ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROENERGETIKY A EKOLOGIE DIPLOMOVÁ PRÁCE Problematika produkce oxidu uhličitého v energetice ČR a její možná řešení autor: Bc. Václav Lipka 2011 vedoucí práce: Mgr. Eduard Ščerba, Ph.D.

Stránka 1

Stránka 2

Abstrakt Diplomová práce je zaměřená na problematiku produkce emisí CO2 v České republice, který je produkován jako vedlejší produkt spalování fosilních paliv při výrobě elektrické a tepelné energie. V prvním bodě této práce je popis vývoje produkce CO2 mezi roky 1990 a 2008. Hlavním cílem této práce je objasnění metod zachytávání a ukládání CO2 jako jedné z možností omezení změny klimatu. Dále pak jsou zde uvedeny nové technologie pro spalování uhlí s vysokou účinností, které snižují spotřebu uhlí, a tak i emise CO2. Dalším bodem této práce je ekonomické, environmentální a energetické zhodnocení těchto technologií a metod. Tento bod je zaměřen na měrné náklady a měrné emise těchto technologií. Poslední bod této práce se zabývá možností využití těchto technologií v České republice. Klíčová slova: Oxid uhličitý, IGCC, PFBC, CCS, metody separace CO2, produkce CO2 v ČR, uložení CO2 Abstract Master's Thesis is focused on production of CO2 gas in the Czech Republic which is produced as a byproduct of combustion of fossil fuels for producing the electric and thermal energy. In the first part of this thesis is description of the development of CO2 emissions between 1990 and 2008. The main objective of this thesis is to clarify the methods for CO2 capture and storage as an option to reduce climate change. In this part of the thesis, there are presented new technologies for burning coal with high efficiency. These technologies reduce the consumption of coal and amount of carbon dioxide gas. Another part of this thesis is an economic, environmental and energy improvements to these technologies and methods. This part is focused on the specific costs and specific emissions of these technologies. The last section of this work deals with the possibility of using these technologies in the Czech Republic. Key words: Carbon dioxide, IGCC, PFBC, CCS, methods of the CO2 separation, production of CO2 in ČR, CO2 gas storage, Stránka 3

Prohlášení Předkládám tímto k posouzení a obhajobě diplomovou práci, zpracovanou na závěr studia na Fakultě elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni. Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně, s použitím odborné literatury a pramenů uvedených v seznamu, který je součástí této diplomové práce. V Plzni dne 7.5.2011.. Stránka 4

Poděkování Děkuji svému vedoucímu Diplomové práce Mgr. Eduardu Ščerbovi, Ph.D. za jeho vedení a odborné rady týkající se obsahu této práce. Největší poděkování však patří mým rodičům, kteří mě po celou dobu studia podporovali a umožnili zhotovení této práce. Stránka 5

Obsah:.... str. 6 Úvod........ str. 8 1. Produkce CO2 v České republice.....str. 9 1.1 Oxid uhličitý.....str. 9 1.2 Vývoj produkce oxidu uhličitého v České republice..... str. 9 1.3 Energetika ČR stacionární zdroje.. str. 11 1.4 Energetika- mobilní zdroje.... str. 14 1.5 Klimaticko energetický balíček. str. 15 2. Nástroje, metody a postupy pro redukci CO2... str. 17 2.1 Oběhy s nulovými emisemi......str. 19 2.1.1 Absorpční techniky separace CO2. str. 19 2.1.2 Membránová separace.....str. 22 2.1.3 Adsorpce na minerální sorbenty..str. 23 2.1.4 Kryogenní separace.....str. 24 2.2 Metody a technologie zachycování CO 2 v Energetice...str. 25 2.2.1 Zachycování CO 2 po procesu spalování (Post-combustion)....str. 26 2.2.2 Zachycování CO 2 před procesem spalování (Pre-combustion)..str. 26 2.2.3 Separace CO 2 při spalování s kyslíkem (oxyfuel).. str. 27 2.3 Zachycení a uložení CO2 (CCS).. str.30 2.3.1 CCS v EU str. 31 2.3.2 Doprava...str. 33 2.3.3 Ukládání.. str. 34 2.4 Zdokonalené technologie výroby energie....str.38 2.4.1 IGCC...str. 38 2.4.2 Práškové spalování..str. 41 2.4.3 Fluidní spalování.str. 43 2.4.4 Paroplynová elektrárna (NGCC, CCGT).... str. 45 2.4.5 KVET.. str. 46 3. Metody redukce CO2 a jejich zhodnocení... str. 49 3.1 Zhodnocení CCS....str. 49 3.2 Zhodnocení technologií na fosilní palivo......str. 54 3.2.1 PC, PFBC, CFBC,IGCC. str. 55 3.2.2 Kogenerační jednotka. str. 56 3.3 Zhodnocení snížení CO2 v ČR.str. 58 Stránka 6

3.3.1 Palivový mix ČR.str.58 3.3.2 Plánovaná opatření Politiky ochrany klimatu v ČR....str. 63 3.3.3 Emise CO2 Skupiny ČEZ... str. 67 4. Možnost využití nových uhelných technologií v ČR....str. 68 Závěr.. str. 73 Seznam zkratek.. str. 75 Seznam grafů str. 76 Seznam tabulek..str. 77 Seznam obrázků. str. 78 Seznam literatury...str. 79 Stránka 7

Úvod V minulosti se výroba elektrické a tepelné energie orientovala převážně na výrobu z dostupného, levného a stabilního zdroje, kde tímto zdrojem bylo uhlí. V době průmyslové revoluce tak většina elektráren světa vyráběla energii právě z tohoto zdroje. Zvyšující se pokrok ve vývoji společnosti sebou přinesl i větší potřebu po energiích. Uspokojení této potřeby znamenalo zvýšení výroby energie a tedy i zvýšení spotřeby fosilních paliv. Tato spotřeba pak vedla k masivnímu nárůstu škodlivých látek v atmosféře a také k nárůstu koncentrace skleníkového plynu CO2. Rapidní nárůst skleníkových plynů produkovaných lidskou činností v atmosféře, umocňuje skleníkový efekt a tím i změnu klimatu Země. Proto se politické orgány většiny států světa shodli na nutnosti omezit produkci skleníkových plynů a tím se pokusit vyvarovat případných negativních dopadů. Na fenomén změny klimatu poprvé upozornili vědci v roce 1960. Kde od té doby je toto téma jedním z nejdiskutovanějších globálních problémem. Pro získání podkladů týkajících se této změny vznikl Mezivládní panel pro změnu klimatu (IPCC), kde informace a hodnocení vycházející z tohoto panelu jsou použity jako základna pro politická jednání. V současné době je v rámci ochrany klimatu nejaktivnější Evropská unie, která začátkem roku 2008 vydala tzv. Klimaticko energetický balíček. Tento balíček tvoří soubor politických návrhů a norem, které mají výrazně přispět k omezení produkce skleníkových plynů (převážně CO2) a dále motivovat k vývoji a zavádění tzv. nových čistých technologií v procesech spalování fosilních paliv. Hlavním cílem této práce je identifikace těchto technologií, které mají v budoucnu vést k významnému snížení oxidu uhličitého. Dalším cílem této práce je pak tyto technologie zhodnotit, a to v rámci jejich účinnosti a použitelnosti při výrobě elektrické a tepelné energie v České republice. Dále je také v práci zhodnocena produkce oxidu uhličitého v České republice mezi roky 1990 až 2008 a to v oblasti energetiky. Stránka 8

