Těžba zemního plynu v konvenčních ložiscích probíhá za využití tradiční technologie těžby uhlovodíků, jako je vertikální vrtání. Zemní plyn těžený v těchto ložiscích je často „spojený“ s ropou, což znamená, že se nachází ve formě plynové kapsy nebo rozpuštěného plynu, nebo v obou formách současně. Nezávislý plyn, který není spojený s ropou, je naopak těžen ze zásobníků, které jsou složeny především z volného zemního plynu. Těžba tohoto plynu probíhá tradičními metodami včetně na- a offshore vrtů. Plynový kondenzát označuje plyn těžený spolu s kapalinovými uhlovodíky a je považován za „mokrou“ variantu zemního plynu. Kondenzáty mají obvykle specifickou hmotnost od 50° do 120° API a tvoří přibližně 4,5 % až 5 % celkové těžby ropy na světě.

Nekonvenční zemní plyn zahrnuje metody těžby ze zásobníků bohatých na zemní plyn, kde jsou využívány pokročilé technologie, jako je horizontální vrtání a hydraulické štěpení. Tato kombinace se aplikuje především na těžbu plynu z těsných pískovců, břidlicových ložisek a metanu uloženého v uhlí. Metanový hydrát si naopak vyžaduje vývoj převratných technologií pro jeho extrakci z mořského dna. Vyrobený plyn, neboli syntetický plyn, je produkován z různých zdrojů, jako jsou uhelný plyn, plyn z deponií, bioplyn nebo spalinový plyn. Syntetický plyn vzniká především v rafinériích a petrochemických závodech a je směsí oxidu uhelnatého a vodíku, což je základ pro výrobu mnoha petrochemických produktů.

Ve Spojených státech byly vyvinuty technologie pro získávání zemního plynu z různých zásobníků, s výjimkou metanového hydrátu. Statistiky z roku 2011 ukazují následující rozdělení těžby zemního plynu: 16 % pocházelo z neasociovaných onshore vrtů, 9 % bylo produkováno v asociaci s ropnými vrty, 8 % bylo získáno z ložisek metanu v uhlí, 7 % pocházelo z neasociovaných offshore vrtů, 36 % bylo těženo z těsných pískovců a zbytek 35 % byl získán z břidlicových ložisek. Odhady těžby do roku 2040 ukazují, že podíl jednotlivých typů ložisek bude následovně: 4 %, 5 %, 7 %, 6 %, 23 % a 54 %.

Zemní plyn se ukazuje jako významný energetický zdroj v boji proti globálnímu oteplování, protože při spalování uvolňuje méně oxidu uhličitého na jednotku užitečné energie. Pokud srovnáme množství CO₂ na spotřebovanou energii (v kg CO₂/GJ), pak pro pevná biopaliva je to přibližně 110, pro uhlí 95, pro těžký topný olej 77, pro naftu 75, pro benzin 70 a pro zemní plyn 56. Plyn je tedy výhodnou náhradou za uhlí a kapalná fosilní paliva, pokud jde o snižování emisí skleníkových plynů.

Zemní plyn je směs uhlovodíků, přičemž nejhojněji zastoupeným složením je metan (CH4), jehož koncentrace se pohybuje mezi 75 % a 95 %. Další lehké parafiny, jako je etan (C2H6), propan (C3H8), butan (C4H10) a pentan (C5H12), jsou rovněž součástí této směsi, avšak jejich koncentrace bývá nižší. Plyn se nachází v ropných nebo plynových nádržích, buď ve formě plynové kapsy nebo rozpuštěného plynu, a to jak na pevninské ploše, tak i na dně oceánu. V těžebních oblastech se chemické složení zemního plynu může měnit, zejména u ložisek plynových kondenzátů, které se někdy označují jako „retrográdní“ ložiska.

Významným faktorem při těžbě zemního plynu je jeho složení, které se liší podle typu ložiska. Plyn těžený z asociovaných ložisek (tedy společně s ropou) obsahuje kromě metanu i další těžší uhlovodíky, zatímco „suchý“ plyn je převážně metan bez kondenzátů. Tato variabilita chemického složení plynu má zásadní vliv na technologii jeho těžby i využití. Během těžby a extrakce plynu se může měnit i jeho chemické složení, což je důležitý faktor, který ovlivňuje efektivitu a náklady na těžbu.

