Fyzika a klasická energetika

Článků v rubrice: 215

Ropa jinak a odjinud

Současná spotřeba ropy je cca 87 milionů barelů za den. Toto množství by zaplnilo na 5 500 olympijských plaveckých bazénů. Očekává se, že spotřeba ropy v souvislosti s ekonomickým rozvojem Číny, Indie, Brazílie a dalších rozvíjejících se zemí i nadále poroste. Mezinárodní energetická agentura (IEA) odhaduje, že do roku 2030 spotřeba ropy vzroste na 105 milionů barelů za den. Vrcholu těžby má být dosaženo do roku 2030 a od této doby bude těžba již jen klesat. Některé vlády a korporace proto začínají vyvíjet alternativy, včetně výroby biopaliv, efektivnějšího využívání energie, rozvoje elektromobilů, výroby vodíku a podobně. Žádný z těchto zdrojů však nedokáže nahrazovat globální nedostatek konvenční ropy. Neobyčejné úsilí se proto bude v příštím desetiletí vynakládat i na získávání nekonvenčních zdrojů ropy například z dehtových písků a olejových (ropných) břidlic. Již dnes je známa řada metod, které to umožňují. Vyplatí se?

Fotogalerie (5)
Toe-to Heel Air Injection

Nekonvenční zdroje ropy
Podle IEA (Mezinárodní agentura pro energii) nekonvenční zdroje ropy zvyšují zbývající současné zdroje na 9 trilionů barelů, což je téměř devítinásobek množství ropy, které až dosud lidstvo spotřebovalo. Potíž je v tom, že slovo „nekonvenční“ v sobě zahrnuje celou řadu problémů. Konvenční ropu tvoří kapalné uhlovodíky ukryté pod tlakem v podzemí, které obvykle samy od sebe vytékají na povrch. U nekonvenčních druhů ropy tomu tak není. Jejich těžba vyžaduje velké množství energie, vody a kapitálu, aby se je podařilo získat ze země a přeměnit na naftu nebo letecké palivo. Proto je dosud produkce nekonvenční ropy nízká, jen asi 1,5 milionů barelů za den. V souvislosti s obavami o nedostatek ropy však Německá banka předpovídá, že cena ropy do roku 2016 vzroste na 175 dolarů/barel, což vede k růstu investic do nových technologií. V oblasti nekonvenčních zdrojů ropy jde o ropné písky nebo olejové břidlice.

Ropné (dehtové) písky
Ropné písky se vyskytují asi v 70 zemích, nejvíce však v Kanadě a Venezuele. V kanadské provincii Alberta pokrývají plochu zhruba o velikosti Čech. První pokusy s těžbou se v Kanadě uskutečnily v roce 1967, tj. v období ropných krizí. Nejdůležitějším zdrojem ropných písků je Kanada. Dehtové písky obsahující bitumen se zde těží ve velkých povrchových dolech. (Bitumen je souhrnné označení pro viskózní organické kapaliny černé barvy, např. dehet, asfalt.) Po vytěžení se dehtový písek propírá ve směsi horké vody a chemikálií tak, aby se od písku oddělil bitumen; ten se pak odesílá k dalšímu zpracování a rafinaci. http://cs.wikipedia.org/wiki/Organická_látka

Nejrozšířenější metodou je proces SAGD (Steam-Assisted Gravity Drainage)
Povrchová těžba je však vhodná jen do hloubky 75 metrů, což představuje asi jen 20 % z celkových zdrojů. Proto se vyvíjejí nové technologie, které umožní získávat bitumen i z větších hloubek. Dosud nejrozšířenější metodou je proces SAGD (Steam-Assisted Gravity Drainage), kdy se do ložiska vtlačuje horká pára s cílem bitumen tavit. Roztavený bitumen se po zachycení odčerpává na povrch. Tato metoda je lacinější a spotřebuje méně vody než je tomu u povrchové těžby. Současně ale stoupá spotřeba energie k výrobě páry, k níž se používá zejména zemní plyn. Variantně se místo zemního plynu používá k výrobě páry část bitumenu. Kanadská ropná společnost Nexen např. zplyňuje nejtěžší frakci bitumenu (asfalt) a získaný syntetický plyn pak spaluje k výrobě páry, případně ho používá k výrobě vodíku jako prostředku ke zvýšení jakosti bitumenu a jeho přeměny na syntetickou surovou ropu. Stinnou stránkou této metody jsou větší emise CO2 než u povrchové těžby nebo u standardního procesu SAGD.