1. Produkce CO2 v České republice Oxid uhličitý patří mezi skupinu plynů, označovaných jako skleníkové plyny, které přispívají svojí koncentrací v atmosféře ke změně klimatu. Tyto plyny jsou produkovány jak přírodní cestou, tak činností člověka. Mezi nejvíce člověkem produkovaný skleníkový plyn patří oxid uhličitý, který vzniká především spalováním fosilních paliv při výrobě elektrické a tepelné energie. V této části mé práce se podíváme na charakteristiku CO2, jeho dopady na prostředí a na jeho produkci v ČR. 1.1 Oxid uhličitý Jedná se o bezbarvý plyn bez zápachu. Není hořlavý a je 1,5 x těžší než vzduch. Zdroje emisí: Přírodní zdroj emisí CO2 představuje dýchání aerobních organismů, požáry, sopečné činnosti atd. Zvyšování CO2 v atmosféře značně urychluje člověk a to nejvíce spalováním fosilních uhlíkatých paliv, které představují velmi významný zdroj emisí. Další antropogenní emise CO2 tvoří: spalování zemního plynu, ropných produktů, uhlí, koksu, paliv biologického původu (biomasy, dřeva, bionafty a bioplynu). Odvětví vypouštějící emise CO2 jsou: spalovací procesy, koksárenství, rafinerie olejů a plynu, hutnictví a kovoprůmysl, cementárny, sklárny, tavení nerostných materiálů, zpracování celulózy a dřeva, aj. Dopady na životní prostředí: Oxid uhličitý v atmosféře absorbuje infračervené záření zemského povrchu, které by jinak uniklo do kosmu, a přispívá tak ke vzniku tzv. skleníkového efektu a následně ke globálnímu oteplování planety. Jeho koncentrace se od konce 18. století zvýšila v důsledku spalování fosilních paliv o 36 procent a v roce 2006 dosáhla úrovně 381,2 ppm. Přibližně 45 procent emisí z fosilních paliv pohltily oceány a biosféra. [1] 1.2 Vývoj produkce oxidu uhličitého v České republice Množství oxidu uhličitého a dalších skleníkových a jiných plynů v České republice je sledováno Českým hydrometeorologickým ústavem, který spravuje Národní inventarizační systém skleníkových plynů (NIS). Tento systém byl vytvořen dle Mezinárodních smluv přijatých za účelem regulace emisí skleníkových plynů (Rámcová úmluva OSN o změně klimatu a Kjótský protokol) a vyžadujících jednotný, transparentní, konzistentní a kontrolovatelný způsob národní inventarizace emisí a propadů skleníkových plynů. Inventarizace je pak prováděna v souladu s mezinárodní metodikou Mezivládního panelu pro změny klimatu (IPCC). V rámci úmluvy OSN je sledováno i zachycování CO2 (propady) v sektoru Využívání území, změny ve využívání území a lesnictví (LULUCF - Land Use, Land Use Change and Forestry Activities). Poslední inventarizace zahrnuje emise z roku 2008 a byla předána v roce 2010. [1] Česká republika je jako většina zemí světa zapojena do systému Kjótského protokolu, ke kterému má závazek, že do prvního kontrolního období (2008 2012) sníží své emise skleníkových plynů o 8% v porovnání s emisemi z roku 1990. Tento závazek byl splněn s rezervou. Celkové emise (bez LULUCF) poklesly z 194,2 Mt CO2 ekv v roce 1990 na hodnotu 141,4 Mt CO2 ekv v roce 2008, což je pokles o 27,6 % v porovnání s rokem 1990. [1] Stránka 9

Množství oxidu uhličitého v České republice v roce 2008 činilo 120 741.63 Mt oproti množství 164 332.55 Mt v roce 1990, což je snížení emisí CO2 o 28% to představuje 53 Mt. Z těchto hodnot můžeme vidět, že celkové množství snížení emisí skleníkových plynů v ČR je dáno především snížením emisí oxidu uhličitého. Následující graf zobrazuje vývoj produkce CO2 v České republice od roku 1990 do roku 2008 a znázorňuje produkci těchto emisí z jednotlivých průmyslových odvětví. Graf 1: Emise CO2 (Mt) [1] Z tohoto grafu je patrné, že největší snížení emisí CO2 bylo realizováno v letech 1991-1994, kdy došlo k restrukturalizaci výroby a ekonomické transformaci. V dalších letech hodnoty emisí spíše stagnovaly. Výraznější změnu přinesly rok 2007 2008, kdy emise CO2 klesly cca o 5Mt, což představuje pokles o 5%. Z grafu je dále patrné, že v České republice má na produkci oxidu uhličitého výrazný podíl energetický průmysl a rostoucí zatížení energetickými mobilními zdroji. Tab. 1 : Množství vyprodukovaných emisí CO2 (Mt) z hlavních odvětví v letech 1990,2007 a 2008 s LULUCF CO2 (Mt) s 1990 2007 2008 LULUCF Energetika 145,612 112,735 107,856 Průmyslové 18,169 12,941 12,157 procesy Rozpouštědla a jiné látky 0,550 0,297 0,282 Zdroj: ČHMÚ Stránka 10

Největší producenti Největším celosvětovým producentem oxidu uhličitého je energetika a to hlavně energetické stacionární zdroje. Tyto zdroje slouží k výrobě tepelné a elektrické energie prostřednictvím spalování fosilních paliv (především uhlí), kde při procesu spalování dochází ke vzniku oxidu uhličitého a jiných plynů. Uhlí je ve světě i v České republice stále jednou z nejdůležitějších energetických surovin pro výrobu elektrické a tepelné energie. V porovnání s ropou či zemním plynem se jedná o spolehlivý a levný zdroj energie. Uhlí je ale také jedním z největších znečišťovatelů ovzduší a to i přes neustále modernější technologie jeho zpracování. Spalováním uhlí se uvolňuje o 70% více emisí než při spalování zemního plynu. I přes snahu světových organizací nabádající k využívání méně znečišťujících zdrojů, tak mezi roky 2000 2006 stoupla spotřeba uhlí o 31%. Evropská unie v roce 2007 spotřebovala 455 mil. tun uhlí. Toto množství pokrylo pětinu energetické spotřeby EU-27, 40% spotřeby EU-27 je pokryto ropou, 24% zemním plynem, 18% uhlím, 13% jadernou energií a 5% pokrývají obnovitelné zdroje energie (viz. Graf 2). [20] Energetické zdroje ČR jsou stále převážně orientovány na uhlí a další uhlíkatá paliva (viz Graf 2), což je důvod proč má ČR vyšší množství měrných emisí CO2 než jiné státy EU. [1] Graf2: Využívání primárních energet. zdrojů v r. 2006 [1] 1.3 Energetika ČR stacionární zdroje Česká republika patří k průmyslovým zemím s energeticky náročnou výrobou (výroba železa a oceli, vápna, cementu, chemická výroba, atd.) a s vysokým podílem spalování tuhých paliv pro výrobu tepla a elektrické energie. Kvůli těmto a dalším faktorům patří ČR k největším producentům emisí CO2 v EU. Česká republika v roce 2008 vyprodukovala 120 Mt CO2. Toto množství při populaci 10 mil. obyvatel činí cca 12 tun CO2 na jednoho obyvatele za rok, což nás staví do popředí žebříčku producentů v EU, kde je průměrná hodnota CO2 na obyvatele 8,5 Mt. [1] Česká energetika v tomto období zaznamenala několik významných událostí (modernizace elektrárny Prunéřov, plánované rozšíření jaderné elektrárny Temelín, značný nárůst fotovoltaiky atd.), což se projevilo i na spotřebě elektrické energie. V roce 2007 vyrobily české elektrárny 88000 GWh elektrické energie, v roce 2008 bylo vyrobeno 83 500GWh a v roce 2009 82 250GWh. Tento pokles zhruba o 6% má na svědomí snížení průmyslové výroby a šetrnější chování firem a domácností.[2] Stránka 11