Zemní plyn je tedy jedním z klíčových energetických zdrojů, a to jak z hlediska jeho využívání pro snížení emisí skleníkových plynů, tak i pro potřebu zajištění energetické bezpečnosti. Pokročilé technologie, jako je horizontální vrtání a hydraulické štěpení, umožňují přístup k nekonvenčním ložiskům, což dává nové možnosti pro rozvoj těžby a využívání tohoto cenného zdroje energie. Předpokládané trendy v těžbě plynu v budoucnosti ukazují na rostoucí význam břidlicového a tight plynu, což si vyžádá další technologické inovace.

Jaké technologie se používají k výrobě syntetického zemního plynu z uhlí?

Výroba syntetického zemního plynu (SNG) z uhlí je technologický proces, který se v současnosti vyvíjí v několika směrech, přičemž hlavními technologiemi jsou plynofikace pomocí pevných ložisek, přímé fluidizované reaktory a nepřímá plynofikace. Každá z těchto metod má své výhody i nevýhody, které určují jejich vhodnost pro různé aplikace. V této kapitole se zaměříme na podrobnosti těchto technologií, které jsou v současnosti nejvíce testovány v průmyslových pilotních instalacích a mají potenciál pro masovou výrobu SNG.

Plynofikace uhlí je proces, při němž dochází k reakci uhlí s oxidačním činidlem (například kyslíkem nebo parou), což vede k rozkladu uhlí na plynná paliva, mezi něž patří zejména metan, vodík a oxid uhelnatý. Tyto plyny mohou být dále upravovány a použity jako náhrada přírodního zemního plynu. Mezi hlavní metody plynofikace patří reakce v pevném loži, reakce v fluidizovaném loži a nepřímá plynofikace.

Pevné lože je nejběžnějším typem reaktoru používaným pro plynofikaci. V tomto typu reaktoru se uhlí podává do horní části zařízení, kde hoří při omezeném množství kyslíku, což vede k vytvoření směsi plynů. Tyto plyny obsahují karbonyl, vodík a metan, které následně procházejí ložem pevných materiálů (např. písku nebo popela), které fungují jako filtr pro odstranění nečistot. Výhodou pevných ložisek je jejich jednoduchost při obsluze a údržbě, stejně jako schopnost zpracovávat různé druhy paliv. V USA a Číně jsou v provozu plynové reaktory používající vzduch jako plynofikační činidlo, přičemž tento typ reaktoru vykazuje vyšší procento metanu ve výrobním plynu.

Fluidizované lože je modernější technologie, která využívá fluidizované lože pevných částic (například písku nebo popela) k podpoře paliva během jeho spalování. Tento proces umožňuje lepší přenos tepla díky větší kontaktní ploše mezi palivem a ložem. Hlavními výhodami fluidizovaných reaktorů jsou vysoká tepelná účinnost a flexibilita ve zpracování různých druhů paliv, včetně uhlí, biomasy a odpadních materiálů. Pro zajištění kvalitnějšího plynu je také výhodou nižší provozní teplota, která zajišťuje menší riziko tepelného rozpadu a zlepšuje kvalitu produkovaných plynů.

Nevýhodou přímých fluidizovaných reaktorů je jejich složitější provoz a údržba, které vyžadují specializovanější znalosti a vybavení. Tato technologie je také poměrně nákladná na výstavbu a údržbu, což činí její využití nevhodným pro menší zařízení. Přesto se její efektivita a schopnost operovat při různých tlakových podmínkách činí atraktivní pro velké průmyslové aplikace.

Nepřímá plynofikace je technologie, která se stále testuje a je považována za perspektivní pro budoucnost. V tomto procesu je teplo pro plynofikaci poskytováno z externího zdroje, přičemž není dochází ke spalování paliva za přítomnosti kyslíku. Tento typ plynofikace vykazuje nízké emise a vysokou energetickou účinnost, což je kladné zejména v porovnání s jinými technologiemi.