Varianta THAI (Toe-to Heel Air Injection)
Jinou variantou procesu SAGD je metoda THAI (Toe-to Heel Air Injection). Do ložiska se nejprve vhání pára, a to až do chvíle, kdy je bitumen dostatečně horký, aby po dodání vzduchu v podzemí samovolně vzplanul. Díky dodávanému vzduchu vzniká v podzemí horizontální hořící fronta o teplotě kolem 500 stupňů Celsia. Intenzivní teplo dělí bitumen na těžší a lehčí frakce – těžší frakce podporuje hoření, lehčí frakce se taví a odtéká do produkčního vrtu, odkud se čerpá na povrch. Výhodou této metody je to, že část procesu rafinace probíhá již v podzemí. Také spotřeba zemního plynu je ve srovnání se standardním procesem SAGD o 10 až 30 % nižší. Nižší je i spotřeba vody, a to díky tomu, že voda se na povrch čerpá spolu s bitumenem a potom se vrací zpět do podzemí.

Varianta ET-DSP (Electro-Thermo Dynamic Stripping) topí elektřinou
Za nejméně znečišťující variantu získávání bitumenu se považuje metoda, kdy se k ohřevu používá elektřina. Označuje se jako ET-DSP (Electro-Thermo Dynamic Stripping). Představuje síť vertikálních vrtů, do nichž se vkládají tři velké elektrody. Elektrický odpor mezi vrtem a podzemní vodou vytváří teplo, které vede ke zkapalnění bitumenu a jeho odtoku do centrálního produkčního vrtu, odkud se čerpá na povrch. Změnou gradientu napětí mezi elektrodami může provozovatel usměrňovat elektrické pole tak, aby byly zahřívány nejbohatší části ložiska. Voda, která se čerpá na povrch spolu s bitumenem, se vrací zpět k zajištění vodivosti. Protože se v kanadské provincii Alberta používá k výrobě elektřiny hlavně uhlí, jsou emise CO2 větší než u jiných metod. K výrobě elektřiny se proto počítá také s využíváním vodní nebo větrné energie. Uvažuje se rovněž o využívání jaderných reaktorů, které by byly budovány v blízkosti ložisek dehtových písků a poskytovaly by páru nebo elektrickou energii bez emisí CO2.

Prognózy využití do budoucna
Náklady na technologie THAQI a ET-DSP jsou vysoké, I když mohou v budoucnosti klesat, přesto bude trvat minimálně 5 až 15 let do jejich komercializace. Podle poradenské firmy IHS CERA by denní produkce ropy z dehtových písků mohla do roku 2035 dosáhnout 6,3 milionů barelů. Kanadská vláda odhaduje, že získávání ropy z dehtových písků vyžaduje troj až pětinásobné množství energie než je tomu u konvenční těžby. U metody SAGD je například třeba vynaložit téměř jeden barel k získání 3 barelů ropy. I když jde o velice nákladný a energeticky náročný proces získávání ropy, o těžbu ropných písků v kanadské pánvi Athabasca se již dnes zajímá čínský ropný gigant Petro China, který získal většinu akcií ve dvou projektech zabývajících se touto těžbou. Společnost bude k těžbě využívat páru a jejím cílem je získat 3 miliardy barelů ropy.

