Technologie wychwytywania CO2

1 grudnia, 2021admin

Wychwytywanie i składowanie CO2 (CCS) to kombinacja technologii zaprojektowanych w celu zapobiegania uwalnianiu CO2 wytworzonego w konwencjonalnych procesach wytwarzania energii i produkcji przemysłowej poprzez zatłaczanie CO2 do odpowiednich podziemnych zbiorników magazynowych. Zasadniczo technologia wychwytywania polega na oddzieleniu emisji CO2 od procesu, po czym sprężony CO2 jest transportowany do odpowiedniego geologicznego miejsca składowania i zatłaczany. Realne metody transportu CO2 obejmują zarówno rurociągi, jak i transport morski. Odpowiednie geologiczne miejsca składowania CO2 obejmują opuszczone pola naftowe i gazowe, głębokie formacje solankowe i nieeksploatowane pokłady węgla. Dominującym powodem stosowania wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS) jest redukcja emisji CO2 z przemysłu i energetyki; bez zachęt do takiej redukcji emisji można oczekiwać niewielkiej ilości CCS. Wdrożenie CCS w sektorze przemysłowym i energetycznym pozwoliłoby na dalsze wykorzystywanie paliw kopalnych przy znacznym zmniejszeniu emisji CO2. Jednakże, pełny łańcuch CCS nie został jeszcze wdrożony i pozostaje wiele technicznych, środowiskowych i ekonomicznych niewiadomych.

Wprowadzenie do technologii wychwytywania CO2

Istnieje kilka technologii, które są stosowane w wychwytywaniu, transporcie i geologicznym składowaniu CO2. Większość badań i rozwoju ukierunkowano na poprawę wydajności w technologiach stosowanych do oddzielania CO2 od innych związków normalnie emitowanych w procesach przemysłowych. Technologie te są ogólnie określane jako „technologie wychwytywania”. Procesy wychwytywania można podzielić na trzy kategorie, przy czym przydatność każdego z nich zależy od danego procesu przemysłowego lub typu elektrowni.

Spalanie wtórne: CO2 jest usuwany z gazów spalinowych powstałych w wyniku spalania paliwa kopalnego. Separacja po spaleniu polega na zastosowaniu rozpuszczalnika do wychwycenia CO2. Typowe zastosowania tej technologii obejmują elektrownie wykorzystujące pył węglowy (PC) oraz elektrownie wykorzystujące gaz ziemny w cyklu kombinowanym (NGCC). Technologia ta jest szczególnie odpowiednia do zastosowań modernizacyjnych (Parliamentary Office of Science & Technology, 2009).
Spalanie wstępne: Paliwo pierwotne w procesie jest poddawane reakcji z parą wodną i powietrzem lub tlenem, i jest przekształcane w mieszaninę tlenku węgla i wodoru, często nazywaną „syngazem”. Tlenek węgla jest następnie przekształcany w CO2 w „reaktorze przemiany”. CO2 może być następnie oddzielony, a wodór wykorzystany do produkcji energii elektrycznej i/lub ciepła. Technologia ta jest szczególnie odpowiednia do zastosowania w zintegrowanym cyklu zgazowania połączonego (IGCC) elektrowni (IPCC, 2005).
Spalanie tlenowo-paliwowe: Paliwo pierwotne jest spalane w tlenie zamiast w powietrzu, co powoduje powstanie spalin zawierających głównie parę wodną i wysokie stężenie CO2 (80%). Spaliny są następnie schładzane w celu skroplenia pary wodnej, co pozostawia prawie czysty strumień CO2. Do produkcji tlenu z powietrza in situ wymagany jest dodatkowy sprzęt (Mckinsey & Company, 2008).

Procesy przemysłowe: Technologie separacji mogą być również stosowane w różnych gałęziach przemysłu, takich jak przetwarzanie gazu ziemnego, a także w produkcji stali, cementu i amoniaku (IPCC, 2005).

Uchwytywanie i składowanie węgla (CCS) może wychwycić między 85-95% całego produkowanego CO2 (IPCC, 2005), ale redukcje emisji netto są rzędu 72 do 90% ze względu na energię, jaką kosztuje oddzielenie CO2 i emisje upstream (Viebahn i in., 2007).

