CO2-leválasztási technológiák

admin

A szén-dioxid leválasztása és tárolása (CCS) olyan technológiák kombinációja, amelyek célja a hagyományos energiatermelési és ipari termelési folyamatok során keletkező CO2 kibocsátásának megakadályozása a CO2 megfelelő földalatti tárolótartályokba történő injektálásával. A leválasztási technológia alapvetően a CO2-kibocsátást választja le a folyamatról, majd a sűrített CO2-t megfelelő geológiai tárolóhelyre szállítják és injektálják. A CO2 szállításának megvalósítható módszerei közé tartoznak a csővezetékek és a hajózás. A CO2 megfelelő geológiai tárolási helyei közé tartoznak a felhagyott olaj- és gázmezők, a mélyen fekvő sós képződmények és a bányászhatatlan szénrétegek. A szén-dioxid-leválasztás és -tárolás (CCS) alkalmazásának fő oka az ipar és az energiatermelés CO2-kibocsátásának csökkentése; az ilyen kibocsátáscsökkentés ösztönzése nélkül a szén-dioxid-leválasztás és -tárolás kevéssé várható. A CCS bevezetése az ipari és energiatermelő ágazatokban lehetővé tenné a fosszilis tüzelőanyagok használatának folytatását a CO2-kibocsátás jelentős csökkenése mellett. A teljes CCS-lánc megvalósítása azonban még várat magára, és számos technikai, környezeti és gazdasági bizonytalanság marad.

A CO2-leválasztási technológiák bemutatása

A CO2 leválasztására, szállítására és geológiai tárolására számos technológiát alkalmaznak. A kutatás és fejlesztés nagy része a CO2-nak az ipari folyamatok során általában kibocsátott egyéb vegyületektől való elválasztására használt technológiák hatékonyságának javítására irányult. Ezeket a technológiákat általában “leválasztási technológiáknak” nevezik. A leválasztási eljárásokat három kategóriába lehet sorolni, ahol az egyes megközelítések alkalmassága az adott ipari folyamattól vagy erőműtípustól függ.

  2. Poszt-égetés: A CO2-t a fosszilis tüzelőanyag elégetésekor keletkező füstgázból távolítják el. Az égetés utáni leválasztás során oldószert használnak a CO2 megkötésére. E technológia tipikus alkalmazásai közé tartoznak a porlasztott szénerőművek (PC) és a földgáz kombinált ciklusú erőművek (NGCC). Ez a technológia különösen alkalmas utólagos alkalmazásokra (Parliamentary Office of Science & Technology, 2009).
  4. Pre-combustion: Az elsődleges tüzelőanyagot a folyamatban gőzzel és levegővel vagy oxigénnel reagáltatják, és szén-monoxid és hidrogén keverékévé alakítják, amelyet gyakran “szingáznak” neveznek. A szén-monoxidot ezt követően egy “shift-reaktorban” CO2-vá alakítják. A CO2 ezután leválasztható, a hidrogén pedig áram- és/vagy hőtermelésre használható. Ez a technológia különösen alkalmas arra, hogy integrált gázosítási kombinált ciklusú (IGCC) erőművekben alkalmazzák (IPCC, 2005).
  5. Oxigéntüzelés: A primer tüzelőanyagot levegő helyett oxigénben égetik el, ami főként vízgőzt és magas CO2-koncentrációt (80%) tartalmazó füstgázt eredményez. A füstgázt ezután lehűtik, hogy a vízgőz lecsapódjon, így csaknem tiszta CO2-áram marad. Az oxigén levegőből történő in situ előállításához további berendezésekre van szükség (Mckinsey & Company, 2008).

Ipari eljárások: A leválasztási technológiák különböző iparágakban is alkalmazhatók, például a földgázfeldolgozásban, valamint az acél-, cement- és ammóniagyártásban (IPCC, 2005).

A szén-dioxid leválasztása és tárolása (CCS) az összes termelt CO2 85-95%-át képes leválasztani (IPCC, 2005), de a nettó kibocsátáscsökkentés 72-90%-os nagyságrendű a CO2 leválasztásához szükséges energia és az upstream kibocsátások miatt (Viebahn et al., 2007).