Uhelné elektrárny vyrábějí 57% elektrické energie (viz graf 3), jejich podíl ale postupně klesá v důsledku vyčerpání zásob uhlí a nárůstu jeho ceny. Graf 3: Podíly jednotlivých zdrojů energie v České republice. [2] zdroj:www.nazeleno.cz Vzhledem k blížícímu se scénáři vyčerpání zásob uhlí (viz graf 4) na některých místech, společnost ČEZ, vlastnící většinu uhelných elektráren na našem území, plánuje renovace nebo odstavení některých elektráren. Renovaci čeká elektrárny: Tušimice II, Prunéřov II a Počerady, naopak do pěti let by měla být uzavřena elektrárna Prunéřov I, do deseti let Mělník III atd. Graf 4: Životnost zásob hnědého uhlí a lignitu dle dolů. [2] zdroj:www.nazeleno.cz Největším problémem výroby elektrické energie z fosilních paliv je malá účinnost přeměny daného paliva na elektřinu. Nynější účinnost uhelných elektráren v České republice je cca 30-35%, s čímž je spojena nutnost značného množství paliva pro výrobu elektrické energie a tím je i vyšší produkce CO2. V důsledku tohoto faktu a v důsledku změny klimatu se začaly hledat způsoby omezení emisí CO2 ze spalovacích procesů. Prvním a hlavním prostředkem je zvýšení účinnosti spalovacího procesu a procesu přeměny paliva na elektrickou energii. Toho lze dosáhnout použitím moderních uhelných technologií, které dnes dovolují dosáhnout účinnosti 43% a více. Jako další možnost redukce CO2 se uvažuje Stránka 12

o technologiích, které umožní zachytávání CO2 přímo ze spalin nebo přímo z procesu spalování. Tyto technologie se zavádějí při výstavbě nových elektrárenských bloků, protože instalace na starší zařízení je příliš drahá a nemá mnohdy 100% účinek.[3] Těmito technologiemi se budeme zajímat v další kapitole. Jak je zřejmé z grafu č. 3, největším problémem České republiky jsou zdroje spalující uhlí, které produkuje většinu CO2. Největším znečišťovatelem (podle IRZ - Integrovaný registr znečištění) je elektrárna Prunéřov patřící společnosti ČEZ. Tato elektrárna v roce 2007 vypustila emise oxidu uhličitého v množství 10,1 milionu tun, což je více než vyprodukují ročně všechny osobní automobily v ČR. Nynější snahou elektrárenských společností je snižování zátěže ŽP při provozu těchto elektráren např. zvyšováním účinnosti pomocí retrofitů, spoluspalování fosilních paliv s biomasou atd. Jak budou tyto postupy účinné, se ukáže v budoucnu. Prozatím naším primárním zdrojem pro výrobu energie zůstává uhelné palivo a dlouho to tak ještě zůstane. Graf č. 5: Druhy paliv pro výrobu tepelné energie vyjádřené po jednotlivých krajích (2009) Zdroj: www.tzb-info.cz Stránka 13

1.4 Energetika- mobilní zdroje V roce 1990 byl podíl mobilních zdrojů na celkovém množství emisí skleníkových plynů 4,7 %. Tato hodnota se však zvýšila a v roce 2006 již tyto zdroje představovali 13% z celkového množství emisí. Nárůst individuální automobilové dopravy a letecké dopravy stále pokračuje. Počet registrovaných vozidel se meziročně zvyšuje o 4 % u osobních a 14% u nákladních vozidel a v této tendenci růstu bude zřejmě pokračovat i v dalších letech. Růst nákladní dopravy je zapříčiněn především rostoucí ekonomikou v oblasti zahraničního obchodu a transitními trasami vedoucí územím ČR. V červnu v roce 2008 již bylo v ČR registrováno 7 milionů všech motorových vozidel. [1] Emise z mobilních zdrojů závisí jak na spotřebě paliva, tak i na druhu paliva (zemní plyn má nižší emisní faktor, u biopaliv se počítá s nulovými emisemi CO2). V dnešní době se tyto zdroje zasluhují o to, že emise skleníkových plynů neklesají, nýbrž stoupají. Výraznou část mobilních zdrojů má právě silniční doprava, která se na celkovém množství v roce 1990 podílela 3,9 % a v roce 2006 je tato hodnota 12,6%. [1] Možným řešením jak snížit emise CO2, je využití ekologických paliv a obnova vozového parku. Bohužel vozů na ekopaliva je stále menšina, ale jejich počet stále roste. Přitom například z výfuků aut na zemní plyn vychází až o devadesát procent méně škodlivin než z auta na benzín. Ke konci roku 2007 byl počet aut na propan-butan 117 tisíc, na stlačený zemní plyn 1,4 tisíce a na elektrický pohon osmdesát. [1] Tab. 2:Produkce CO2 jednotlivými druhy dopravy [tis.tun] [1] Stránka 14

1.5 Klimaticko energetický balíček V současné době je tento balíček jedním z nejvýznamnějších legislativních nástrojů v boji proti změně klimatu. Balíček byl představen Evropskou komisí 23. ledna 2008. Tento balíček obsahuje soubor návrhů a opatření, která mají pomoci splnit závazky EU přijaté Evropskou radou v březnu 2007. Dále zavádí společné postupy v oblasti ochrany klimatu, bezpečnosti dodávek energie a konkurenceschopnosti evropských ekonomik. Mezi přijatá opatření z roku 2007 patří: [32] - Snížení emisí skleníkových plynů o 20% do roku 2020 oproti roku 1990 (resp. 30% do roku 2030) - Do roku 2020 dosáhnout podílu obnovitelných zdrojů energie ve výši 20% - Do roku 2020 zvýšit energetickou účinnost o 20% Jádro balíčku je tvořeno: a) Směrnice Evropského Parlamentu a Rady 2009/29/ES, kterou se mění směrnice 2003/87/ES, tak aby se zlepšil systém pro obchodování s povolenkami na emise skleníkových plynů (EU ETS) - odstraněním bezplatného přidělování emisních povolenek jednotlivým průmyslovým podnikům a zavedením jednotných pravidel pro aukce emisních povolenek pro celou EU. b) Rozhodnutí Evropského Parlamentu a Rady č. 406/2009/ES o úsilí členských států snížit emise skleníkových plynů tak, aby byly splněny závazky Společenství v oblasti snížení emisí skleníkových plynů do roku 2020. Jde o stanovení závazku snížit emise skleníkových plynů v odvětvích, které nejsou zahrnuty v EU ETS. Česká republika může své emise v působnosti tohoto rozhodnutí zvýšit až o 9 % v porovnání s emisemi z roku 2005. c) Směrnice Evropského Parlamentu a Rady 2009/28/ES o podpoře využívání obnovitelných zdrojů energie. Směrnice stanovuje rozdělení závazku 20% podílu obnovitelných zdrojů energie na konečné spotřebě do roku 2020 mezi členské státy. Česká republika musí dosáhnout podílu 13 %. d) Směrnice Evropského Parlamentu a Rady 2009/31/ES o geologickém ukládání oxidu uhličitého. Směrnice stanovuje technické a bezpečnostní požadavky spojené s provozováním a ukončováním provozu zařízení CCS. Upravuje také otázky financování pilotních instalací CCS v EU. Pro nové uhelné elektrárny s elektrickým výkonem nejméně 300 MW zavádí směrnice, při splnění určitých podmínek, povinnost mít vyhrazen prostor pro instalaci zařízení na zachytávání oxidu uhličitého. Stránka 15

