V posledních desetiletích se produkce a využívání zemního plynu dostaly do popředí energetických diskuzí, zejména díky rozvoji technologií, které umožňují efektivní těžbu z nekonvenčních ložisek. Zemní plyn, především metan, tvoří hlavní složku mnoha různých geologických útvarů. Tyto zásoby mohou pocházet z různých typů ložisek, jako jsou břidlicový plyn, těsný plyn, metan z uhelných ložisek nebo metan z hlubinných akviferů. Každý typ má své charakteristiky, které ovlivňují nejen metody těžby, ale také dopad na životní prostředí a jeho budoucí udržitelnost.

Břidlicový plyn, jehož těžba je spojena s technologií hydraulického štěpení, je považován za jeden z hlavních zdrojů nekonvenčního zemního plynu. Tato metoda umožňuje získávat plyn z vrstev břidlice, která je považována za málo propustnou pro plyny. Břidlicová ložiska jsou bohatá na jíl, jemně zrnité sedimenty a minerály, jako je kaolinit, smektit a illit, které mají nízkou propustnost. Plyn v těchto ložiscích se nachází buď v prasklinách, nebo je adsorbován na povrchu organických materiálů, což znamená, že je vázán na minerály a organické složky uvnitř hornin. Zbývající plyn se může vyskytovat také v porézních prostorách, což znamená, že těžba z břidlicového plynu představuje významnou výzvu jak z hlediska technologie, tak z hlediska ekologických dopadů.

Těsný plyn, na rozdíl od břidlicového, pochází z pískovcových a vápenatých vrstev, které mají velmi nízkou propustnost. Plyn v těchto ložiscích migroval z jiných oblastí a je zadržen v pevných vrstvách hornin. Těsný plyn se obvykle těží v oblastech, kde jsou tyto vrstvy uloženy pod břidlicovými nebo uhelnými formacemi. Důležitým faktorem pro těžbu těsného plynu je hluboká geologická pozice, kde dochází k postupné změně složení plynu. V hlubších vrstvách je plyn často čistší, obsahuje převážně metan, zatímco v mělkých ložiscích může mít plyn vyšší koncentraci nežádoucích složek, jako je oxid uhličitý nebo vodní páry.

Metan z uhelných ložisek (CBM) je dalším typem nekonvenčního plynu, který se těží z vrstev uhlí. Tento plyn vzniká během procesu karbonizace, kdy se organické zbytky, původně z rašeliny, postupně přeměňují v závislosti na teplotě a tlaku na metan. Uhelný metan může mít různé složení, které závisí na zralosti uhlí a hloubce ložiska. V hlubších a zralých uhelných vrstvách převažuje metan, zatímco u méně zralého uhlí se mohou vyskytovat vyšší koncentrace oxidu uhličitého a těžších uhlovodíků.

Dalšími alternativními a obnovitelnými zdroji zemního plynu jsou bioplyn a biomethan. Bioplyn je produkován mikrobiálním anaerobním rozkladem organických materiálů, jako jsou zemědělské odpady, komunální odpady, či odpadní vody. Složení bioplynu se liší podle typu vstupních materiálů, ale typicky obsahuje metan a oxid uhličitý v poměru, který se může pohybovat od 35 do 75 % metanu. Po vylepšení a čištění se bioplyn mění na biomethan, který je charakteristický téměř čistým metanem (95-99 %) a malým obsahem oxidu uhličitého. Biomethan může sloužit jako náhrada fosilních paliv, a to nejen v energetice, ale také v průmyslu a dopravě.

Z hlediska globálních energetických trendů se bioplyn a biomethan označují za významné nástroje v přechodu na bezuhlíkovou energetiku. Jak ukazují prognózy Mezinárodní agentury pro obnovitelné zdroje energie (IRENA), očekává se, že bioenergie, včetně bioplynu, bude do roku 2050 tvořit přibližně 17 % celkové energetické spotřeby na světě.

Důležitým aspektem zůstává i využití metanu jako obnovitelného zdroje energie z neobnovitelných ložisek, například v případě uhelných ložisek. Při správné stimulaci, například injektováním geneticky upravených methanogenních mikroorganismů, lze uhelná ložiska přeměnit na obnovitelné zásoby metanu. Tento přístup by mohl být aplikován i na těsné a břidlicové plynné ložiska.

Je nezbytné také zmínit význam snížení emisí metanu do atmosféry, což je klíčovým faktorem při hodnocení ekologických dopadů těžby nekonvenčních plynových ložisek. Metan je silný skleníkový plyn, který má mnohem větší potenciál pro zadržování tepla než CO2. Proto je zásadní zajistit, že těžba a následné využívání těchto zdrojů bude prováděna s ohledem na minimalizaci těchto emisí.

Jak efektivně předtřídit lignocelulózovou biomasu pro bioplynovou produkci?

Pro zvýšení efektivity enzymatických procesů, které se používají k získání cukrů z lignocelulózové biomasy, je nezbytné snížit neefektivní adsorpční místa enzymů a zvýšit přístupnost celulózy. Jednou z nejúčinnějších metod je využití odpadních zemědělských materiálů, což představuje výhodu oproti dřevním surovinám. Tato strategie však často vyžaduje nižší teploty pro předúpravu, což může vést k delší době zpracování a potřebě vysoké koncentrace alkálií. Metoda mokré oxidace (WO) je efektivní pro frakcionování lignocelulózového materiálu a zahrnuje extrakci ligninu a solubilizaci hemicelulózy. Je úspěšná při předúpravě různých druhů biomasy, včetně pšeničné slámy, kukuřičných stébel, cukrové třtiny, manioku, arašídů, žita, řepky, bobů a rákosu.