Mihelyt a CO2-t ténylegesen “elkülönítették” egy folyamatból, azt megfelelő tárolóhelyre kell szállítani. A CO2 akkor szállítható a leghatékonyabban, ha 7,4 MPa feletti nyomásra és körülbelül 31˚C feletti hőmérsékletre sűrítik. Ilyen körülmények között a CO2 szuperkritikus tulajdonságokkal rendelkezik, azaz gázjellegű folyadékká válik. Így a CO2-t nagy nyomáson általában szénacélból készült csővezetékekben szállítják, amelyek nem különböznek a normál földgázvezetékektől, vagy hajókon, ha nagy kiterjedésű vízen kell áthaladni. CO2-csővezetékek már léteznek nagy léptékben, bár elsősorban ritkán lakott területeken, különösen az Egyesült Államokban a fokozott olajkitermelés (EOR) céljából. A CO2-hajók még nem kerültek bevezetésre, de valószínűleg nem okoznának műszaki problémákat.

A CO2 tárolására alkalmas helyek közé tartoznak a felhagyott olaj- és gázmezők vagy mélyen fekvő, legalább 800 m mélységű sós képződmények, ahol a környezeti hőmérséklet és a nyomás elég magas ahhoz, hogy a CO2 folyékony vagy szuperkritikus állapotban maradjon. A CO2-t fizikai és geofizikai csapdamechanizmusok kombinációja akadályozza meg a tárolótározóból való kiáramlását (IPCC, 2005). A CO2 befecskendezéséhez használt technológiák hasonlóak az olaj- és gáziparban használtakhoz. A kútfúró és injektáló berendezések mellett a tárolóhely fennmaradó kapacitásának és a CO2 viselkedésének megfigyeléséhez elengedhetetlenek a mérési és megfigyelési technológiák. Bár bizonyos injektálási technológiák már ismertek, a kifejezetten a CO2-tároláshoz szükséges fejlesztések még mindig fejlesztés alatt állnak. A befecskendezési fázis befejezése után a kutat megfelelő (általában cementes) “dugóval” kell lezárni, amelyet megfelelő mélységben kell elhelyezni, hogy a CO2 ne emelkedjen fel a kútba, és ne szivárogjon ki vagy szennyezze a talajvizet.

A CO2-leválasztási technológia megvalósíthatósága és az üzemeltetés szükségessége

A szén-dioxid leválasztási és tárolási technológia műszaki megvalósíthatósága

A technológiák máshol történő alkalmazása arra utal, hogy a CCS technikailag megvalósítható a legtöbb nagy, helyhez kötött CO2-pontforrás esetében. A CO2-leválasztási technológiákat már alkalmazzák a földgázfeldolgozásban (NGP), ahol a CO2 eltávolítása a földgázból szükséges a fűtőérték javításához és/vagy a csővezetéki előírásoknak való megfeleléshez. Az NGP-vel kombinált CO2-tárolást sikeresen demonstrálták a norvégiai Sleipner gázmezőn és az algériai In Salah gázmezőkön. Világszerte számos CCS-üzemet terveznek. Az ipari ágazaton belül a kanadai Albertában a Quest CCS projekt keretében évente 1,2 millió tonna CO2-t fognak leválasztani egy olajhomok-feldolgozóból, és tárolás céljából egy mélyen fekvő sós képződménybe szállítják. A projekt várhatóan 2016-ban kezdi meg működését. A villamosenergia-ágazatban a Mississippi államban található Kemper County IGCC projekt egy újonnan épülő 600 MW-os integrált gázzal kombinált ciklusú erőmű, amely évi 3,5 MtCO2 megkötését tervezi, és a CO2-t a fokozott olajkitermeléshez használja fel. A projekt jelenleg építés alatt áll, és várhatóan 2014 végén fejeződik be. A Global CCS Institute 12 jelenleg működő CCS-projektet azonosított, 8 projekt pedig építés alatt áll (Global CCS Institute, 2013).