V ČR se problematikou změny klimatu zabývá Politika ochrany klimatu, jejímž účelem je konkretizovat opatření a nástroje mající přispět k snížení emisí skleníkových plynů. Cílem této politiky je snížení emisí skleníkových plynu o 20 % mezi roky 2005 a 2020. V absolutním vyjádření se jedná o 28 Mt CO2ekv. Tento cíl je dosažitelný, budou-li realizována všechna dostupná opatření tak, jak je v dokumentu POLITIKA OCHRANY KLIMATU V ČESKÉ REPUBLICE: Návrh Ministerstva životního prostředí ČR. V těchto nástrojích jsou zahrnuty opaření ze všech průmyslových odvětví např. energetika, doprava, zemědělství atd. Cíl snížení emisí o 20% je ambiciózní a je realizovatelný při plném a včasném využití vhodně zvolených nástrojů. Grafické znázornění plánovaného snížení emisí je na následujícím grafu. [32] Graf 6: Vývoj emisí skleníkových plynů v ČR (Mt CO2ekv. / rok). [32] Stránka 16

2. Nástroje, metody a postupy pro redukci CO2 Světová energetika je dosud značnou měrou orientována na spalování fosilních paliv pro výrobu elektrické a tepelné energie. Tato orientace nastala v minulosti převážně pro dobrou dostupnost a nízkou cenu uhlí. Podíl fosilních paliv ve světovém energetickém mixu tvoří 85% a zbylých 15% spadá na obnovitelné zdroje a jadernou energetiku. V České republice je tento trend obdobný. Při spalování takového množství fosilního paliva se do ovzduší dostává obrovské množství znečišťujících látek a plynů, ze kterých je předmětem našeho zájmu skleníkový plyn oxid uhličitý (CO2). Koncentrace tohoto plynu v atmosféře rychle stoupá a tím stoupá i intenzita skleníkového efektu, na kterém se tento plyn podílí. Tato koncentrace nejen že rychle vzrůstá, jak můžeme vidět v tabulce (Tab. 3), ale také se zvětšují roční přírůstky plynu v atmosféře (Tab. 4). Tab. 3: Růst CO2 v ovzduší [57] Rok 1800 1900 1950 1970 1980 1990 2000 2009 Koncentrace CO2 [ppm(v)] 280 294 310 324 335 351 369 389 - po 650 tisíc let hodnota nevybočila z pásma 180 280ppm(v) Tab. 4: Poměrné roční přírůstky koncentrace CO2 [57] Období Průměrný přírůstek za rok 1800 1900 0,14 1900 1950 0,32 1950 1970 0,70 1970-1980 1,10 1980 1990 1,60 1990-2000 1,80 2000-2009 2,00 Jak je vidět z tabulek výše, tak dochází k postupnému nárůstu a zrychlení růstu CO2 v atmosféře. Jaká část spadá na antropogenní emise CO2 není jisté, ale při velkém množství fosilních paliv spotřebovaných na energetické uspokojení lidstva, je potřeba si připustit jistou míru odpovědnosti za tento nárůst emisí a možné důsledky s tím spojené. V současné době je tento problém řešen mnoha odborníky a politickými činiteli, kteří se snaží najít vhodné metody a prostředky jak snížit podíl fosilních paliv ve světovém energetickém mixu. V dohledné době však nelze očekávat rapidní pokles spotřeby fosilních paliv v tomto mixu, jelikož rychlá orientace na jiný zdroj by vyžadovala velké investice a masivní reorganizaci energetiky. Tendence ústupu je a bude víceméně postupná, kde fosilní paliva budou nahrazována jadernými palivy, obnovitelnými zdroji energie a jinými zdroji energie. Stránka 17

Nynější cesty jak snížit emise CO2 v energetice, jsou zaměřeny na následující opatření: a) zlepšení energetické účinnosti a snížení energetické spotřeby b) využívání obnovitelných zdrojů energie (jako je vítr nebo sluneční energie) c) zachytávání a ukládání CO2, který je vypouštěn do ovzduší V současné době začíná být stále více zjevné, že kombinovaný efekt zlepšení energetické účinnosti a využití obnovitelných zdrojů energie nemůže sám o sobě zajistit požadované snížení emisí. K tomu, abychom dosáhli požadovaného snížení emisí CO2 bude třeba využít i poslední z těchto bodů a to je zachytávání a ukládání CO2 (CCS). V této kapitole se budeme zabývat pouze dvěma z těchto tří bodů, a to novými technologiemi s vyšší účinností a technologiemi pro zachytávání CO2, neboli technologií CCS (Carbon Capture and Storage). Tyto metody můžeme rozdělit následovně: Metody snižování CO2 v energetice: [4] a) Oběhy s nulovými emisemi (redukce do 99%) - Technologie zachycování a ukládání CO2 b) Zdokonalené energetické technologie (redukce do 25%) - IGCC - Integrace zplyňování uhlí a paroplynového oběhu - PFBC - Tlakové fluidní spalovací technologie - NGCC - Paroplynová elektrárna na zemní plyn c) Zvyšování účinnosti uhelných elektráren (redukce do 22%) - Zvýšení účinnosti podkritických uhelných bloků na 38-40 % - Bloky s nadkritickými parametry s účinností do 45 % Stránka 18

2.1 Oběhy s nulovými emisemi Pro separaci CO 2 ze spalin jsou komerčně využívány reverzní chemické reakce s alkalickými sorpčními roztoky. Proces probíhá při dvou teplotách. Při nižší teplotě je CO 2 vázán do roztoku, a při vyšší teplotě je z roztoku opět uvolňován. Nejčastěji jsou využívány aminy (monoetanolamin, KS-1). Protože tyto roztoky reagují s oxidy síry, je vyžadováno důsledné odsíření před separací CO 2, a to zpravidla lepší než v současných elektrárnách. Proces vyžaduje tepelnou energii na regeneraci roztoku a elektrickou energii na pohon čerpadel a ventilátorů. O tuto spotřebu se snižuje energetická účinnost konverze paliva na elektřinu.[7] Separační jednotka se musí nacházet v blízkosti energetické výrobny (pro minimalizaci přepravy spalin) a separovaný CO2 se musí převést na kapalný či nadkritický stav (pro minimalizaci objemu CO2 pro jeho následný transport k uložení). Důležité je rovněž odstranění vody z CO2 pro minimalizaci koroze zařízení při následném transportu a ukládání CO2.[8] Technologie separace CO2 ze spalin jsou principiálně založeny na absorpčních, adsorpčních a membránových postupech, avšak pro praktické využití v příštích letech budou k dispozici pouze metody chemické absorpce.[8] Metody redukce CO2 a) Absorpční techniky separace b) Membránová separace c) Adsorpční separace d) Kryogenní technika 2.1.1 Absorpční techniky separace CO2 Tato technologie redukce CO2 ze spalin je realizována pomocí absorpční vypírky spalin. Při absorpci vypírkou spalin je separovaný plyn vázán na absorpční tekutinu při teplotách 40 50 C a následně uvolňován zpětnou desorpcí při teplotách okolo 110 120 C. Metoda amínové vypírky je používána více jak 70 let. Je využívána v chemickém průmyslu a pro odstraňování kyselých komponentů zemního plynu.[4] Mezi absorpční tekutiny patří různé roztoky etanolamidů (např. mono-etalon amid (MEA), aktivovaný metyl-di-etanol amid (MDEA), diethanolamin (DEA), atd.) a další absorpční prostředky včetně prostředku Rectisol. [5] V současné době jsou nejpoužívanější metody chemická absorpce a fyzikální absorpce. Chemická absorpce se používá nejčastěji, protože její princip je na rozdíl od ostatních metod průmyslově nejvíce ověřen. Stránka 19

