CO2-afvangtechnologieën

december 1, 2021admin

Koolstofafvang en -opslag (CCS) is een combinatie van technologieën die zijn ontworpen om te voorkomen dat CO2 vrijkomt die wordt gegenereerd door conventionele energieopwekking en industriële productieprocessen, door de CO2 te injecteren in geschikte ondergrondse opslagreservoirs. In principe scheidt de afvangtechnologie de CO2-emissies van het proces, waarna het samengeperste CO2 naar een geschikte geologische opslaglocatie wordt getransporteerd en geïnjecteerd. Geschikte methoden voor het transport van CO2 zijn onder meer pijpleidingen en scheepvaart. Geschikte geologische opslaglocaties voor CO2 zijn onder meer verlaten olie- en gasvelden, diepe zoute formaties en onmijnbare steenkoollagen. De voornaamste reden om aan koolstofafvang en -opslag (CCS) te doen is de vermindering van de CO2-uitstoot door de industrie en de elektriciteitsproductie; zonder stimulansen voor dergelijke emissiereducties kan weinig CCS worden verwacht. De toepassing van CCS in de industrie en de elektriciteitsproductie zou het mogelijk maken het gebruik van fossiele brandstoffen voort te zetten met een aanzienlijke vermindering van de CO2-uitstoot. Een volledige CCS-keten moet echter nog tot stand worden gebracht en er zijn nog veel onzekerheden op technisch, economisch en milieugebied.

Inleiding in CO2-afvangtechnologie

Er zijn verschillende technologieën die worden toegepast bij de afvang, het transport en de geologische opslag van CO2. Het grootste deel van het onderzoek en de ontwikkeling is gericht op efficiëntieverbeteringen in de technologieën die worden gebruikt om CO2 af te scheiden van andere verbindingen die normaliter bij een industrieel proces worden uitgestoten. Deze technologieën worden in het algemeen “afvangtechnologieën” genoemd. Afvangprocessen kunnen in drie categorieën worden ingedeeld, waarbij de geschiktheid van elke benadering afhangt van het industriële proces of het type elektriciteitscentrale in kwestie.

Naverbranding: CO2 wordt verwijderd uit het rookgas dat ontstaat bij de verbranding van een fossiele brandstof. Bij de afscheiding na de verbranding wordt een oplosmiddel gebruikt om het CO2 af te vangen. Typische toepassingen voor deze technologie zijn poederkoolcentrales (PC) en aardgasgestookte centrales met gecombineerde cyclus (NGCC). Deze technologie is bijzonder geschikt voor retrofit-toepassingen (Parlementair Bureau voor Wetenschap & Technologie, 2009).
Voorverbranding: De primaire brandstof in het proces wordt gereageerd met stoom en lucht of zuurstof, en wordt omgezet in een mengsel van koolmonoxide en waterstof, vaak een ‘syngas’ genoemd. Het koolmonoxide wordt vervolgens omgezet in CO2 in een “shiftreactor”. Het CO2 kan vervolgens worden afgescheiden, en de waterstof wordt gebruikt om stroom en/of warmte op te wekken. Deze technologie is bijzonder geschikt om te worden toegepast in elektriciteitscentrales met gecombineerde vergassing (IGCC) (IPCC, 2005).
Oxy-fuel verbranding: De primaire brandstof wordt verbrand in zuurstof in plaats van lucht, waardoor een rookgas ontstaat dat voornamelijk waterdamp en een hoge concentratie CO2 (80%) bevat. Het rookgas wordt vervolgens gekoeld om de waterdamp te condenseren, waardoor een bijna zuivere stroom CO2 overblijft. Voor de in situ productie van zuurstof uit lucht is extra apparatuur nodig (Mckinsey & Company, 2008).

Industriële processen: De scheidingstechnologieën kunnen ook worden gebruikt in verschillende industrieën, zoals de verwerking van aardgas, en bij de productie van staal, cement en ammoniak (IPCC, 2005).

Koolstofafvang en -opslag (CCS) zou 85-95% van alle geproduceerde CO2 kunnen afvangen (IPCC, 2005), maar de netto-emissiereducties liggen in de orde van 72 tot 90% vanwege de energie die het kost om de CO2 af te scheiden en de uitstoot stroomopwaarts (Viebahn et al, 2007).

Als CO2 eenmaal effectief uit een proces is ‘afgevangen’, zal het naar een geschikte opslaglocatie moeten worden getransporteerd. CO2 wordt het efficiëntst getransporteerd wanneer het wordt samengeperst tot een druk van meer dan 7,4 MPa en een temperatuur van meer dan ongeveer 31˚C. Onder deze omstandigheden vertoont CO2 superkritische eigenschappen; het is een vloeistof met gaseigenschappen. CO2 zou dus normaliter onder hoge druk worden vervoerd in pijpleidingen van koolstofstaal, niet ongelijk aan normale aardgaspijpleidingen, of in schepen als het een grote watervlakte moet doorkruisen. CO2-pijpleidingen bestaan reeds op grote schaal, zij het voornamelijk in dunbevolkte gebieden, met name in de VS voor verbeterde oliewinning (EOR). CO2-schepen zijn nog niet in gebruik, maar zullen waarschijnlijk geen technische problemen opleveren.

Schikte CO2-opslaglocaties zijn onder meer verlaten olie- en gasvelden of diepe zoutformaties, met een verwachte minimumdiepte van 800 m, waar de omgevingstemperatuur en -druk voldoende hoog zijn om het CO2 in vloeibare of superkritische toestand te houden. Door een combinatie van fysische en geofysische insluitingsmechanismen wordt voorkomen dat het CO2 uit het opslagreservoir migreert (IPCC, 2005). De technologieën die worden gebruikt om het CO2 te injecteren zijn vergelijkbaar met die welke in de olie- en gasindustrie worden gebruikt. Naast boor- en injectieapparatuur zijn meet- en monitoringtechnologieën essentieel om de resterende capaciteit van de opslaglocatie en het gedrag van het CO2 te observeren. Hoewel bepaalde injectietechnologieën bekend zijn, zijn verbeteringen specifiek voor CO2-opslag nog in ontwikkeling. Zodra de injectiefase is voltooid, moet de put worden afgedicht met behulp van een geschikte (meestal cement) ‘plug’, die op voldoende diepte wordt aangebracht om te voorkomen dat het CO2 uit de put opstijgt en eventueel ontsnapt of het grondwater verontreinigt.

Haalbaarheid van CO2-afvangtechnologie en operationele vereisten

Technische haalbaarheid van koolstofafvang- en opslagtechnologie

De toepassing van technologieën elders doet vermoeden dat CCS technisch haalbaar is bij de meeste grote, stationaire CO2-puntbronnen. CO2-scheidingstechnologieën worden reeds toegepast bij de verwerking van aardgas (NGP), waar de verwijdering van CO2 uit aardgas noodzakelijk is om de verbrandingswaarde te verbeteren en/of om aan de specificaties van pijpleidingen te voldoen. CO2-opslag, gecombineerd met NGP, is met succes gedemonstreerd in het Sleipner-gasveld in Noorwegen, en in de In Salah-gasvelden in Algerije. Wereldwijd zijn er een aantal CCS-installaties gepland. In de industriële sector behelst het Quest CCS-project in Alberta, Canada, het afvangen van 1,2 MtCO2 per jaar uit een opwerkingsinstallatie voor teerzand, en het transport naar een diepe zoutformatie voor opslag. Het project zal naar verwachting in 2016 operationeel zijn. In de elektriciteitssector is het Kemper County IGCC-project in Mississippi een nieuw te bouwen 600 MW-centrale met geïntegreerde vergassing met gecombineerde cyclus, die 3,5 MtCO2 per jaar wil afvangen en de CO2 wil gebruiken voor verbeterde oliewinning. Dit project is momenteel in aanbouw en zal naar verwachting eind 2014 worden voltooid. Het Global CCS Institute identificeert 12 CCS-projecten die momenteel in bedrijf zijn, en 8 projecten in aanbouw (Global CCS Institute, 2013).

