí vypouštěných do ovzduší zejména z energetických zdrojů je možné významně snižovat obsah oxidu uhličitého v atmosféře i jinak. Lze jej zachytávat a ukládat do vhodných dlouhodobých úložišť v geosféře, jako jsou vytěžená ložiska ropy a plynu, hluboká zvodnělá pískovcová souvrství nebo souvrství uhelná. Za velmi efektivní způsob ukládání oxidu uhličitého se považuje injektování do uhelných slojí, neboť se obvykle provádí paralelně s těžbou uhelného metanu. Podle výsledků výzkumu, simulačních studií a zkušeností z prvních pilotních projektů dochází zároveň k vítanému zvýšení produkce metanu. Metoda se označuje zkratkou ECBMR (Enhanced Coal Bed Methane Recovery) a je vhodná zejména k využití netěžitelných uhelných slojí. Oxid uhličitý lze injektovat rovněž do uhelných ložisek s dlouhodobě probíhající těžbou metanu, což se již dnes využívá v řadě zkušebních projektů. V budoucnosti se uvažuje o propojení technologie ukládání oxidu uhličitého s efektivnějším využitím těženého metanu, a to nejen pro elektrárenské účely, ale především pro výrobu vodíku – plynu s širokými možnostmi využití. Vodíkový systém by mohl být reálnou možností jak pokrýt energetické požadavky ve světě.

Uhlí jako kolektor

Existence přirozeného či uměle vytvořeného „plynového kolektoru“ v uhelných slojích je umožněna výjimečnými vlastnostmi uhlí. Tato hornina představuje organogenní sediment makromolekulárního charakteru, který vznikl působením teploty a tlaku v dlouhém časovém intervalu anaerobní chemickou přeměnou rostlinných tkání, při níž rostlinná hmota zuhelnatěla. Uhlí má typické vlastnosti gelu, snadno se v něm rozpouští řada plynů a par. Při těchto procesech bobtná a s vybranými plyny ochotně reaguje za vzniku chemisorpčních komplexů. Ve svém vnitřním prostorovém uspořádání si přírodní uhlí podrželo podstatnou část porézní struktury rostlinné hmoty a převažují v něm tak dutiny s efektivními rozměry pod 2 nm; jde tedy o látku s mikroporézní strukturou.

Porézní systém uhlí je tvořen sítí pórů, které jsou v ideálním případě propojeny. Tuto síť si lze představit jako povodí řeky nebo soustavu žil v lidském těle. Označení „póry“ zahrnuje trhliny a dutiny milimetrových rozměrů viditelné pouhým okem, trhliny a dutiny mikrometrických rozměrů, které lze identifikovat světelným a skenovacím elektronovým mikroskopem, a póry nanometrických velikostí, jejichž přítomnost lze určit pouze transmisním elektronovým mikroskopem. 1)

Sorpční procesy probíhající v porézním systému uhelné hmoty lze považovat za hlavní mechanizmus uložení metanu a obdobně i ukládání oxidu uhličitého. 2) Vysokotlaké izotermy poskytují údaj o celkovém množství plynu v uhlí, ale bez rozlišení způsobu vazby. Uvažuje se o možnosti, že plyn je vázán zčásti jako adsorbovaný, zčásti jako volný bez interakce s uhlím a rozpuštěný v pórové vodě. Ačkoliv je znám mechanizmus sorpce v mikropórech objemovým zaplňováním, je množství plynu adsorbované v mikropórech zahrnováno bez bližšího rozlišení do celkového adsorbovaného množství. Vzhledem k tomu, že mikroporézní systém je hlavní texturní součástí přírodního kolektoru plynu, byl vedle plynu adsorbovaného na povrchu mezopórů a makropórů definován i plyn adsorbovaný v mikroporézní fázi jako samostatná forma vazby plynu v uhlí. Všechny formy vazby plynu na uhlí lze matematicky vyjádřit a pomocí experimentálně ověřených výpočtů můžeme stanovit potenciální množství metanu uloženého ve sloji a kapacitu uhlí pro uložení oxidu uhličitého.

Sorbované množství plynu v mikropórech se obvykle interpretuje jako adsorbované. Plyn však má také schopnost se rozpouštět (absorbovat) v makromolekulární uhelné matrici. Adsorpce a absorpce představují souběžně probíhající děje, které zatím nelze experimentálně rozlišit. K určení absorbovaného množství byla použita metoda anylýzy sorpční izotermy a absorbované množství bylo definováno jako další způsob vazby plynu v uhlí. Metanu je v uhelné matrici absorbováno významně více než oxidu uhličitého. Celkové absorbované množství plynu zvyšuje kapacitu ložiska, avšak zároveň způsobuje bobtnání uhelné hmoty, a tím negativně ovlivňuje propustnost jejího porézního systému.

Metan a oxid uhličitý se vážou různě

Uhlí má schopnost sorbovat větší množství oxidu uhličitého než metanu, obvyklý poměr je 2 : 1. Provedené studie potvrzují závislost tohoto poměru zejména na stupni prouhelnění ložiska a jeho tlakových a teplotních podmínkách. Poměr oxidu uhličitého k metanu je nejvyšší u nízkoprouhelněných uhlí, klesá se zvyšujícím se stupněm prouhelnění. Sorpční schopnost uhelné hmoty je tedy vyšší u hnědých uhlí a snižuje se k černým uhlím. 3)

Vzhledem k stále ještě rozsáhlým zásobám uhlí, a to i na území České republiky, představuje ukládání oxidu uhličitého do uhelných slojí jednu z možných cest k snižování obsahu skleníkových plynů v atmosféře.