Šanci mají i bakterie vyrábějící metan
Mnohem čistší způsob využití ropných písků se zkoumá v laboratořích univerzity v Calgary ve spolupráci s britskou univerzitou v Newcastle. Výzkumní pracovníci se domnívají, že by bylo možné využít bakterie, které budou přeměňovat bitumen na metan. Ten by se pak mohl těžit jako konvenční zemní plyn. K tomuto procesu dochází v podzemí zcela přirozeným způsobem, kde bakterie Syntrophus, které nepotřebují ke svému životu kyslík, konzumují ropu a uvolňují vodík jako odpadní produkt. Druhá skupina metanogenních bakterií potom mění vodík na metan. Uvedené bakterie tedy již existují a bude stačit přidávat jen umělá hnojiva. V roce 2008 se uskutečnily laboratorní pokusy s přidáváním dusíku, fosforu, vitamínů a stopových minerálů. Ukázalo se, že bakterie byly schopné přeměnit uhlovodíky na metan asi za 600 dní. Zda bakteriální metoda bude schopna produkovat metan ekonomickým způsobem by měly prokázat zkoušky nově založené společnosti Prefero Energy. Pokud ano, získáme velké množství relativně čistého paliva – metanu. Spalování metanu by ve srovnání s jinými fosilními palivy poskytlo energii při výrazném snížení emisí CO2.

V dlouhodobé perspektivě by podobný mikrobiální proces mohl jednoho dne nabídnout konečné řešení získávání čisté energie – vodíkové hospodářství. Metanogenní bakterie jsou velmi efektivní při využívání vodíku produkovaného bakteriemi Syntrophus, takže zbývá velmi málo času k jeho zadržení. Pokud se ale podaří působení metanogenů zpomalit, otevřela by se cesta k získání velkého množství vodíku, tj. paliva bez emisí CO2.

Pomoci mohou jaderné reaktory – velké i malé
V souvislosti se získáváním ropy z ropných písků se rovněž uvažuje o využívání jaderných reaktorů. Například kanadská společnost Energy Alberta požádala o povolení přípravy lokality pro výstavbu jaderných elektráren v oblasti Peace River v provincii Alberta. Uvažuje se zde o výstavbě dvou dvoublokových jaderných elektráren se zdokonalenými těžkovodními reaktory ACR-1000, a to právě v místě, kde se vyskytují ropné písky. První zdroj energie ve formě páry nebo elektřiny pro zpracování ropných písků – dvoubloková jaderné elektrárna o elektrickém výkonu 2 200 MW – by mohl být uveden do provozu v roce 2017.

V Kanadě existuje i projekt aplikací minireaktorů o tepelném výkonu 70 MW a elektrickém výkonu 25 až 27 MW, které by běžely bez přerušení po dobu pěti let. Předpokládá se, že reaktor bude umístěn v podzemí a bitumen uvolní pomocí vyrobené páry. Touto myšlenkou se zabývá společnost Hyperion Power Generation (HPG) se sídlem v Santa Fe ve státě Nové Mexiko. Vyvíjený reaktor, označovaný jako Hyperion Power Module, bude produkovat páru a elektřinu zejména pro aplikace v odlehlých průmyslových lokalitách. Společnost předpokládá, že v první etapě bude existovat poptávka až po 4 000 těchto minireaktorů. Vývojoví pracovníci přitom vidí možnosti aplikovat reaktory i na ostrovech, ve městech a při odsolování mořské vody. Po uplynutí pěti let společnost Hyperion reaktorový modul odveze do továrny k výměně paliva a na jeho místo instaluje modul nový. Reaktorový modul bude mít rozměr kolem 1,5 m, takže bude vhodný pro přepravu auty, po železnici, loděmi i letadly. Kombinovaná výroba elektřiny a tepla z tohoto reaktoru bude stačit zásobovat město s 20 tisíci obyvateli. Jednotlivé moduly bude možné spojovat a vytvářet energetické bloky o větším výkonu, a to aniž by bylo třeba budovat přenosovou síť.

Olejové (ropné) břidlice
Dalším zdrojem nekonvenční ropy se zásobami okolo 2,5 trilionů barelů ropného ekvivalentu, z toho v USA asi 2 trilionů, jsou olejové břidlice. Organická hmota je v ropných břidlicích vázána v podobě velice stabilního řetězce molekul zvaného kerogen, který se nerozložil ani po stovkách milionů let. Chemická stabilita znamená, že k vytěžení je nutné dodat velké množství energie. Výhodou je obrovský rozsah ložisek ropných břidlic, která dosahují až mnoho desítek tisíc kilometrů čtverečních.