Winklerova plynofikace je dvoustupňový proces, který umožňuje přeměnu pevných paliv, jako je uhlí nebo biomasa, na syntetický plyn (syngas). Tento plyn může být použit pro výrobu energie nebo paliv. Winklerova metoda je efektivnější a šetrnější k životnímu prostředí než jiné procesy, jelikož dokáže využít většinu energie obsažené v palivu, a zároveň produkuje méně znečišťujících látek.

Kellogg Rust Westinghouse (KRW) plynofikace je další dvoustupňový proces, který podobně jako Winklerova metoda využívá vysokoteplotní prostředí pro plynofikaci, přičemž následně využívá páru a vzduch k vylepšení kvality syntetického plynu. KRW technologie se vyznačuje vysokou účinností a nízkými emisemi, což ji činí vhodnou pro integraci s technologiemi na zachytávání a ukládání oxidu uhličitého (CCS).

Foster Wheeler, známý výrobce plynofikačních zařízení, vyvinul různé typy plynofikačních zařízení, z nichž jeden je fluidizovaný postřikovaný reaktor. Tento reaktor používá fluidizované lože částic pro plynofikaci paliva. Tato technologie je považována za efektivní, ale její implementace je nákladná a vyžaduje pokročilé technologické know-how.

Výběr konkrétní technologie závisí na řadě faktorů, mezi které patří velikost provozu, dostupné palivo a environmentální a ekonomické požadavky. Technologie plynofikace uhlí je stále v procesu vývoje, ale její aplikace mohou zásadně přispět k řešení problémů s energetickými zdroji v příštích dekádách.

V neposlední řadě je třeba vzít v úvahu nejen technickou realizaci, ale i environmentální dopady spojené s těmito technologiemi. Plynofikace uhlí, i když má potenciál vyrábět syntetický plyn, musí být doprovázena technologiemi pro zachytávání a ukládání oxidu uhličitého (CCS), aby byla minimalizována její ekologická zátěž. Tato kombinace s technologiemi pro ochranu ovzduší je klíčová pro zajištění udržitelnosti těchto metod v dlouhodobém horizontu.

Jak efektivně využívat ropný břidlici pro výrobu syntetických paliv a chemických produktů?

Ropná břidlice, bohatá na organické sloučeniny různých tříd, představuje výzvy pro pochopení kinetiky a mechanismu pyrolýzy. Produkty získané termální konverzí ropné břidlice zahrnují širokou škálu sloučenin, což komplikuje stanovení optimálních podmínek pro pyrolýzu. Snížení výtěžnosti ropného oleje při pyrolýze je důsledkem trhání a koksování, což závisí na několika faktorech, jako je teplota, rychlost ohřevu, konfigurace reaktoru, složení plynu (vodní pára, dusík nebo vodík) a doba pobytu produktů pyrolýzy v reaktoru. Rychlost ohřevu je klíčovým faktorem, který ovlivňuje degradaci chemických vazeb během termálního rozkladu. Při postupném ohřevu se nejprve přerušují vazby s nejnižší pevností, nicméně výtěžnost ropného oleje se snižuje v důsledku koksovacích reakcí.

Zrychlení degradace je přímo úměrné zvýšení rychlosti ohřevu. Je však třeba si uvědomit, že rychlost degradace je ve srovnání s rychlostí růstu teploty nižší, což způsobuje, že proces degradace je posunut do vyšších teplotních oblastí. To vede k poklesu výtěžnosti ropného oleje a vzestupu produkce plynů. Snížení teploty a doby pobytu produktů v pracovní zóně reaktoru může pomoci minimalizovat koksování a trhání při zpracování ropného oleje. Koksování během pomalého ohřevu lze omezit použitím vodní páry nebo snížením tlaku. Použití páry při výrobě ropného oleje zvyšuje výtěžnost produktu v porovnání s konvenční pyrolýzou. Tato metoda také mění složení výsledného ropného oleje, přičemž se zvyšuje koncentrace alifatických uhlovodíků. Zatímco heteroatomové sloučeniny podléhají koksování, přítomnost vody tento proces inhibuje.