Poznámky

1) Mikroskopické metody umožňují přímou identifikaci tvaru pórů, které mají v uhlí převážně štěrbinový charakter, daný mechanizmem jejich vzniku. V souladu s těmito analýzami se póry standardně dělí podle velikosti na mikropóry, mezopóry, makropóryhrubé póry. Jejich velikost je vyjádřena efektivním poloměrem, jenž se podle použitého modelu v případě kruhového průřezu póru rovná jeho poloměru a u štěrbinového tvaru póru poloviční šířce štěrbiny. Hlavní geometrické parametry porézního systému, kterými jsou objem pórů, povrch pórů a jejich distribuce podle velikosti, lze určovat pouze nepřímými metodami. Významné jsou sorpční metody, založené na sorpci plynů na tuhých látkách, kdy sorbované množství je základním údajem, z něhož jsou podle teoretických vztahů vypočteny geometrické veličiny, a dále metody porometrické, vycházející z údajů o množství rtuti, která zaplňuje porézní systém.
2) Studiem sorpce v porézním systému uhlí se zabývá laboratoř sorpční a porometrické analýzy Ústavu struktury a mechaniky hornin AV ČR, v. v. i. Pro odhad množství plynu uloženého ve sloji a uvolňovaného z ní zavedla vlastní laboratorní metodu pro stanovení množství plynu, který je pohlcen ve vytěženém uhlí při tlaku a teplotě odpovídající poměrům in situ. Metoda nahrazuje vysokotlaká sorpční měření jednodušší technikou sorpce za nízkých tlaků.
3) Metan je v uhlí vždy přítomen v oblasti nadkritických teplot (Tk = –82,5 °C) a je vázán všemi zmiňovanými formami vazeb. Sorpce metanu je ovlivněna nepolárním charakterem jeho molekuly a uskutečňuje se bez výběru kontaktních míst na povrchu adsorbentu. Jinak je tomu u pohlceného oxidu uhličitého. Mechanizmus a rozsah ukládání a pevnost vazby souvisejí s účinností interakčního procesu, který je závislý na jeho molekulárních vlastnostech a fyzikálněchemické povaze externích center uhelné hmoty. Oxid uhličitý může být v uhlí přítomen jak při podkritické, tak při nadkritické teplotě (Tk = 33,1 °C) a rovněž při podkritickém i nadkritickém tlaku (Pk = 7,4 MPa). Sorpční afinita oxidu uhličitého zejména k aktivním centrům v povrchu uhlí je způsobena polárním charakterem jeho molekuly. Tím se řídí rozsah jeho adsorpce, zejména na povrchu mezopórů a makropórů, mikropóry podléhají mechanizmu objemového zaplňování. Velmi důležitá je interakce s uhelnou hmotou, při níž se oxid uhličitý absorbuje. Vzniká i možnost chemisorpčních vazeb, které jsou mnohem pevnější než fyzikálněsorpční.

SLOVNÍČEK

absorpce – pohlcování, vstřebávání

adsorpce – hromadění látky na povrchu látky jiné (adsorbentu) působením fyzikálních sil, vratný děj

chemisorpce – hromadění látky na povrchu látky jiné (adsorbentu) působením chemických sil, nevratný děj

objemové zaplňování – mechanizmus sorpce plynu v mikropórech jako důsledek zesíleného adsorpčního potenciálu protilehlých stěn pórů

kritická teplota – teplota, nad kterou nelze plyn zvyšováním tlaku zkapalnit

kritický tlak – minimální tlak nezbytný ke zkapalnění plynu při jeho kritické teplotě

izoterma – závislost adsorbovaného množství adsorbátu na tlaku za konstantní teploty

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Energetika

O autorovi

Zuzana Weishauptová

Ing. Zuzana Weishauptová, DrSc., vystudovala VŠCHT. V Ústavu struktury a mechaniky hornin AV ČR, v. v. i., se zabývá sorpční a porometrickou analýzou porézních materiálů.

Doporučujeme

Vlaštovka extrémista

Vlaštovka extrémista

Jaroslav Cepák, Petr Klvaňa  |  10. 10. 2018
Díky satelitní telemetrii se podařilo odhalit vpravdě neuvěřitelné výkony některých ptačích druhů. Nejznámějším je zřejmě osmidenní nonstop let...
Velké umění astronavigace: Od astrolábu po sextant

Velké umění astronavigace: Od astrolábu po sextant

Petr Scheirich  |  1. 10. 2018
Staří mořeplavci prý určovali polohu své lodi podle hvězd. Tato rozšířená romantická představa je ale nesprávná. Metoda astronavigace nikdy nebyla...
Jak se neztratit na moři

Jak se neztratit na moři

Petr Scheirich  |  1. 10. 2018
Dle znamenitého pozorování Slunce a Měsíce shledávám naši zeměpisnou délku 178° 18' 30" západně od Greenwiche. Zeměpisná délka dle logu je 175°...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné