Zemní plyn

Zemní plyn je přírodní směs plynných uhlovodíků s převažujícím podílem metanu CH4 a proměnlivým množstvím neuhlovodíkových plynů (zejména inertních plynů).
a) vznik zemního plynu
b) vlastnosti zemního plynu v porovnání s ostatními topnými plyny
c) druhy těženého zemního plynu
d) kde se vlastně bere energie
e) zásoby zemního plynu
a) vznik zemního plynu
Na vznik zemního plynu existuje více teorií. Jelikož se zemní plyn vyskytuje velice často spolu s ropou (naftový zemní plyn) nebo s uhlím (karbonský zemní plyn) (od geologického období Karbon), přiklánějí se teorie jeho vzniku nejčastěji k tomu, že se postupně uvolňoval při vzniku uhlí nebo ropy jako důsledek postupného rozkladu organického materiálu. Podle teorií preferujících organický původ zemního plynu byly tedy na začátku vzniku zemních plynů rostlinné a živočišné zbytky.
Podle anorganické teorie vznikal zemní plyn řadou chemických reakcí z anorganických látek. V poslední době američtí vědci přišli s další tzv. abiogenetickou hypotézou, podle které zemní plyn vznikl štěpením uhlovodíků, které se na naší planetu dostaly v době jejího vzniku z vesmírné hmoty. Tyto vyšší uhlovodíky se postupně štěpily až na metan, který pak pronikal k povrchu Země.



b) vlastnosti zemního plynu v porovnání s ostatními topnými plyny
Zemní plyn je bezbarvý, sám o sobě nezapáchající, hořlavý plyn. Patří do skupiny topných plynů, využívá se k vytápění, vaření a ohřevu vody, v elektrárnách, teplárnách, v kogeneračních jednotkách a v dopravě (jako pohon motorových vozidel).
Může se vyskytovat ve dvou formách. CNG (Compressed Natural Gas), což je stlačený zemní plyn při tlaku 200 barů a LNG (Liquefied Natural Gas), zkapalněný zemní plyn při teplotě -162 °C. Skládá se převážně z methanu a vyšších uhlovodíků s malou příměsí inertních plynů. Zemní plyn je nejedovatý, nedýchatelný a lehčí než vzduch. V následující tabulce jsou uvedeny průměrné hodnoty pro jeho základní vlastnosti.
Tabulka - Vlastnosti zemního plynu
Výhřevnost 34,08 MJ/m3
Spalné teplo 37,82 MJ/m3
Hustota 0,69 kg/m3
Meze výbušnosti 5 - 15 %
Zápalná teplota 650 °C
Množství spalovacího vzduchu 9,56 m3 vzduchu/ m3 ZP
Teplota plamene 1 957 °C
Pro energetické účely se v průběhu téměř dvou stovek let historie plynárenství používaly různé plyny. Významnějšího postavení ale dosáhly pouze plyny vyrobené zplyněním nebo odplyněním uhlí, zemní plyny a kapalné plyny na bázi propanu a butanu.
? Topné plyny vyrobené odplyněním nebo zplyněním uhlí patří mezi středně výhřevné plyny a v České republice jsou známé jako koksárenský plyn nebo svítiplyn. Rozhodujícími složkami těchto plynů jsou metan, vodík a oxid uhelnatý, dále obsahují dusík, oxid uhličitý a vyšší uhlovodíky. Díky vysokému obsahu oxidu uhelnatého byly tyto plyny jedovaté. Spalné teplo se pohybovalo v rozmezí 17 - 20 MJ/m3.
? Topné plyny s vysokým obsahem metanu patří mezi velmi výhřevné topné plyny. V České republice jsou to zemní plyny (jak karbonský, tak naftový) a bioplyny. Rozhodující složkou je metan, dále mohou obsahovat vyšší uhlovodíky a inertní plyny. Jejich spalné teplo závisí na obsahu metanu - pohybuje se přibližně od 20 MJ/m3(bioplyny, karbonské plyny s vysokým obsahem inertů) do 40 MJ/m3 (v případě vyššího obsahu vyšších uhlovodíků může být spalné teplo zemního plynu ještě vyšší).
? Topné plyny na bázi propanu a butanu patří mezi vysoce výhřevné plyny. V České republice se používají buď čisté plyny nebo směs známá pod označením propan-butan. Odběratelům se na rozdíl od výše uvedených plynů dodávají v kapalném stavu. Spalné teplo záleží na poměru propan : butan ve směsi. Leží tedy v intervalu 101,7 (čistý propan) - 133,9 MJ/m3 (čistý butan), resp. - tyto plyny se prodávají na váhu - asi 50 MJ/kg směsi obou plynů.
c) druhy těženého zemního plynu
Těžený (přírodní) zemní plyn se podle složení dělí do čtyř základních skupin:
1. zemní plyn suchý (chudý) - obsahuje vysoké procento metanu (95 - 98%) a nepatrné množství vyšších uhlovodíků
2. zemní plyn vlhký (bohatý) - vedle metanu obsahuje vyšší podíl vyšších uhlovodíků
3. zemní plyn kyselý - je plyn s vysokým obsahem sulfanu (H2S), který se v úpravárenských závodech před dodávkou zemního plynu do distribučního systému odstraňuje
4. zemní plyn s vyšším obsahem inertů - jedná se hlavně o oxid uhličitý a dusík
Z vyšších uhlovodíků zemní plyny obsahují hlavně nasycené uhlovodíky, které jsou za normálních podmínek plynné - etan, propan a butan. V některých ložiscích obsahují zemní plyny i uhlovodíky, které jsou za normálních podmínek kapalné (od pentanu výše), které se při úpravě oddělují jako plynový kondenzát. Jejich směs se nazývá gazolín nebo přírodní benzín.
Příklady složení zemního plynu
metan vyšší uhlovodíky inerty
ČR naftový 97,7 1,7 0,6
ČR karbonský 92,5 2,2 6,3
Rusko 98,4 0,8 0,8
Norsko 93 4,9 2,1
V současné době nejvíce využívaným zemním plynem je tzv. naftový zemní plyn, který vznikal společně s ropou. Pokud se naftový zemní plyn těží společně s ropou, jedná se zpravidla o zemní plyn vlhký. V některých lokalitách ložiska neobsahují žádnou ropu, ale pouze zemní plyn suchý.
Vedle naftového plynu se dnes využívá i karbonský zemní plyn, který se z bezpečnostních důvodů odtěžuje při těžbě uhlí. Tento plyn je svým složením vždy suchý. Karbonský plyn se využívá v oblastech těžby černého uhlí.
Zásoby naftového zemního plynu jsou dostatečné, ale již dnes se řeší otázka, co bude po vyčerpání veškerých zásob plynu. Jednou z možností je výroba náhradního zemního plynu zplyňováním uhlí. Princip výroby naftového zemního plynu lze popsat jednoduchou rovnicí