Ropná břidlice, podobně jako uhlí, je univerzální organicko-minerální surovina, která má ekonomický význam nejen jako zdroj paliva, ale i pro těžbu uranu, různých minerálů a vzácných prvků. Některé druhy ropné břidlice, jako například diktyonemová břidlice, byly v letech 1946–1952 využívány pro těžbu uranu ve městě Sillamäe v Estonsku. V letech 1950–1989 byla alumová břidlice v použita ve Švédsku pro stejný účel. Významným směrem je zkoumání integrovaných metod retorting (retorta) pro získání ropného oleje, nahkolitu, uhličitanu sodného a bauxitu z vybraných ložisek ropné břidlice. Hlavní důraz při zpracování ropné břidlice však stále spočívá v technikách termochemické konverze kerogenu, kdy teplo umožňuje uvolnění ropy.

V oblasti metod upgradu ropné břidlice se zkoumají možnosti využití mikrobiálních aktivit pro disintegraci kerogenu v minerální matrici. Využívání termochemických procesů, jako jsou zplyňování, pyrolýza a likvidace, běžně aplikovaných na uhlí, je také relevantní pro ropnou břidlici. Cílem těchto procesů je přeměnit chemickou potenciální energii obsaženou v ropné břidlici na koncentrovanější a snadněji využitelné formy. Termální chování a charakteristiky ropné břidlice ovlivňují vhodnost určitých procesů. Je důležité, že poměr vodíku k uhlíku v organických látkách ropné břidlice, který se pohybuje od 1,2 do 1,6, je příznivější pro produkci kapalných paliv než u uhlí, kde tento poměr dosahuje hodnoty mezi 0,7 a 1. Tento faktor usnadňuje zpracování ropné břidlice na kapalná paliva, což představuje výhodu oproti složitějším procesům zvyšování H/C poměru u uhlí.

Naopak ropná břidlice přináší komplikace při zpracování kvůli vysokému obsahu minerálů, který se pohybuje od 70 do 90 %, což je mnohem více než u běžných uhlíkových ložisek. Zpracování tohoto pevného materiálu v jakémkoli termálním procesu je ekonomicky náročné.

Ropná břidlice může být přímo spalována ve stávajících elektrárnách, což je rozšířená praxe v několika zemích, včetně Izraele, Estonska, Německa a Číny. V současnosti se využívají tři hlavní komerční technologie pro spalování ropné břidlice: práškové spalování (PF), fluidní spalování (FBC) a cirkulující fluidní spalování (CFBC). Technologie PF je dnes méně populární kvůli vysokým provozním teplotám, které omezují schopnost minerálů zachytávat síru, což vede k ekologickým problémům. Naopak technologie CFBC, která byla vyvinuta v Estonsku a dalších zemích, dosahuje vyšší účinnosti (přibližně 36 %), což je příznivější z hlediska energetického využití.

Nízkoteplotní pyrolýza, známá také jako retorting, semikokování nebo nízkoteplotní karbonizace, se historicky používala pro zpracování vysoce kvalitní ropné břidlice. Tento proces zahrnuje ohřev břidlice na teplotu kolem 500 °C. Během pyrolýzy se organická hmota přeměňuje na různé formy, jako jsou plyn, olej a pevný zbytek. Vzniklý olej je označován jako ropný olej nebo ropný koks, plyn jako retortní plyn a pevný zbytek jako semikok. Ropná břidlice může být extrahována buď ex situ, což znamená těžbu břidlice a následné zpracování na povrchu, nebo in situ, což znamená ohřev břidlice přímo v podzemí. Při komerčním zpracování ropné břidlice je nutné provádět upgrady oleje, protože surový ropný olej vyžaduje úpravy, aby mohl být použit jako kvalitní palivo nebo surovina pro chemický průmysl.

Jaký je současný stav využívání olejového břidlice pro výrobu syntetického plynu?