Na 75 % zásob leží v Coloradu, Utahu a Wyomingu. Pro jejich využití k získání ropy se zkoumá několik technologií ohřevu břidlic v podzemí – mikrovlnami, injektáží plynu o vysoké teplotě a využitím radiovln spojeným se superkritickým CO2. Výsledkem je zásobník ropy, ze kterého lze běžně odčerpávat.

Mezinárodní ropná společnost Shell provádí na svém experimentálním ložisku ve státě Colorado vrty do hloubky 650 m, vkládá do nich elektrody a ohřívá břidlici na teplotu 340 až 370 stupňů Celsia po dobu několika měsíců. Proces je velmi energeticky náročný, protože energii spotřebuje i zmrazování okolí tak, aby nedocházelo k průsaku podzemní vody. IEA odhaduje náklady na získání barelu této ropy na 50 až 100 USD, a to aniž by se uvažovaly dodatečné náklady související se snižováním emisí CO2.

Břidlice je populární v řadě zemí
Mnohé země pohlížejí na olejové břidlice jako na budoucí zdroj energie ke krytí části energetických potřeb. V Estonsku, Číně, a v Brazílii je v provozu řada komerčních projektů těžících olejové břidlice, přičemž obdobné projekty plánuje i Maroko, Jordánsko a Austrálie.

Například Estonsko zpracovává olejové břidlice již od 20. let minulého století a používá je k výrobě elektřiny. Tamní elektrárenské společnosti plánují přeměnu většího množství olejových břidlic na kapalná paliva a plyn. Výstavbu nového závodu a zvýšení roční produkce ropy pomocí ropných břidlic plánovala např. společnost Eesti Energie. Dnes jsou v Estonsku v provozu tři závody.

V roce 2007 produkovala čínská společnost Fushum Mining Group 300 000 t břidlic za rok, a to jako vedlejší produkt při těžbě uhlí. Brazilská společnost Petrobras vyprodukovala z olejových břidlic již 20 milionů barelů ropy. Australská společnost QER Pty Ltd získala ložisko se zásobami 16 miliard barelů ropy ve státě Qeensland a plánuje zde vybudovat pilotní závod o kapacitě 5 000 barelů za den. Po deseti letech by  měl být postaven komerční závod o kapacitě 100 000 barelů/den.

Získávání ropy z řas – nejdále je Craig Venter
Zdrojem ropy mohou být i řasy. Při výzkumu přeměny řas na ropu se spojil Craig Venter – pionýr v oblasti lidského genomu – se společností Exxon Mobil v rámci projektu za 600 milionů dolarů.

První etapa procesu přeměny spočívá v tom, že řasy prostřednictvím fotosyntézy využívají oxid uhličitý k výrobě celé řady olejových molekul. Lidé se přitom snaží změnit proces probíhající v řasách  tak, aby řasy produkovaly uhlovodíky podobné těm, které pocházejí ze země. Současně se snaží přimět řasy k tomu, aby uhlovodíky bylo možné odčerpávat.

Další etapou je zpracování získané surové ropy v existujících rafinériích a výroba stejných produktů jako z konvenční ropy, tj. benzínu, nafty a leteckého paliva. Zprávy o výsledcích malých demonstračních projektů uvádějí, že takto získané palivo bude k dispozici již do deseti let. Cílem bude produkce surové ropy v rozsahu milionů tun. Naději na realizaci projektu dávají finanční zdroje i technické zázemí společnosti Exxon Mobil, která na tomto výzkumu spolupracuje se společností Synthetic Genomics se sídlem v La Jolla v Kalifornii. Obě společnosti doufají, že se jim podaří během deseti let vyrábět bionaftu z řas za cenu nižší než je konvenční nafta.

Po řasách sáhly i další společnosti
Společnost Exxon Mobil není jediná, která se problematikou přeměny řas na ropu zabývá. Například společnost Green Fuel Technologies se sídlem v Massachussetts uskutečňuje ve spolupráci s dalšími partnery u uhelné elektrárny výzkumy, jejichž cílem je vypěstovat řasy a s jejich pomocí recyklovat průmyslové emise CO2 k výrobě krmiv, potravin a příměsí do paliv.

