Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

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

Tajemná sůva šumavská

Tajemná sůva šumavská

Jan Andreska  |  17. 12. 2017
Byl vyhuben a vrátil se. Na Šumavu lidskou snahou a do Beskyd vlastním přičiněním. Puštík bělavý teď žije opět s námi, ale ohrožení trvá.
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

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

 

Objednat předplatné