Olejová břidlice je významným, avšak stále převážně nevyužitým zdrojem uhlovodíků. S vyčerpáváním snadno dostupných zásob ropy se její těžba stává nejen klíčovým, ale i finančně výhodným způsobem, jak uspokojit rostoucí globální poptávku po palivech a derivátech uhlovodíků. Tento typ sedimentární horniny obsahuje vysoké koncentrace organických látek, známých jako kerogen, jejichž destruktivní destilací lze získat značné množství spalného plynu a břidlicové ropy.

Břidlice je charakteristická svou jemnozrnnou texturou a obsahem organických látek, které se při zahřátí přeměňují na kapalné látky, jež jsou podobné ropě. Tento proces, známý jako termální rozklad kerogenu při teplotách přesahujících 500 °C, vede k produkci kapalného uhlovodíku, který je po dalším zpracování známý jako syntetická surová ropa. Olejová břidlice je typická svým vrstveným uspořádáním, které je běžné pro sedimentární horniny, přičemž minerální složení může sahat od autentických aluminosilikátových břidlic po uhličitany.

Přestože olejová břidlice obsahuje významné množství organických látek, není její využívání běžně rozšířeno. To lze přičíst především ekonomickým a environmentálním problémům. Tato hornina obsahuje více než 33 % popela a její organické složky, kerogen, jsou v podstatě nerozpustné. Tento kerogen je však základem pro proces, který vede k výrobě břidlicové ropy.

V současnosti se na proces pyrolýzy olejové břidlice zaměřuje řada vědeckých studií, přičemž největší pozornost je věnována různým katalyzátorům, jako jsou kovové sloučeniny, přírodní minerály, podporované katalyzátory a molekulární síta. Tyto katalyzátory hrají klíčovou roli při zlepšování účinnosti pyrolýzy, přičemž ovlivňují jak výtěžek, tak i složení výsledných plynů a kapalin.

Důležitým faktorem, který ovlivňuje proces pyrolýzy olejové břidlice, je volba katalyzátoru. Studie ukázaly, že použití molekulárních sítek a zeolitů, jako je ZSM-5, může podstatně zlepšit selektivitu k produkci kapalných uhlovodíků a aromatických sloučenin. ZSM-5 katalyzátor s různými poměry SiO2/Al2O3 vykazuje rozdílné účinky na výtěžky břidlicové ropy a na obsah aromatických uhlovodíků. Například u ZSM-5-25 došlo k vyššímu podílu polycyklických aromatických uhlovodíků, zatímco ZSM-5-38 vedl k vyšší koncentraci monocyklických aromatických sloučenin.

Po katalytickém zpracování olejové břidlice byla pozorována změna v poměru plynů, přičemž zvýšení koncentrace všech uhlovodíkových plynů bylo spojeno s poklesem výtěžku kapalné fáze. Tento jev je často spojen s tvorbou koksu na katalyzátoru. Kromě toho došlo k podstatnému snížení hladiny dusíku a síry v oleji, což ukazuje na zlepšení kvality produktu.

Olejová břidlice se, vzhledem k neustálému hledání nových energetických zdrojů, stává stále více relevantním materiálem pro zajištění energetické bezpečnosti v globálním měřítku. V tomto kontextu bude výzkum, který se zaměřuje na optimalizaci katalyzátorů a dalších parametrů pyrolýzy, klíčovým směrem pro budoucí aplikace této technologie. Mezi nejdůležitější faktory, které je třeba brát v úvahu při optimalizaci procesu, patří teplota, tlak, rychlost ohřevu a doba zdržení.

Břidlice nabízí obrovský potenciál, ale k jejímu širšímu využívání je třeba překonat ekonomické a environmentální výzvy. Pokroky v oblasti katalytické pyrolýzy a vývoj nových katalyzátorů, například na bázi alkalických kovů nebo alkalických zemin, budou hrát rozhodující roli v tomto směru. Výzkum by měl také pokračovat ve studiu různých regionálních variant olejové břidlice a jejich specifických vlastností, což pomůže optimalizovat procesy v závislosti na konkrétních geologických podmínkách.

Jak tepelné vlastnosti biopolymerů ovlivňují jejich stabilitu a chování při degradaci
Jak v rozhodování fungují role DACI a proč je důležité je správně definovat?
Jak se mění elektrochemické a elektrické vlastnosti superatomových materiálů?