Onzekerheid over regelgeving en publieke perceptie van technologie voor koolstofafvang en -opslag

Elke nieuwe technologie met potentiële risico’s wordt in haar beginfase geconfronteerd met onzekerheid over de regelgeving. Voor CCS worden deze belemmeringen momenteel weggewerkt. De jongste jaren zijn er wijzigingen aangebracht in de internationale wettelijke bepalingen, met name het Protocol van Londen (Verdrag ter voorkoming van verontreiniging van de zee door het storten van afval en andere stoffen van 1972 en Protocol van 1996) en het OSPAR-Verdrag (Verdrag inzake de bescherming van het mariene milieu in het noordoostelijk deel van de Atlantische Oceaan), teneinde de offshore-opslag van CO2 mogelijk te maken. Er blijven echter nog een aantal juridische vragen over de aansprakelijkheid voor opslag, de verantwoordelijkheid voor monitoring en het grensoverschrijdend transport van CO2. Het ontbreken van een regelgevingskader kan de voortgang van CCS-projecten belemmeren, gezien het risico dat projectontwikkelaars lopen. In de EU, Canada en Australië zijn wettelijke kaders voor CCS vastgesteld; in de Verenigde Staten zijn de besprekingen daarover nog aan de gang.

Het standpunt van de milieu-NGO’s over CCS is gemengd; terwijl sommige de technologie ondersteunen, zijn andere ertegen. Sociale wetenschappers hebben een algemeen gebrek aan bewustzijn en begrip bij het lekenpubliek vastgesteld. In verscheidene gemeenschappen waar CO2-opslagprojecten waren gepland, hebben de plaatselijke belanghebbenden hun bezorgdheid geuit over de risico’s van CCS en hebben zij in sommige gevallen geprotesteerd. De publieke perceptie van CCS wordt momenteel gezien als een belangrijke belemmering indien CCS-demonstratieprojecten niet gepaard gaan met onbevooroordeelde informatieverstrekking en betrokkenheid van de gemeenschap.

Milieueffecten en risico’s van koolstofafvang- en -opslagtechnologie

Koolstofafvang en -opslag (CCS) heeft het potentieel om de CO2-emissies van elektriciteitsopwekking en industriële installaties aanzienlijk te verminderen. Het grootste risico in verband met CCS is mogelijke lekkage uit pijpleidingsystemen en opslagplaatsen, hetzij tijdelijk, hetzij permanent. CO2 is geen giftig gas, maar kan leiden tot verstikking als de concentratie in de lucht hoog genoeg wordt, bijvoorbeeld als de lekkage zich voordoet in een gesloten gebouw. De risico’s van het weglekken van CO2 uit een pijpleiding zijn niet anders dan bij het vervoer van bijvoorbeeld aardgas, maar CO2 is niet ontvlambaar. Veel landen hebben regelgevingskaders en normen vastgesteld voor het transport en de permanente opslag van CO2, die ervoor moeten zorgen dat dergelijke praktijken geen bedreiging vormen voor de veiligheid van mens en milieu.

Negatieve milieueffecten in verband met CCS worden in verband gebracht met de extra vraag naar fossiele brandstoffen, als gevolg van het energieverlies voor de werking van de afvangeenheid, en de toxicologische effecten in verband met het gebruik van oplosmiddelen om het CO2 chemisch af te vangen (Zapp et al., 2012). Het gebruik van CCS is een afweging tussen het hoge potentieel voor CO2-reductie, en de matige milieueffecten van verminderde energie-efficiëntie en milieueffecten in verband met CO2-afvang.

Status van de koolstofafvang en -opslag & technologie en haar toekomstige marktpotentieel