Řasy jsou autotrofní organismy, které vyrábějí vlastní potravu z anorganických látek, jako je CO2 a anorganický dusík. Jsou to nejrychleji rostoucí rostliny na světě, které nepotřebují čistou vodu nebo půdu. Společnost Green Fuel zjistila, že může být energeticky využita veškerá biomasa vyprodukovaná řasami, a že olej získaný z organismů může sloužit jako obnovitelné biopalivo. Tato společnost od roku 2001 u některých uhelných elektráren úspěšně provozuje pilotní zařízení k recyklování CO2. V roce 2005 se jí v bioreaktoru podařilo recyklovat 80 % CO2 z plynové elektrárny o výkonu 1 040 MW. Princip je jednoduchý – CO2 je z komína veden speciálním potrubím do zásobníku s „hladovými“ řasami kde za denního světla řasy CO2 konzumují. Potom jsou řasy bohaté na uhlík přeměněny na bioplyn a etanol. Ve srovnání s otevřenými nádržemi jsou bioreaktory mnohem účinnější. Bioreaktory, které nejsou příliš drahé, a které  by mohly radikálně snížit ekologické dopady farem pěstujících řasy, vyvíjí například brémská univerzita. V ČR existuje projekt Ústavu krajinné ekologie v Českých Budějovicích, o kterém jsme psali v článku Řasy rády CO2: http://www.3pol.cz/cz/rubriky/medicina-a-prirodoveda/830-rasy-rady-co2

Názory na budoucnost nekonvenčních zdrojů ropy se různí
Jaké jsou tedy vyhlídky nekonvenčních zdrojů ropy? Většina analytiků souhlasí s tím, že navzdory  velkým zdrojům nekonvenční ropy potrvá několik desetiletí, než budou moci nové technologie k zajištění potřebných dodávek ropy významně přispět. Jakýkoliv pokus urychleně zvyšovat produkci nekonvenční ropy by se setkal s regulačními a finančními problémy. Významnou roli hrají i závazky na snižování emisí CO2. IEA například prosazuje daň z uhlíku ve výši 50 dolarů na tunu. To by zvýšilo cenu barelu ropy z dehtových písků u jednotlivých technologií o 5 až 30 dolarů. Nepříznivý dopad má i kolísání ceny konvenční ropy. Když její cena klesla z vrcholu 147 dolarů za barel v polovině roku 2008, byly zrušeny nebo oddáleny projekty získávání nekonvenční ropy z dehtových písků o kapacitě 1,7 milionu barelů za den. Vzhledem k  tání arktického ledu začínají být  lépe přístupné zdroje konvenční ropy pod mořem a nastanou závody v její těžbě. Navzdory ekologickým problémům.  

Prameny
Ian Sample: Final warning. New Scientist, 2008, č. 2662, s. 33 - 37
David Strahen: Scraping the bottom of the barrel. New Scientist, 2009, č. 2737, s. 35 - 39
New Scientist,2009, č. 2724, s. 7
Holmes B.: The new face of tar sands. New Scientist, 2009, č. 2704, s. 8-9
Power Engineering, 2008, č. 6, s. 68
Nuclear Engineereing International, 2007, č. 639, s. 4
Oil and Gas Journal, 2008, č. 41, s. 16
New Scientist, 2009, č. 2718, s. 25
New Scientist, 2010, č. 2770, s. 22
Power, 2008, č. 7, s. 16-17
New Scientist, 2010, č. 2745, s. 6



Fakta o těžbě ropy



  • Většina geologů se domnívá, že těžba ropy již dosáhla nebo brzy dosáhne svého vrcholu a potom již bude jen klesat. Jde především o tzv. Hubbertovu teorii ropného vrcholu, tzv. peak oil. Peak oil je teorie zabývající se dlouhodobými předpověďmi spotřeby a vyčerpání ropy. Bližší informace najdete na http://cs.wikipedia.org/wiki/Ropný_vrchol

  • Některá ropná pole v USA a v Severním moři byla vytěžena a těžba se soustřeďuje do stále menšího počtu zemí.

  • V minulosti bylo obvykle možné jakékoliv přerušení dodávek vyřešit dodatečným rychlým zvýšením těžby z rezervních kapacit; ty již dnes téměř vymizely.