Metoda amínové vypírky je energeticky značně náročná především z důvodu spotřeby velkého množství nízkotlaké páry v desorpčním kroku. V současnosti jsou vyvíjeny a zkoušeny nové sorbenty s cílem snížit energetickou náročnost regenerace. [8] Pro absorpční vypírku CO2 ze spalin je spotřeba tepla přibližně 20% tepelného výkonu kotle. Pokud se jedná o energetický plyn, je spotřeba přibližně 5% tepelného výkonu kotle (s požitím Rectisolu je spotřeba o něco menší). Dále pak je nutné vzít v úvahu i energetickou spotřebu čerpadla, která se pohybuje mezi 0,5 1 % elektrického výkonu bloku a při vypírce energetického plynu 1-2 % výkonu elektrárny.[5] Celkově potom metoda amínové vypírky snižuje účinnost elektrárny o 20-25 % relativně (8-10 % absolutně) a u energetického plynu zhruba o 5 10 % relativně (2 4% absolutně).[5] Účinnost amínové vypírky radikálně snižuje přítomnost SO2, NO2, O2 a prachu; lze předpokládat, že především zbytková koncentrace SO2 bude problematickým faktorem, který si může vyžádat až začlenění dodatečného odsíření (snížení koncentrace SO2 z prvních stovek mg/ m3 na první desítky mg/m3).[8] Chemická absorpce Nejvíce je v současnosti využívána chemická absorpce CO2 do aminů (MEA), která využívá vratnou povahu reakce mezi aminem a oxidem uhličitým. Separovaný plyn reaguje s vypírací kapalinou za vzniku kapalných nebo tuhých sloučenin. Tato metoda je dnes používána např. k oddělení CO2 od metanu při těžbě zemního plynu a pro oddělení CO2 z kouřových plynů u menších energetických jednotek. Při chemické absorpci je teplota spalin 40 50 C. Tyto spaliny jsou poté zavedeny do absorpčního zařízení (absorbér), kde je CO2 absorbován do aminového sorbentu, včetně stopových příměsí SOx, NOx, O 2 a popílku. Poté je sorbent s obsahem CO2 zahřán na teplotu 110 C a následně odveden do destilační kolony (tzv. striperu), kde dojde k uvolnění CO2 ze sorbentu (desorpce) za působení tepla (110 120 C). CO2 je následně transportován k dalšímu využití. Sorbent zbavený CO2 je vrácen zpět do absorbéru.[6] Teplota absorbéru pro dostatečnou absorpci musí být 40 60 C, pokud by byla teplota vyšší, došlo by k degeneraci sorbentu a k zhoršení absorpce. Teplota spalin proto musí být cca 50 C, v případě vyšší teploty (např. fluidní kotle) musí být systém vybaven chladičem.[6] Spaliny musí být před vstupem do absorbéru v maximální možné míře zbaveny nežádoucích příměsí, jako jsou kyselé plyny SO 2, NO 2, HCl, které reagují s aminy a vedou ke vzniku teplotně stálých neregenerovatených aminových solí. Tyto soli způsobují snížení absorpce a vznik koroze. Mezi tyto soli patří např. SO2 (koncentrace by měla bít přibližně 29 mg/m3) a NO2 (koncentrace by měla bít přibližně 41 mg/ m3).[6] Stránka 20

Obr 1: Schéma chemické absorpce Zdroj: http://62.160.8.20/eetkb V případě NO2 není problém, jeho obsah ve spalinách je cca 5%. Problém tvoří množství SO2, kde jeho množství závisí na obsahu spalné síry a na výhřevnosti paliva. Při provozu práškových kotlů s odsířením spalin se obvykle v průměru dosahuje zachycení 95% SO 2, v případě fluidních kotlů lze předpokládat zachycení SO 2 do 90%. Z toho vyplývá, že při použití technologie zachycování CO 2 na principu aminové separace bude pravděpodobně třeba zařadit na vstupu spalin další dodatečné odstraňování SO 2. [6] Oxid uhličitý lze absorbovat i do roztoku uhličitanu draselného: CO2 + K2CO3 + H2O = 2 KHCO3 Regenerace uhličitanu probíhá při reakci: 2 KHCO3 = K2CO3 + CO2 + H2O Tento postup se používá např. k oddělení CO2 ze směsi plynů při výrobě amoniaku.[18] Metoda chemické absorpce je vhodná pro zředěné plyny o nízkém tlaku a nízké koncentraci separovaného plynu (např. separace CO2 ze spalin vzniklých při atmosférickém spalování fosilních paliv.[5]) Zatím téměř výhradně je u demonstračních zařízení a v průmyslových aplikacích použita metoda s MEA.[6] Metoda chemické absorpce je v současnosti zdokonalována vývojem účinnějších, selektivnějších a stabilnějších separačních médií. Za tímto účelem byla zřízena např. pilotní jednotka na elektrárně Esbjerg v Dánsku. Množství dalších pilotních a demonstračních jednotek je ve výstavbě.[8] Stránka 21

Fyzikální absorpce K absorpci dochází za zvýšeného tlaku plynu a snížené teplotě. K desorpci, což je opětovné uvolnění plynu, dochází za sníženého tlaku a vyšší teploty. Rozhodující je účinek van der Wallsonových sil, a proto čím je vyšší parciální tlak ve směsi, tím větší je jeho rozpustnost ve vypírací kapalině. Proto je tato metoda vhodná pro vysoký tlak směsi plynů a vysokou koncentraci separovaného plynu, např. separace CO2 z plynu vyrobeného zplyňováním fosilních paliv při dostačeném tlaku (IGCC).[5] Fyzikální absorpce je absorpce do rozpouštědel např. do Selexolu dimethyletheru polyethylenglykolu, příp. Rectisolu methanolu. Absorpce do rozpouštědla je prováděna na molekulových sítech, aktivním uhlí či zeolitu a používá se např. pro dělení H2 a CO2 při výrobě vodíku ze zemního plynu.[18] 2.1.2 Separace s použitím membrán Výzkum je zaměřen na membrány (molekulární síta), které by měly být tenké a s póry, které propustí molekuly vodíku, ale nepropustí molekuly CO2. Separační hmotnostní průtok je tím větší, čím větší je parciální tlak odlučovaného plynu (tedy vodíku).[5] Princip je založen na různé rychlosti jednotlivých složek plynné směsi při průchodu kaskádou několika membrán. Metoda je zatím ve stavu výzkumu a vývoje a nebyla dosud aplikována v provozním měřítku.[6] Obr. 2,3 : Princip membránové separace Zdroj: IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage(obr2), www.co2crc.com.au(obr.3) Membrány jsou komerčně používány např. pro odstranění CO2 ze zemního plynu; jsou vhodné pro směsi plynů o velkém tlaku. Mohou být keramické, kovové či polymerní. Potřebujeme-li CO2 o velké čistotě, je nutno použít více stupňů a tím roste i cena separace. Při použití absorpčních membrán je selektivita primárně daná absorbentem a membrána poskytuje velkou mezifázovou plochu pro přestup hmoty z plynu do rozpouštědla.[18] Stránka 22