Uhlí + H2O = CH4 + CO2
Výroba naftového zemního plynu není v současné době ekonomicky výhodná.
d) kde se vlastně bere energie
Při spalování platí dva známé základní zákony - zákon zachování hmoty a zákon zachování energie. Spalováním zemního plynu tedy nelze žádnou energii vyrobit, ale pouze přeměnit energii v něm uloženou v energii tepelnou.
Průmyslový hořák

Při dokonalém spalování zemního plynu dochází k jeho chemické přeměně na směs oxidu uhličitého a vodní páry. Každá chemická sloučenina má určité tzv. slučovací teplo. A to je vlastně energetický potenciál, který daná chemická sloučenina přináší do chemické reakce.
Reakční teplo, tj.teplo, které se při reakci vymění s okolím,se vypočítá jako rozdíl sumy slučovacích tepel látek vystupujících a sumy slučovacích tepel látek vstupujících do reakce.
V praxi mohou nastat dva případy:
- při reakci se teplo uvolňuje (exotermní reakce),výsledná hodnota reakčního tepla je záporná,
- reakci je třeba k jejímu průběhu teplo dodávat (endotermní reakce),hodnota reakčního tepla je kladná.
Proces spalování zemního plynu lze jednoduše popsat chemickou rovnicí:

CH4 + 2 O2 -=> CO2 + 2 H2O
Spalujeme-li čistý metan, dostáváme hodnotu reakčního tepla -802,762 kJ/mol v případě, kdy zůstává vzniklá voda ve skupenství plynném nebo -890,94 kJ/mol v případě úplné kondenzace vzniklé vodní páry na kapalnou vodu. V plynárenství se množství plynu nevyjadřuje v molech, ale převážně v objemových jednotkách. Přepočítáme-li tyto hodnoty na krychlové metry zemního plynu (1 m3 = cca 44,62 molu), získáme hodnoty reakčních tepel:

-35,82 MJ/m3 v případě, kdy veškerá vzniklá voda je ve formě vodní páry (výhřevnost),
-39,75 MJ/m3 v případě, kdy veškerá vodní pára zkondenzovala na kapalnou vodu (spalné teplo)
e) zásoby zemního plynu
Celkové zásoby zemního plynu s odhadem 511 tisíc miliard kubických metrů mají životnost až 200 let.