Studie ukazují, že většina biomasy, včetně slámy, rákosu a dalších zbytků obilných plodin, má silnou voskovou vrstvu obsahující křemík a proteiny, které mohou být odstraněny metodou WO. Během procesu WO probíhají dvě reakční cesty: (I) nízkoteplotní hydrolýza a (II) vysokoteplotní oxidační reakce, kde kyslík působí jako oxidační činidlo pro chemikálie rozpuštěné ve vodě. Před zpracováním bývá lignocelulózová biomasa sušena a mleta, následně se do směsi přidává Na2CO3, aby se zabránilo vzniku vedlejších produktů. Poté je systém stlačený vzduchem a zahříván na 195 °C po dobu 10–20 minut.

V posledních deseti letech vzrostl zájem o iontové kapaliny (IL) a další rozpouštědla pro zpracování lignocelulózové biomasy. Iontové kapaliny, známé svými velmi nízkými parními tlaky, mohou být kapalné i při pokojové teplotě. Díky těmto vlastnostem je možné manipulovat s chemickými vlastnostmi aniontů a kationtů a vytvářet širokou škálu kapalin, které mohou rozpouštět různé druhy biomasy. Velkou výhodou IL je také možnost jejich recyklace, což snižuje náklady na jejich používání. Tento přístup se však stále nachází v počáteční fázi vývoje, protože náklady na samotné rozpouštědlo a potřeba jeho regenerace jsou stále vysoké.

Další významnou metodou je fyzikálně-chemická předúprava, která kombinuje chemické a fyzikální procesy. Tato technologie je efektivnější a ekologičtější než samotné fyzikální nebo chemické metody. Patří sem například výbuch páry (SE), expanze amoniakovými vlákny (AFEX), superkritické kapaliny a mokrá oxidace (WO). Výbuch páry je jednou z nejvíce etablovaných metod. Podle dřívějších studií má faktory jako tlak, doba pobytu a teplota klíčový vliv na výsledky procesu. Při ošetření pšeničné slámy při 200 °C po dobu 10 minut byly získány vynikající výnosy cukru a nízké výnosy inhibitorů. Nicméně tato metoda může produkovat inhibiční vedlejší produkty, jako jsou furfural a hydroxymethylfurfural, což vyžaduje dodatečný krok detoxikace a zvyšuje náklady celého procesu.

Metoda AFEX je suchá metoda, která nevyžaduje žádnou další detoxikaci ani vodní oplachování. Nicméně se ukázalo, že je méně účinná pro tvrdé a měkké dřevo s vysokým obsahem ligninu (například 25–30%). Superkritický oxid uhličitý (SC-CO2) je také běžně používaný proces, který dosahuje svého kritického bodu (31,1 °C a 7,36 MPa) rychle a je netoxický, nehořlavý, levný a recyklovatelný. I když tento proces není časově náročný, ukázalo se, že při vysokotlakých podmínkách je účinnost procesu pro lignin a hemicelulózu nízká.

Metoda mokré oxidace zahrnuje ošetření vody při teplotách přesahujících 120 °C v přítomnosti vzduchu nebo kyslíku. Tato metoda umožňuje provedení několika reakcí, jako jsou alkálová hydrolýza, oxidace a extrakce hemicelulózy, v jedné fázi, což je výhodné při zvyšování výroby. Liquid hot water (LHW) předúprava spočívá v udržování vody při vysokých teplotách a tlacích, čímž simuluje proces výbuchu páry. Výsledky ukazují, že teplota ovlivňuje druhy vznikajících cukrů, zatímco doba trvání procesu rozhoduje o množství vznikajících cukrů.

Všechny zmíněné metody jsou účinné, ale mají své nevýhody, jako je vysoká spotřeba energie, potřeba specifických zařízení nebo produkce vedlejších odpadů.

Na druhé straně biologická předúprava, která používá mikroorganismy k rozkladu ligninu a hemicelulóz, představuje šetrnou a ekologickou metodu. Tato metoda využívá především aktinomycety, bakterie a houbové mikroorganismy, které používají enzymy, jako jsou peroxidázy a lakázy, k degradaci ligninu. Tento proces je selektivní, nevyžaduje chemikálie a spotřebovává méně energie než chemické metody. Významným přínosem biologické předúpravy je to, že během procesu nevznikají toxické nebo jedovaté látky, což činí tento přístup výhodným z hlediska životního prostředí. Mikrobiální organismy jako Bacillus, Streptomyces, Candida a Aspergillus se používají k rozkladu složitých makromolekul, čímž se vytvářejí jednoduché cukry, které mohou být dále fermentovány na bioplyn.

Biologická předúprava také zvyšuje výnosy bioplynu, jak prokázal výzkum, kde ošetření cedrového dřeva pomocí hub Cyanthus stercoreus a Trametes hirsute vedlo k vyšší produkci biomethanu.

Jak rozumět běžným slovům a frázím v každodenním životě
Jak Etsy a Spotify přistupují k monitorování a nasazování aplikací v reálném čase?
Jak jíst proti zánětům a chránit své zdraví: Praktický návod pro každodenní jídla