Regulációs bizonytalanság és a szén-dioxid-leválasztási és -tárolási technológia megítélése a közvéleményben

A kezdeti szakaszban minden potenciális kockázatokkal járó új technológia szabályozási bizonytalansággal szembesül. A CCS esetében ezek az akadályok megoldása folyamatban van. Az elmúlt években módosításokat hajtottak végre a nemzetközi jogszabályi rendelkezésekben, nevezetesen a Londoni Jegyzőkönyvben (1972. évi egyezmény a hulladékok és egyéb anyagok tengerbe történő kihelyezése által okozott tengerszennyezés megelőzéséről és az 1996. évi jegyzőkönyv) és az OSPAR-egyezményben (egyezmény az Atlanti-óceán északkeleti részének tengeri környezetének védelméről) a szén-dioxid tengeri tárolásának lehetővé tétele érdekében. Továbbra is számos jogi kérdés merül fel azonban a tárolási felelősséggel, az ellenőrzési felelősséggel és a CO2 határokon átnyúló szállításával kapcsolatban. A szabályozási keretek hiánya akadályozhatja a CCS-projektek előrehaladását, tekintettel a projektfejlesztőkre háruló kockázatok szintjére. Az EU-ban, Kanadában és Ausztráliában már elfogadták a CCS-re vonatkozó jogi kereteket; az Egyesült Államokban jelenleg is folynak az erről szóló tárgyalások.

A környezetvédelmi nem kormányzati szervezetek álláspontja a CCS-sel kapcsolatban vegyes; míg egyesek támogatják a technológiákat, mások ellenzik azokat. A társadalomtudósok megfigyelték, hogy a laikusok körében általános a tájékozottság és a megértés hiánya. Több olyan közösségben, ahol CO2-tárolási projekteket terveztek, a helyi érdekeltek aggodalmukat fejezték ki a CCS kockázataival kapcsolatban, és egyes esetekben tiltakoztak. A CCS-sel kapcsolatos közvélemény megítélése jelenleg jelentős akadályt jelent, ha a CCS demonstrációs projekteket nem kíséri elfogulatlan tájékoztatás és közösségi bevonási folyamat.

A szén-dioxid-leválasztási és -tárolási technológia környezeti hatásai és kockázatai

A szén-dioxid leválasztása és tárolása (CCS) jelentősen csökkentheti az energiatermelésből és ipari létesítményekből származó CO2-kibocsátást. A CCS-sel kapcsolatos legnagyobb kockázatot a csővezetékrendszerekből és a tárolóhelyekről történő esetleges ideiglenes vagy állandó szivárgás jelenti. A CO2 nem mérgező gáz, de fulladáshoz vezethet, ha a levegőben elég magas a koncentrációja, például ha a szivárgás egy zárt épületben történik. A csővezetékből kiszivárgó CO2 kockázata nem különbözik például a földgáz szállításától, azonban a CO2 nem gyúlékony. Számos ország szabályozási kereteket és szabványokat hozott létre a CO2 szállítására és tartós tárolására vonatkozóan, amelyek célja annak biztosítása, hogy az ilyen gyakorlatok ne jelentsenek veszélyt az emberek és a környezet biztonságára.

A CCS-sel kapcsolatos negatív környezeti hatások a fosszilis tüzelőanyagok iránti többletigényhez kapcsolódnak, a leválasztó egység működtetéséhez szükséges energiabírság miatt, valamint a CO2 kémiai megkötéséhez használt oldószerekkel kapcsolatos toxikológiai hatásokhoz (Zapp et al., 2012). A CCS alkalmazása kompromisszumot jelent a CO2-csökkentés magas potenciálja, valamint a CO2-leválasztással járó csökkentett energiahatékonyság és a környezeti hatások mérsékelt környezeti hatásai között.

A szén-dioxid-leválasztás és -tárolás & technológiájának helyzete és jövőbeli piaci lehetőségei

Világszerte jelenleg négy példa van teljes körű CCS-projektre, amelyek mindegyike az ipari ágazatban és nem a villamosenergia-termelésben valósul meg. A Weyburn mellett, amely az Egyesült Államokban egy szénelgázosító létesítményből származó CO2-t használ, a norvég Statoil olajvállalat 1996 óta évente mintegy egymillió tonna földgázból leválasztott CO2-t fecskendez az Északi-tenger alatti mély sós formációba, 2008 óta pedig hasonló technológiát alkalmaznak a szintén norvégiai Snohvit projektben. A BP, a Statoil és a Sonatrach konzorciuma az algériai In Salah-nál CO2-t injektál, szintén gázkitermelésből származó CO2-t használva. Az előégetéses leválasztáshoz hasonló technológiát alkalmaznak a műtrágya- és hidrogéngyártásban, ahol a leválasztott CO2-t más ipari folyamatokban használják fel, vagy levezetik. A villamosenergia-termelésben használt oxigéntüzeléses égetési technológia még demonstrációs szakaszban van, de jelenleg Németországban a Vattenfall, egy európai villamosenergia-vállalat teszteli.