Zásoby zemního plynu dělíme na prokázané, pravděpodobné a potenciální.
Prokázané (prověřené) zásoby zemního plynu, které jsou ekonomicky těžitelné při současné technické úrovni, dosahují 164 tisíc miliard krychlových metrů a vydrží při současné těžbě do roku 2060.
Rozhodující význam pro dlouhodobou perspektivu plynárenství mají světové zásoby zemního plynu. Koncem šedesátých let převládal názor, že zemní plyn je pouze přechodným zdrojem energie a jeho zásoby budou velmi brzy vyčerpány, my však můžeme dnes s jistotou tvrdit, že zemní plyn skutečně je a bude palivem 21. století. K tomuto ambicióznímu tvrzení nás opravňuje pohled do historie vývoje zásob ZP a jejich současný stav. Zásoby fosilních paliv a nerostných surovin se obvykle rozdělují do několika skupin podle určité klasifikace. Tato klasifikace není často jednotná,řídí se podle účelu použití nebo zpracovatelů. Například geologové používají podrobnější klasifikaci než těžařské společnosti nebo statistické úřady.
Na počátku sedmdesátých let, kdy se rodily první koncepce o přepravě ZP z nalezišť v bývalém SSSR do západní Evropy a Československa, činily prověřené světové zásoby ZP pouze 39 443 mld. m3, z toho v SSSR 12 806 mld. m3. Prudký rozvoj metod geologického průzkumu na pevnině a v mořských přípobřežních oblastech tzv.shellfech, vedly k objevům a prověření obrovských zásob ZP, které v roce 2000 dosáhly cca 164 600 mld. m3.
Bez zajímavosti jistě není, že 71,7 % těchto zásob se nachází na pevnině a 28,3 % v mořských shellfech (mělčinách). Pro dlouhodobou perspektivu využívání zemního plynu však nejsou důležité údaje pouze o jeho zásobách, ale také o jejich životnosti. Tzv. statická životnost je poměr aktuálně uváděných zásob k aktuální těžbě vyjádřený v letech.

Rozdělení sektoru těžby ve Skandinávii
Pravděpodobné zásoby jsou zásoby objevené na ložiscích, vykazujících velmi vysokou pravděpodobnost, že budou vytěžitelná za ekonomických a technických podmínek podobných těm, které jsou u prověřených zásob. Ložiska nejsou dosud technicky vybavena. Vedle kategorie prokázaných zásob můžeme s vysokou jistotou počítat s možností využití i pravděpodobných zásob. Právě přesun určitého objemu zásob z této do první kategorie v důsledku pokračujícího osvojování ložisek je důvodem stále zvyšujícího se objemu prokazatelných zásob zemního plynu a jejich životnosti.
Pravděpodobné zásoby dosahují výše 347 000 mld. m3 . Velmi zajímavé a pro Evropu i Českou republiku velmi příznivé je geografické rozdělení obou kategorií zásob, což prezentuje následující obrázek. Světové zásoby zemního plynu Informace Mezinárodní plynárenské unie uvádějí, že při zohlednění i prokázaných i pravděpodobných rezerv lze v roce 2006 uvažovat s životností světových zásob zemního plynu dle vývoje spotřeby 136 až 156 let (některé odhady uvádějí až 200 let).
Potenciální zásoby jsou tzv. nekonvenční zdroje. Mezi tyto zdroje patří především hydráty metanu, což je pevná substance podobná sněhu, tvořená 20 % metanu a 80 % vody. Hydráty se nacházejí v zemské kůře pod dnem oceánů. Tyto velmi významné zásoby jsou již dlouho známy, jejich problémem je však těžba. Jednou z možností těžby, jejíž intenzivní výzkum probíhá, je tepelný rozklad hydrátů a jejich odtlakování. Moderní metody geologického průzkumu umožňují stále zpřesňovat odhady jejich zásob.
V současné době lze tvrdit, že zásoby zemního plynu v podobě hydrátů činí cca 21 000 000 mld. m3 . Dalším zdroje tohoto druhu je tzv. Coal Bed Methan (CBM), což je metan, jehož původ je spojován se vznikem černouhelných slojí. Plyn je absorbován v uhelných slojích a je vázán v mikroporézní struktuře uhelné hmoty. Efektivnost získání plynu je odvislá od stupně prouhlení uhelné hmoty a její dostatečné propustnosti.
Těžba CBM je ve většině uhelných pánví světa na úrovni průzkumu a prvotních projektů. Průzkumné práce probíhají i v severomoravském regionu, kde bylo zjištěno, že uhelná hmota váže až 12,5 m3 /t uhlí a ekonomicky zajímavé zásoby se pohybují v rozsahu 70 - 370 mld. m3 . Jeden z nejdůležitějších důvodů, který ovlivnil objevování a osvojování nových zásob, je bezesporu zavádění nových technologií.Třídimenzionální seismické studie identifikovaly nové objekty pro směrové vrty s velkou přesností a spolehlivostí.
Schopnost dosáhnout nová ložiska pomocí nízkoprůměrových vrtů, směrového a horizontálního vrtání, radikálně změnily ekonomiku a těžby plynu. Rovněž nové typy mořských těžebních plošin měly zásadní vliv na osvojení shellfových ložisek.
Významným zdrojem zemního plynu se v budoucnu mohou stát plynové hydráty, které tvoří metan a některé vyšší uhlovodíky (etan, propan) s vodou za vysokých tlaků a nízkých teplot. Dosud objevená ložiska plynových hydrátů jsou obrovská - jejich zásoby jen na severní polokouli jsou několikanásobně vyšší než v současné době těžitelné zásoby naftového zemního plynu na celém světě.