2.1.3 Adsorpce na minerální sorbenty Tato metoda se používá u látek s částicemi o nanorozměrech řádově 10-9 metrů. Proto je velmi žádoucí dosažení co největšího povrchu. Problém je pak separace takovýchto nanočástic z plynu.[5] Využívá se fyzikální vazby mezi plynem a aktivními body na pevné látce. Vhodné fyzikální látky pro adsorpční proces separace CO 2 ze spalin jsou např. zeolity, molekulová síta a aktivovaný uhlík (velký specifický povrch). Obr. 4: Princip adsorpce [45] Zdroj: IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage(obr4) Obr. 5 Adsorpce na zeolit Zdroj: www.co2crc.com.au(obr.5) Metoda je energeticky značně náročná, a ve větších provozech zatím nebyla aplikována. Metoda obvykle není selektivní pro CO2. Komerčně se používá např. k dělení H2 a CO2 při výrobě vodíku reakcí zemního plynu s vodní parou. Adsorpce, podobně jako absorpce do rozpouštědel, je méně energeticky náročná než absorpce do aminů a je vhodná pro plyny s více než 15 % CO2 a větším tlakem.[18] Stránka 23

Metody desorpce (odstranění CO2 ze sorbentu): [60] a) TSA (Thermal Swing Adsorption) je vyvolána zvýšením teploty, což znamená, že je energeticky náročnější a pomalá (doba na zahřátí sorbentu). b) VSA (Vacuum Swing Adsorpce) desorpce nastává v podmínkách blízkých vakuu. Tato metoda funguje při teplotě blízké teplotě okolí a je tedy energeticky méně náročná. c) PSA (Pressure Swing Adsorption) desorpce nastává při poklesu tlaku z vyšší úrovně na nižší (většinou na atmosférický). Jednotka PSA má obvykle 4-12 adsorbérů. [19] d) ESA (Electrical Swing Adsorption) desorpce je vyvolána napětím. Metoda vyžaduje jen málo energie. 2.1.4 Kryogenní separace Při kryogenní separaci CO2 se nejprve spaliny vysuší a ochladí. Spaliny jsou potom stlačovány a ochlazeny mírně nad bod, kde se z CO2 stává pevná látka (viz obr. 12). Z proudu plynu je následně odstraněn CO2, HCl, Hg a jiné příměsi. Poté dochází k expanzi plynu, čímž dojde k dalšímu ochlazení a urychlí se převedení CO2 na pevnou fázi (závisí na finální teplotě). Poté, co je odseparován CO2 z proudu plynu, je CO2 znovu zahřán a převeden na kapalnou fázi. Výsledkem je pak kapalný CO2 a plynný N2. Účinnost zachycení závisí na tlaku a teplotě na konci procesu expanze. Při tlaku 1atm (0,1MPa) a teplotě 135 C je účinnost 99% a při teplotě 120 C je účinnost 90%. [52] Obr. 6: Proces kryogenní separace CO2 [52] Zdroj: http://www.sustainablees.com/index-4.2.html Proces je poměrně energeticky náročný, protože plyny je nutno ochladit na velmi nízkou teplotu a stlačit. Tato technika se využívá u směsi plynů, kde je velký teplotní rozdíl ve změně skupenství plynů a kde je velká koncentrace CO2. Stránka 24

Tab. 5: Použití těchto metod v různých aplikacích spalování [60] Post-combustion Pre-combustion Oxy-fuel Absorpce x x Membrány x x x Adsorpce x x x Kryogenní separace x x Chem. smyčka (viz. dále) x x 2.2 Metody a technologie zachycování CO 2 v Energetice [6] V současné době jsou energetickým výzkumem sledovány tři základní přístupy k zachycování CO 2 z elektrárenských provozů: 1. zachycování CO 2 po procesu spalování (post-combustion capture) 2. zachycování CO 2 před procesem spalování (pre-combustion capture) 3. technologie oxyfuel, kde spalovací proces probíhá pouze s O 2 bez přítomnosti dusíku Obr. 7: Principy zachytávání CO2 v procesu spalování [7] Výběr metody a postupu zachytávání CO2 ze spalin jsou voleny v závislosti na vlastnostech spalin tedy na teplotě, tlaku a především rozhoduje koncentrace. Koncentrace CO 2 ve spalinách je závislá na druhu paliva, přebytku vzduchu ve spalování a typu energetické výrobny. Odstraňování CO 2 ze spalin je zpravidla založeno na separačních principech jako je chemická absorpce, adsorpce a technika membrán (viz výše).[6] Nyní se podíváme na tyto jednotlivé principy. Stránka 25

2.2.1 Zachycování CO 2 po procesu spalování (Post-combustion) Metoda post-combustion je nejjednodušší metoda, jak odstranit CO2 ze spalin při spalování fosilních paliv v elektrárnách. Metoda nevyžaduje výrazné zásahy do stávajících zařízení. Největším problémem je zde malá koncentrace CO2 (cca 15%), což znamená zpracování velkého množství plynu pro separaci dostatečného množství CO2. Plyn obsahuje i další látky jako je N2, NOx, SO2, H2O atd. Jak již bylo uvedeno dříve, největší problém představuje síra, která způsobuje zhoršení separace. Proto je třeba spaliny dříve než budeme separovat CO2 odsířit. Proto separační zařízení umisťujeme až za jednotku odsíření (viz obr. 8). Obr. 8: Schéma technologie při spalování se vzduchem (7) Před absorpcí jsou spaliny ochlazeny a jsou z nich odstraněny nečistoty (saze, polétavý popílek, NOx a SO2). Poté se CO 2 za určitého tlaku a teploty váže na chemikálii (čpavek, hydroxid sodný), ze které může být změnou teploty a tlaku znovu uvolněn, chemikálie je pak připravena k opětovnému použití.[13] Pro vlastní separací jsou vzhledem k nízkým koncentracím CO 2 použitelné pouze technologie s alkalickými roztoky. [7] Palivo se v běžných elektrárnách a teplárnách spaluje v prostředí vzduchu. Objem kouřových plynů je obrovský, koncentrace CO2 je v nich nízká a tlak plynů je atmosférický. V nejpokročilejším stádiu vývoje je vypírání oxidu uhličitého ze spalin monoetanolaminem (MEA). Největší provozovaná jednotka tohoto druhu (Trona, Kalifornie) disponuje výkonem zachycení 800 t oxidu uhličitého denně, což přibližně odpovídá uhelnému bloku o výkonu 50 MW.[17] Napojení této technologie na stávající uhelnou elektrárnu, jejíž energetická účinnost je kolem 30%, znamená další snížení účinnosti spotřebou části vyrobené energie na zachycení CO2. Proto vybavení starých elektráren touto technologií je považováno za příliš drahé. 2.2.2 Zachycování CO 2 před procesem spalování (Precombustion) Tato metoda je náročnější a složitější než metoda separace po spalování, protože vyžaduje úpravu paliva před jeho spálením. Tyto úpravy jsou většinou realizovány při vysokých tlacích a vysokých (resp. nízkých) teplotách, což vede k dodatečné spotřebě energie, a tím i k snížení účinnosti samotné elektrárny. Stránka 26