  • Jakmile by některá z nestabilních zemí „uzavřela kohoutky“ (Írán, Irák, Nigerie, Angola), důsledek by se projevil téměř okamžitě.

  • Trh s ropou je tak křehký, že stačí krutější zima nebo intenzivnější období hurikánů, aby došlo k ropnému šoku, který pocítí celý svět.

  • Před více než dvaceti lety bylo 15 ropných polí schopno dodávat 1 milion barelů za den, dnes jsou to pouze čtyři.

  • Asi polovinu světové ropy přepravuje na 4000 tankerů, další polovinu pak potrubí.

  • Vývoj cen ropy velmi kolísá. Zatímco v polovině roku 2008 cena dosáhla až 147 dolarů/barel, následně klesla na 40 dolarů a v roce 2010 se pohybuje kolem 80 dolarů za barel.

  • Největší výzvou do budoucna bude hledání náhrady za konvenční ropu. Alternativy dosud narážejí na různé překážky. Například vodík, který by byl vyráběn s pomocí obnovitelných zdrojů energie má problémy se skladováním a distribucí, rovněž biopaliva narážejí na některé problémy.



Počítačový program varuje
Výroba bionafty z řas se na první pohled zdá být elegantním způsobem výroby čistého paliva. Na rozdíl od běžné nafty ale může být zdrojem až čtyřnásobného množství emisí skleníkových plynů, jak prokázala Anna Stephensonová z univerzity v Cambridge. Vyvinula počítačový program, který stanovuje uhlíkovou stopu při výrobě, rafinaci a spalování bionafty z řas. Jestliže se řasy pěstují v potrubí z plexiskla, pak energie potřebná k přečerpávání řas k zajištění dostatečné expozice slunečního záření má za následek emise ve výši 320 g na MJ ekvivalentního paliva ve srovnání s 86 g/MJ při těžbě, rafinaci a spalování běžné nafty. Pokud se použijí trubkové bioreaktory, pak ztráty třením znamenají, že energie potřebná k přečerpávání kultury je tak velká, že získaná bionafta bude mít větší emise než normální nafta.

Václav Vaněk
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Rizika IT dovednosti teenagerů

Vývoj počítačových technologií změnil nároky pracovního trhu i sebevědomí pracovníků. Podle obecného mínění má mladá generace ve znalostech počítačových technologií před tou starší náskok, a tedy i výhodu uplatnění v mnoha oborech.

Klimatické změny působí problémy světové energetice

Globální oteplování, které se mimo jiné projevuje také dlouhými obdobími bez deště, začíná působit problémy i ve světové energetice. Nejzranitelnější jsou podle očekávání vodní elektrárny, ale zkušenosti z posledních několika let ukazují, ...

Polsko se připravuje na jadernou energetiku

Aby Polsko uspokojilo rostoucí poptávku po energii a zároveň se snažilo o plnění cílů v oblasti ochrany klimatu, musí postavit nové zdroje energie. To otevírá příležitost zavést jadernou energii, říká ministr energetiky Kryštof Tchórzewski.

Tokamak JET V ROCE 2020

Tokamak (původem ruský) je v současnosti jediným pokusným zařízením schopným vyvolat termojadernou reakci na Zemi. Jediný tokamak schopný termojadernou reakcí uvolnit významné množství fúzního výkonu (a největší současný tokamak v provozu) je evropský tokamak JET v anglickém Culhamu.

Říše hmot

V pátém, posledním dílu seriálu o tom, jak se psalo a učilo o fyzice a chemii před rokem 1850, se podíváme na světlo. Laskavostí našeho přispěvatele, váženého pana inženýra Jana Tůmy, jsme získali cenný zdroj, knížku Karla Amerlinga Orbis Pictus čili ...

Nejnovější video

Bez jaderné energie se ve vesmíru daleko nedostaneme

Krátké výstižné video z dílny Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni ukazuje využití jaderné energie a jaderných technologií při výzkumu vesmíru. Ne každý ví, že jádro pohání vesmírné sondy už po desetiletí. Zopakujme si to. (Film je v angličtině.)

close
detail