A CO2 geológiai tárolásának globális kapacitása nagy, a legutóbbi becslések szerint az egész medencére kiterjedő potenciál 8 000 Gt és 15 000 Gt között van (IEA, 2008b). A tárolási potenciállal kapcsolatos ismeretek szintje azonban globális, regionális és helyi szinten is eltérő (IPCC, 2005). A tárolási kapacitásokra vonatkozó becslések Európában, Észak-Amerikában, Japánban és Ausztráliában a legfejlettebbek. A kimerült olaj- és gáztározók globális tárolási kapacitása a becslések szerint 675-900 GtCO2 között van, és ez a tárolási lehetőség megfelelőnek tűnik az ilyen helyekre vonatkozó meglévő ismeretek, valamint az olaj- és gázkitermelési folyamatokból származó meglévő infrastruktúra újrafelhasználásának lehetősége miatt (IPCC, 2005). A mély sós képződmények legalább 1000 GtCO2 tárolókapacitással rendelkeznek, és feltételezhetően a világ számos üledékes medencéjében elterjedtek. Hangsúlyozták, hogy több információra van szükség a tárolási kapacitásokkal kapcsolatban azokon a területeken, ahol az energiafelhasználás gyorsuló növekedése tapasztalható, beleértve Kínát, Indiát, Délkelet-Ázsiát, Kelet-Európát és Dél-Afrikát (IPCC, 2005).

Hogyan járulhat hozzá a szén-dioxid-leválasztási és -tárolási technológia a társadalmi-gazdasági fejlődéshez és a környezetvédelemhez

Az, hogy a CCS milyen mértékben támogatja a fenntartható fejlődést, széles körben vitatott téma. A CCS-nek a Kiotói Jegyzőkönyv tiszta fejlesztési mechanizmusába való bevonása körüli viták jól példázzák az érdekelt felek eltérő véleményét. Egyesek szerint a fosszilis tüzelőanyagok elégetésével járó technológiák nem hozhatók összefüggésbe a fenntartható fejlődéssel, mivel ezek az erőforrások végesek. Mások rámutatnak a fosszilis tüzelőanyagok használatának a CO2-kibocsátáson túlmutató hatásaira, beleértve a szénbányászat környezeti hatásait is (Coninck, 2008).

Klíma

Mint fentebb említettük, a CCS az erőműben keletkező CO2 85-95%-át képes megkötni (IPCC, 2005), de a nettó kibocsátáscsökkentés 72-90%-os nagyságrendű, mivel a CO2 és az upstream kibocsátások leválasztása energiába kerül (Viebahn et al.,

A szén-dioxid-leválasztási és -tárolási technológia pénzügyi követelményei és költségei

A CCS legtöbb alkalmazása jelenleg messze nem megvalósítható gazdaságilag. A CO2 leválasztásához és tömörítéséhez szükséges kiegészítő berendezések jelentős mennyiségű energiát is igényelnek, ami 25-40%-kal növeli egy széntüzelésű erőmű tüzelőanyag-szükségletét, és a költségeket is megnöveli (IPCC, 2005). Az energiaszektorban a CCS demonstrációs projektek várhatóan 90-130 USD/tCO2 költséggel járnak, a 2020 után megvalósuló teljes körű kereskedelmi tevékenységek esetében pedig a költségek 50-75 USD/tCO2-re csökkenhetnek (Mckinsey & Company, 2008). Ezek a költségek figyelembe veszik a CO2-leválasztás energiaköltségét, de nem veszik figyelembe az upstream kibocsátást, így a hagyományos erőműhöz képest 80-90%-os kibocsátáscsökkentést feltételeznek.