Metody, které se používají u separace CO2 před procesem spalování jsou již řadu let známy z průmyslových odvětví. My jsme se některými metodami zabývali v předchozí kapitole (např. kryogenní separace). Užívání těchto metod v energetice je zpravidla spojeno s paroplynovými elektrárnami se zplyňováním uhlí typu IGCC (o těch budeme mluvit později), kde je uhlí zplyňováno v tlakovém generátoru při tlaku 3 3,5 MPa a energetický plyn je spalován v plynné turbíně. [6, 5] Princip zachytávání CO2 před spálením paliva se zplyňováním je na obr. 9 Obr. 9: Schéma technologie se zplynováním paliva [7] Hlavní spalitelné produkty procesu zplyňování jsou CO, H2. Z plynu při procesu zplyňování jsou odstraněny ostatní emise, které obsahuje dané palivo (např. NOx, SO2, atd.). Vzniklý syntetický plyn je veden do katalytického reaktoru, kam je přiváděna i vodní pára. V reaktoru pak dochází k exotermické reakci, jejímž výsledkem je směs plynů obsahující H2 a CO2. Reakce: CO + H2O = CO2 + H2 probíhá při 450 C v přítomnosti katalyzátoru FeO a Cr2O3 [18] Následně je metodou fyzikální absorpce (např. do Solexolu) CO 2 zachycen a H2 je zpravidla použit jako palivo pro spalovací turbínu paroplynového cyklu. Odstraňování CO 2 zde probíhá z proudu plynu relativně bohatého na CO 2 při vysokém tlaku (parciální tlak CO 2 je 2-3 MPa), pro separaci je proto vhodná metoda fyzikální absorpce.[6, 7] Účinnost IGCC je cca 40-45 %. U elektráren tohoto typu, ale s minimálními emisemi CO2 z IGCC, je třeba počítat s nižší účinností. Demonstrační elektrárna by měla být v roce 2015. Předpokládaná účinnost u takovéto elektrárny je 41,3% a separace CO2 je 84%.[5] 2.2.3 Separace CO 2 při spalování s kyslíkem (oxyfuel) Tato metoda, jak již název napovídá, je založena na spalování paliva s kyslíkem proudícím ve směsi s částí recirkulovaných spalin. Kyslík je použit jako okysličovadlo místo vzduchu, který obsahuje 79% objemových dusíků. Tyto dusíky pak ředí spaliny, zvětšují jejich objem, ztěžují separaci CO2 a obtížněji se odstraňují. Spalování s téměř čistým O 2 probíhá za podmínek blízkých stochiometickému spalování a vzniklé spaliny obsahují 90-95% CO 2, vodní páru a v závislosti na palivu malé objemy SOx a Stránka 27

NOx. Při této metodě dochází ke spalování za vyšších teplot než u metod minulých, díky čemuž získáváme více energie. Vzniklé spaliny se nejprve čistí jako v běžné elektrárně. V elektrostatickém odlučovači se zbavíme popílku a v odsiřovacím zařízení se vypírkou v mokrém vápenci vyváže oxid siřičitý. Následně se směs CO 2 a vodní páry ochladí, takže voda zkondenzuje a zbude čistý CO 2 (80 98%), který je možno jímat a ukládat. Efektivnost tohoto procesu závisí na způsobu výroby kyslíku (náročnou kryogenní technikou nebo výhodněji pomocí vysokoteplotních membrán nebo jako produkt výroby vodíku).[5,6,13] Spalovací metody: První skupina metod spočívá ve vhánění kyslíku místo vzduchu do topeniště. Teplota při spalování v kyslíku je vyšší než 2000 C. Pro tuto teplotu však materiály ve stávajících elektrárnách nejsou dimenzovány (v běžné plynové turbíně je maximální dovolená teplota 1400 C), proto je dnes teplota regulována recirkulací spalin popř. vodní páry. Zhruba 75% CO 2 vznikajícího při hoření je vráceno zpět do kotle (recirkulace) k udržení požadované teploty spalování. Poté, co dojde v chladiči k ochlazení a kondenzaci vodní páry, dostáváme plyn obsahující 80 98% CO2. [18] Při tomto způsobu spalování je třeba dodávat do procesu velké množství kyslíku např. uhelná elektrárna IGCC o výkonu 500MW potřebuje 4000t O2/ den. Tento potřebný kyslík získáme vhodnou úpravou vzduchu. Pro menší spotřebu O2 (do 200 t /den) se pro zisk využívají absorpční metody. Pro větší spotřeby O2 lze použít destilaci za kryogenních podmínek. Tato technologie je ovšem značně energeticky i finančně náročná, proto jsou dnes spíše využívány vysokoteplotní keramické transportní membrány na bázi podvojných oxidů.[18] Obr. 10a: Schéma technologie při spalování s kyslíkem [7] Typ použitého paliva závisí na druhu spalovacího zařízení, v němž je spalováno palivo s kyslíkem. V případě že spalujeme ve vařáku pro výrobu vodní páry, lze pracovat s libovolným palivem (experimentů bylo provedeno mnoho). Pokud spalujeme v plynové turbíně, palivem bývá zemní či syntézní plyn (většina experimentů).[18] Stránka 28

Druhý způsob spalování je spalování při tzv. chemické smyčce (CLC - chemical loop combustion). Princip spočívá ve využití vratné reakce mezi kovem a oxidem kovu, kde při této reakci je do procesu dodáván kyslík. V palivovém reaktoru oxid kovu oxiduje palivo a redukuje se na kov, např. CH4 + 4 NiO = CO2 + 2 H2O + 4 Ni H1200 = 136 kj mol 1 ve vzduchovém reaktoru se kyslíkem ze vzduchu oxid kovu regeneruje, např. Ni + 1/2 O2 = NiO H1200 = 234 kj mol 1 Při této metodě není třeba zařízení pro dělení vzduchu. Kov a oxid kovu cirkulují ve fluidním stavu mezi vzduchovým a palivovým reaktorem. Nosičem kyslíku je tedy oxid kovu (vhodnými oxidy kovů jsou např. NiO, CuO, Fe2O3, Mn3O4). Částice kovů a oxidů musí být dlouhodobě stabilní a jejich průměr se pohybuje okolo 500 µm. Teplota v reaktorech se pohybuje do 800 1200 C. Do palivového reaktoru se přivádí i vodní pára a hlavním produktem je syntézní plyn. Pokud následuje plynová turbina, reakce v reaktorech probíhají za tlaku. Pokud následuje cyklus s parní turbinou, je tlak v reaktorech atmosférický. Jako palivo je obvykle používán zemní plyn. Tyto technologie jsou ve stádiu vývoje a prvních poloprovozních experimentů.[18] Obr. 10b: Princip chemické smyčky CLC Zdroj :http://www.wku.edu/icset/chemloop.htm Stránka 29