Wereldwijd zijn er momenteel vier voorbeelden van CCS-projecten op ware schaal, allemaal in de industriële sector en niet in de elektriciteitsproductie. Naast Weyburn, dat gebruik maakt van CO2 afkomstig van een kolenvergassingsinstallatie in de Verenigde Staten, injecteert de Noorse oliemaatschappij Statoil sinds 1996 ongeveer een miljoen ton CO2, gescheiden van aardgas, per jaar in diepe zoute formaties onder de Noordzee, en sinds 2008 wordt een soortgelijke technologie toegepast in het Snohvit-project, eveneens in Noorwegen. Een consortium van BP, Statoil en Sonatrach heeft CO2 geïnjecteerd in In Salah in Algerije, ook met CO2 afkomstig van gasproductie. Technologie die vergelijkbaar is met afvang vóór verbranding wordt gebruikt bij de productie van meststoffen en waterstof, waarbij het afgevangen CO2 wordt gebruikt in andere industriële processen, of wordt uitgestoten. Oxy-fuel verbrandingstechnologie voor gebruik bij elektriciteitsopwekking bevindt zich nog in de demonstratiefase, maar wordt momenteel in Duitsland getest door Vattenfall, een Europees elektriciteitsbedrijf.

De mondiale capaciteit om CO2 geologisch op te slaan is groot, met recente ramingen van het potentieel in stroomgebieden tussen 8.000 en 15.000 Gt (IEA, 2008b). Het kennisniveau betreffende het opslagpotentieel varieert echter op mondiale, regionale en lokale schaal (IPCC, 2005). De ramingen van de opslagcapaciteiten zijn het verst gevorderd in Europa, Noord-Amerika, Japan en Australië. Uitgeputte olie- en gasreservoirs hebben naar raming een wereldwijde opslagcapaciteit van 675-900 GtCO2 , en deze opslagoptie lijkt geschikt vanwege de bestaande kennis van dergelijke locaties, alsmede het potentieel om bestaande infrastructuur van olie- en gaswinningsprocessen te hergebruiken (IPCC, 2005). Diepe zoute formaties hebben een opslagcapaciteit van ten minste 1000 GtCO2 en worden verondersteld verspreid te zijn over een groot aantal sedimentaire bekkens in de wereld. Er is op gewezen dat meer informatie over de opslagcapaciteit vereist is in gebieden waar het energieverbruik versneld toeneemt, zoals China, India, Zuidoost-Azië, Oost-Europa en zuidelijk Afrika (IPCC, 2005).

Hoe koolstofafvang- en -opslagtechnologie kan bijdragen tot sociaal-economische ontwikkeling en milieubescherming

De mate waarin CCS duurzame ontwikkeling ondersteunt, is een veelbesproken onderwerp. De discussies over het toelaten van CCS in het mechanisme voor schone ontwikkeling van het Kyoto-protocol illustreren de uiteenlopende meningen van de belanghebbenden. Sommigen zijn van mening dat geen enkele technologie waarbij fossiele brandstoffen worden verbrand, kan worden geassocieerd met duurzame ontwikkeling, omdat die hulpbronnen eindig zijn. Anderen wijzen op de effecten van het gebruik van fossiele brandstoffen, die verder gaan dan de uitstoot van CO2 alleen, waaronder de milieueffecten van de steenkoolwinning (Coninck, 2008).

Klimaat

Zoals gezegd kan met CCS 85-95% van de in een centrale geproduceerde CO2 worden afgevangen (IPCC, 2005), maar de netto-emissiereducties liggen in de orde van 72 tot 90% vanwege de energie die het kost om de CO2 en de upstream-emissies te scheiden (Viebahn et al, 2007)

Financiële eisen en kosten van koolstofafvang- en opslagtechnologie

Huidig is dat verreweg de meeste toepassingen van CCS economisch niet haalbaar zijn. De extra apparatuur die wordt gebruikt om CO2 af te vangen en te comprimeren vereist ook aanzienlijke hoeveelheden energie, waardoor de brandstofbehoefte van een kolengestookte elektriciteitscentrale met 25-40% toeneemt en ook de kosten stijgen (IPCC, 2005). CCS-demonstratieprojecten in de elektriciteitssector zullen naar verwachting $90-130/tCO2 vermeden kosten, waarbij de kosten mogelijk zullen dalen tot $50-75/tCO2 voor full-scale commerciële activiteiten die na 2020 plaatsvinden (Mckinsey & Company, 2008). Deze kosten houden rekening met het energieverlies door CO2-afvang, maar niet met de uitstoot stroomopwaarts, zodat ze uitgaan van een emissiereductie van 80 tot 90% ten opzichte van een conventionele installatie.