A közelmúltban nagy hangsúlyt kapott a CCS ipari szektorban rejlő lehetőségeinek és költségeinek értékelése (UNIDO/IEA, 2011; ZEP, 2013). Számos ipari folyamat, például az elsődleges acélgyártás, a cementgyártás és az olajfinomítás az energiahatékonyság határán működik, és a CO2-leválasztás az egyetlen olyan technológia, amely képes a kibocsátások további csökkentésére. A CCS iparon belüli alkalmazásának költségei alkalmazásonként nagyon eltérőek, azonban egyes költségek jóval alacsonyabbak, mint a villamosenergia-ágazatban (lásd a 4. ábrát).

Meg kell jegyezni, hogy bár a CCS alkalmazása növeli az energiatermelés és az ipari termelés költségeit, az IEA (2008a) számításai szerint a CCS kizárása a globális mitigációs portfólióból 70%-kal növeli az éghajlat stabilizálásának eléréséhez szükséges költségeket. Ezen információk alapján a CCS bevonása a kibocsátáscsökkentési portfólióba a hosszú távú gazdasági hatékonyság szempontjából indokolt lehet.

Tiszta Fejlesztési Mechanizmus piaci helyzete

A 2010-ben a mexikói Cancúnban tartott klímakonferencián a Kiotói Jegyzőkönyv részes feleinek konferenciája (CMP) úgy döntött, hogy a CCS-projekteket a tiszta fejlesztési mechanizmus (CDM) hatálya alá vonja.

  • Bellona, 2009. Technológia.
  • Coninck, H.C.De, 2008. Trójai faló vagy bőségszaru? Gondolatok a CCS CDM-ben való engedélyezéséről. Energy Policy 36, pp. 929-936.
  • Európai Bizottság, 2009. A Bizottság közleménye az Európai Parlamentnek és a Tanácsnak. A szén-dioxid-leválasztás és geológiai tárolás (CCS) demonstrálása a feltörekvő fejlődő országokban: az EU-Kína közel nulla kibocsátású szénerőmű projekt finanszírozása. Brüsszel, Belgium.
  • IEA, 2008a. Energetikai technológiai kilátások 2008: Szenáriók és stratégiák 2050-ig. IEA/OECD, Párizs, Franciaország.
  • IEA, 2008b. CO2-leválasztás és -tárolás: A Key Abatement Option, IEA/OECD, Párizs, Franciaország.
  • IEA, 2009. Technológiai ütemterv – szén-dioxid-leválasztás és -tárolás. Nemzetközi Energiaügynökség, Párizs, Franciaország.
  • IEA/UNIDO, 2011. . Nemzetközi Energiaügynökség, Párizs, Franciaország.
  • IPCC, 2005. Különjelentés a szén-dioxid leválasztásáról és tárolásáról. Metz, B. és Davidson, O. és Coninck, H.C.De és Loos, M. és Meyer, L.A. (szerk.). Cambridge University Press, Cambridge, Egyesült Királyság és New York, USA, pp. 442.
  • Mckinsey & Company, 2008. Szén-dioxid-leválasztás és -tárolás: Assessing the economics.
  • Parliamentary Office of Science and Technology, 2009. Postnote 335 – Carbon capture and storage (Szén-dioxid-leválasztás és -tárolás). The Parliamentary Office of Science and Technology, London, Egyesült Királyság.
  • United Nations, 1987. A Környezetvédelmi és Fejlesztési Világbizottság jelentése. A Közgyűlés 42/187. számú határozata.
  • Viebahn, P. és Nitsch, J. és Fischedick, M. és Esken, A. és Schuwer, D. és Supersberger, N. és Zuberbuhler, U. és Edenhofer, O., 2007. A szén-dioxid-leválasztás és -tárolás összehasonlítása a megújuló energiát hasznosító technológiákkal strukturális, gazdasági és ökológiai szempontból Németországban. International Journal of Greenhouse Gas Control 1 (1), pp. 121-133.
  • Zapp, P., Schreiber, A., Marx, J., Haines, M., Hake, J., Gale, J., 2012. A CCS-technológiák általános környezeti hatásai – életciklus-alapú megközelítés. International Journal of Greenhouse Gas Control 8 (2012) 12-21
  • ZEP, 2013. “CO2-leválasztás és -tárolás (CCS) az energiaigényes iparágakban – nélkülözhetetlen út az EU alacsony szén-dioxid-kibocsátású gazdaságához”, European Technology Platform for Zero Emission Fossil Fuel Power Plants, Brüsszel.