2.3 Zachytávání a ukládání CO2 - CCS (carbon capture and storage) CCS je technologie, která má zajistit plánované snížení emisí CO2 a tím by měla přispět k zmírnění změny klimatu. Tuto technologii můžeme uplatnit všude, kde vzniká velké množství emisí CO2 na jednom místě. Zdroje, které jsou vybaveny technologií zachytávání CO2, jsou označovány jako nízkoemisní nebo bezemisní. EU plánuje rozšíření této technologie po roce 2020 s tím, že elektrárny postavené před rokem 2020 budou počítat s pozdějším připojením této technologie. Technologie CCS spočívá v zachycení, transportu a uložení CO2 do vhodné geologické formace. CCS využívá k separaci CO2 metody a postupy, které jsou dobře známé z průmyslových odvětví, především z ropného průmyslu, kde se separace CO2 používá při čištění metanu pro výrobu vodíku. V tomto případě je množství zachytávaného plynu však výrazně menší, než v případě zachytávání CO2 ze spalin v uhelných elektrárnách. Pro využití v elektrárnách, kde je množství separovaného plynu mnohonásobně větší, nejsou tyto technologie ověřeny a vyvinuty. Při separaci CO2 touto technologií vzniká na výstupu plyn o obsahu CO2 více než 90%. Tento plyn je pak dle použité metody upraven a připraven pro transport a uložení.[21] CCS vyžaduje dodatečnou energii pro separační jednotku, kompresor a jiné technologie, kde tato energie snižuje účinnost elektrárny přibližně o 6 14% a navyšuje spotřebu paliva o 20 40%. [14] V současné době je vynakládáno značné úsilí, které má vést k optimalizaci a efektivnosti této technologie pro využití v energetickém průmyslu. Největší důraz je kladen na snížení nákladů a značné spotřeby energie, která snižuje účinnost elektrárny. Cílem Akčního plánu Evropské rady z roku 2007 je podpora zařízení, využívající tuto technologii, kde je stanoven cíl zprovoznit 10 12 plnokapacitních demonstračních jednotek do roku 2015. Provozem těchto demonstračních jednotek by měla být ověřena funkčnost tohoto systému a optimalizace finančních prostředků na pořízení a provoz, aby cena za jednotku vyrobené energie byla v přijatelných mezích.[22] V současné době stojí zachycení přibližně 26 37 EUR / t. Je třeba ještě připočítat náklady na dopravu a uložení. Z čehož vyplývá, že technologie CCS se vyplatí v případě, že cena emisních povolenek překročí hranici 40 eur / t. V současné době se v závislosti na cenách technologií CCS odhaduje, že výrobní cena 1 kwh vyrobená v elektrárně s CCS, by se mohla zvýšit o 100%, cena elektřiny by se tak mohla vyšplhat na cenu energie z drahých obnovitelných zdrojů (biomasa, fotovoltaika, atd.). [24] Uplatnění této technologie v praxi bude znamenat vynaložení značných investic nejen do zařízení na zachytávání, ukládání a dopravu CO2, ale také na samotný provoz této technologie (např. energie na zachycení CO2.). V současné době jsou tyto technologie stále ve fázi výzkumu, a jsou tedy velmi drahé. Při těchto cenách, by aplikace CCS znamenala zvýšení investic o 30 70% v porovnání s elektrárnou bez CCS (miliony EUR na elektrárnu) a náklady na provoz by Stránka 30

vzrostly o 25 70%. K poklesu těchto investic by mělo dojít poté, co budou technologie odzkoušeny v praktickém provozu na demonstračních projektech (cca 10let).[23] 2.3.1 CCS v EU EU se v oblasti produkce CO2 zavázalo do roku 2020 snížit produkci CO2 o 20% a do roku 2030 o 30% ve srovnání s rokem 1990. V rámci tohoto závazku byl zaveden legislativní nástroj, mající zajistit možnost společnostem produkujícím CO2, snížit své emise a tím snížit emise EU. Tento nástroj je zaměřen především na energetický průmysl, který je největším znečišťovatelem ovzduší skleníkovými plyny. Tímto nástrojem je Evropský systém obchodování s povolenkami na emise skleníkových plynů (ETS), který je upravený směrnicí 2003/87/ES a jeho novelizací 2009/29/ES. Vliv tohoto obchodu na CCS je, že by tento systém měl zaručit stálost ceny uhlíku a tím umožnit stabilizaci ceny zavedení technologie CCS. Směrnice, zabývající se zachytáváním a ukládáním CO2 (CCS), je Směrnice Evropského parlamentu a Rady číslo 2009/31/ES. Významnou roli v tom, zda dojde či nedojde k masivnímu zavádění CCS, hraje cena emisních povolenek CO2 a samozřejmě i cena technologií. Pokud bude cena za tunu uloženého CO2 pomocí CCS nižší než cena za povolenky, dojde k rozšíření této technologie. Tyto ceny jsou však stále nejisté, proto tzv. klimaticko energetický balíček EU obsahuje nástroje k částečné stabilizaci těchto cen v budoucnu. EU bude považovat emise CO2 zachycené a uložené pomocí CCS za nulové emise, tedy jako by tyto emise nebyly nikdy vypuštěny. Zavedení technologie CCS bude pro každý subjekt dobrovolné, tedy každý subjekt se bude moci rozhodnout, zda bude platit za emisní povolenky (které se v dalším obchodním období budou už všechny kupovat), nebo zainvestuje do technologie CCS a tím sníží množství potřebných povolenek.[23] Pro udělení povolení k realizaci CCS u zdrojů 300MW a vyšších bude provedeno posouzení projektu (tzv. capture ready ) zda: [23] a) jsou dostupná vhodná úložiště b) lze technicky a ekonomicky realizovat přepravu c) lze technicky a ekonomicky realizovat dodatečné vybavení elektrárny technologií CCS Redukce emisí CO2 v Evropské unii i ve světě závisí tedy na rozsahu zavedení CCS. V současné době Evropská komise odhaduje, že v roce 2020 by při aplikaci CCS mohlo být redukováno přibližně 7 mil. tun CO2 a do roku 2030 až 160mil.tun CO2 (15% požadovaného snížení v Evropě), pokud bude CCS zahrnuto do ETS. Podle EU by do 25. června 2011 měly být uvedeny v činnost právní a správní předpisy, které jsou nezbytné pro propojení CCS se směrnicí 2009/31/ES. [23, 25] EU na podzim roku 2009 zahájila první Demonstrační projekt evropské sítě zachycování a ukládání CO2 (The European Carbon Dioxide Capture and Storage Demonstration Project Stránka 31

Network), kde tento projekt má zefektivnit spolupráci mezi prvními provozovateli CCS. Evropská komise v prosinci 2009 představila 6 projektů CCS technologie, které budou podpořeny finančními dotacemi. Rozdělí si celkem 1 miliardu EUR z Evropského programu pro hospodářskou obnovu (obnovy - European Economic Recovery Plan).[20] Hlavní rizika technologie CCS jsou spojena s dopravou a ukládáním plynu. CO2 má být skladováno pod vysokým tlakem, což může vést ke vzniku mikro zemětřesení, při kterých může dojít k poruše geologické vrstvy a tím i úniku samotného CO2. Jakékoli úložiště musí být tedy zvoleno daleko od rizikových zemětřesných oblastí, aby bylo zajištěno, že horniny jsou stabilní.[15] První elektrárnou s technologií CCS spustila 9. září 2008 firma Vattenfall v německém Schwarze Pumpe. Jedná se o zkušební projekt, jehož vybudování stálo cca. 70 mil EUR. Tato elektrárna spaluje hnědé uhlí a její výkon činí 30MW. Firma plánuje do roku 2015 postavit další 500MW blok a do roku 2020 postavit komerční 1000MW blok. Odhaduje se, že tato komerční elektrárna bude ročně separovat kolem 7mil tun CO2, které se uloží do podzemí.[21] Obr. 11: Elektrárna CCS (Schwarze Pumpe)[35] Zdroj: www.nazeleno.cz Tato elektrárna využívá technologii Oxyfuel s účinností odstranění CO2 95% a čistota produkovaného CO2 je 99%. Náklady na odstranění CO2 jsou přibližně 20EUR/t. CO2 bude ukládán v salinném aquiferovém zásobníku ve vzdálenosti 350 km od elektrárny. Zkušební provoz je plánován na 3 roky; za tuto dobu by mělo být do podzemí uloženo celkem 100 000 t CO2 ze zařízení Oxyfuel ve Schwarze Pumpe. [16] Další projekt byl spuštěn na jaře roku 2009 ve Francii, kde u plynové elektrárny Lacq byl instalován 30MW kotel využívající technologii Oxyfuel. Zachycený CO2 bude vháněn do ložiska zemního plynu Rousse. Předpoklad je, že za dva roky elektrárna uloží 150 000 tun CO2. Projekt stál 60 milionů EUR.[13] Stránka 32