De laatste tijd is er veel aandacht voor de beoordeling van het potentieel en de kosten van CCS in de industriële sector (UNIDO/IEA, 2011; ZEP, 2013). Veel industriële processen, bijvoorbeeld primaire staalproductie, cementproductie en olieraffinage, werken tegen de grenzen van energie-efficiëntie en CO2-afvang is de enige technologie die de emissies verder kan terugdringen. De kosten van CCS-toepassingen in de industrie variëren sterk naar gelang van de toepassing, maar sommige kosten zijn veel lager dan die in de elektriciteitssector (zie figuur 4).

Het moet worden opgemerkt dat, hoewel CCS-toepassingen de kosten van energieopwekking en industriële productie zullen doen stijgen, het IEA (2008a) heeft berekend dat uitsluiting van CCS uit de mondiale emissiereductieportefeuille de kosten van het bereiken van klimaatstabilisatie met 70% zal doen toenemen. Op basis van deze informatie kan de opname van CCS in de emissiereductieportefeuille worden gerechtvaardigd vanuit het oogpunt van economische efficiëntie op lange termijn.

Clean Development Mechanism market status

Op de klimaatconferentie van 2010 in Cancún, Mexico, heeft de Conferentie van de Partijen bij het Kyoto-protocol (CMP) besloten CCS-projecten op te nemen in het Clean Development Mechanism (CDM).

Bellona, 2009. Technologie.
Coninck, H.C.De, 2008. Paard van Troje of hoorn des overvloeds? Reflecties over het toelaten van CCS in het CDM. Energiebeleid 36, blz. 929-936.
Europese Commissie, 2009. Mededeling van de Commissie aan het Europees Parlement en de Raad. Demonstratie van koolstofafvang en geologische opslag (CCS) in opkomende ontwikkelingslanden: financiering van het EU-China-project voor een kolencentrale met bijna-nulemissie. Brussel, België.
IEA, 2008a. Perspectieven voor energietechnologie 2008: Scenario’s en strategieën tot 2050. IEA/OESO, Parijs, Frankrijk.
IEA, 2008b. CO2-afvang en -opslag: A Key Abatement Option, IEA/OESO, Parijs, Frankrijk.
IEA, 2009. Technology roadmap – carbon capture and storage. Internationaal Energieagentschap, Parijs, Frankrijk.
IEA/UNIDO, 2011. . Internationaal Energieagentschap, Parijs, Frankrijk.
IPCC, 2005. Speciaal verslag over het afvangen en opslaan van kooldioxide. Metz, B. en Davidson, O. en Coninck, H.C.De en Loos, M. en Meyer, L.A. (eds.). Cambridge University Press, Cambridge, Verenigd Koninkrijk en New York, VS, blz. 442.
Mckinsey & Company, 2008. Koolstofafvang en -opslag: Assessing the economics.
Parliamentary Office of Science and Technology, 2009. Postnote 335 – koolstofafvang en -opslag. The Parliamentary Office of Science and Technology, Londen, Verenigd Koninkrijk.
Verenigde Naties, 1987. Verslag van de Wereldcommissie voor Milieu en Ontwikkeling. Resolutie 42/187 van de Algemene Vergadering.
Viebahn, P. en Nitsch, J. en Fischedick, M. en Esken, A. en Schuwer, D. en Supersberger, N. en Zuberbuhler, U. en Edenhofer, O., 2007. Comparison of carbon capture and storage with renewable energy technologies regarding structural, economic, and ecological aspects in Germany. International Journal of Greenhouse Gas Control 1 (1), pp. 121-133.
Zapp, P., Schreiber, A., Marx, J., Haines, M., Hake, J., Gale, J., 2012. Totale milieueffecten van CCS-technologieën – een levenscyclusbenadering. International Journal of Greenhouse Gas Control 8 (2012) 12-21
ZEP, 2013. “CO2 Capture and Storage (CCS) in energy-intensive industries – An indispensable route to an EU low-carbon economy”, European Technology Platform for Zero Emission Fossil Fuel Power Plants, Brussel.