Gdy CO2 zostanie skutecznie „wychwycony” z procesu, konieczny będzie jego transport do odpowiedniego miejsca składowania. CO2 jest najbardziej efektywnie transportowany, gdy jest sprężony do ciśnienia powyżej 7,4 MPa i temperatury powyżej około 31˚C. W tych warunkach CO2 wykazuje właściwości nadkrytyczne, jest cieczą o właściwościach gazu. Dlatego CO2 byłby normalnie transportowany pod wysokim ciśnieniem w rurociągach wykonanych ze stali węglowej, nie różniących się od zwykłych rurociągów gazu ziemnego, lub na statkach, jeśli musiałby pokonywać duże przestrzenie wodne. Rurociągi CO2 istnieją już na dużą skalę, aczkolwiek głównie na obszarach słabo zaludnionych, zwłaszcza w USA do celów intensyfikacji wydobycia ropy naftowej (EOR). Statki do składowania CO2 nie zostały wdrożone, ale jest mało prawdopodobne, aby powodowały problemy techniczne.

Dobre miejsca składowania CO2 obejmują opuszczone pola naftowe i gazowe lub głębokie formacje solankowe, z oczekiwaną minimalną głębokością 800 m, gdzie temperatura otoczenia i ciśnienie są wystarczająco wysokie, aby utrzymać CO2 w stanie ciekłym lub nadkrytycznym. Migracja CO2 ze złoża jest uniemożliwiona dzięki połączeniu fizycznych i geofizycznych mechanizmów pułapkowania (IPCC, 2005). Technologie wykorzystywane do zatłaczania CO2 są podobne do tych stosowanych w przemyśle naftowym i gazowym. Oprócz sprzętu do wiercenia i zatłaczania, technologie pomiaru i monitorowania są niezbędne do obserwacji pozostałej pojemności składowiska oraz zachowania się CO2. Chociaż niektóre technologie zatłaczania są znane, wciąż trwają prace nad udoskonaleniami przeznaczonymi specjalnie do składowania CO2. Po zakończeniu fazy zatłaczania, odwiert trzeba będzie uszczelnić za pomocą odpowiedniego (zwykle cementowego) „korka”, umieszczonego na odpowiedniej głębokości, aby zapobiec podnoszeniu się CO2 w górę odwiertu i jego ewentualnej ucieczce lub zanieczyszczeniu wód gruntowych.

Wydajność technologii wychwytywania CO2 i potrzeby operacyjne

Wydajność techniczna technologii wychwytywania i składowania CO2

Zastosowanie technologii w innych miejscach sugeruje, że CCS jest technicznie wykonalne w większości dużych, stacjonarnych źródeł punktowych CO2. Technologie separacji CO2 są już stosowane w przetwórstwie gazu ziemnego (NGP), gdzie usuwanie CO2 z gazu ziemnego jest konieczne do poprawy wartości opałowej i/lub spełnienia specyfikacji rurociągów. Składowanie CO2 w połączeniu z NGP zostało z powodzeniem zademonstrowane na polu gazowym Sleipner w Norwegii oraz na polach gazowych In Salah w Algierii. Na całym świecie planowanych jest szereg instalacji CCS. W sektorze przemysłowym projekt Quest CCS w Albercie (Kanada) obejmuje wychwytywanie 1,2 MtCO2 rocznie z zakładu wzbogacania piasku roponośnego i transport do głębokiej formacji solnej w celu składowania. Oczekuje się, że projekt zostanie uruchomiony w 2016 roku. W sektorze energetycznym, projekt Kemper County IGCC w Mississippi to nowo wybudowana elektrownia o mocy 600 MW pracująca w cyklu kombinowanym ze zintegrowaną gazyfikacją, która planuje wychwytywać 3,5 MtCO2 rocznie i wykorzystywać CO2 do intensyfikacji wydobycia ropy naftowej. Projekt ten jest obecnie w trakcie budowy i ma zostać ukończony pod koniec 2014 roku. Global CCS Institute identyfikuje 12 projektów CCS obecnie działających, z 8 projektami w trakcie budowy (Global CCS Institute, 2013).

Pewność regulacyjna i publiczne postrzeganie technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla

Każda nowa technologia z potencjalnym ryzykiem napotyka na niepewność regulacyjną w jej początkowej fazie. W przypadku CCS przeszkody te są w trakcie rozwiązywania. W ostatnich latach wprowadzono zmiany w międzynarodowych przepisach prawnych, a mianowicie w Protokole Londyńskim (Konwencja o zapobieganiu zanieczyszczaniu mórz przez zatapianie odpadów i innych substancji z 1972 r. i Protokół z 1996 r.) oraz w Konwencji OSPAR (Konwencja o ochronie środowiska morskiego obszaru północno-wschodniego Atlantyku) w celu uwzględnienia składowania CO2 na morzu. Pozostaje jednak szereg pytań prawnych dotyczących kwestii odpowiedzialności za składowanie, odpowiedzialności za monitorowanie i transgranicznego transportu CO2. Brak ram regulacyjnych może potencjalnie utrudnić postępy w realizacji projektów CCS ze względu na związany z tym poziom ryzyka, na jakie narażeni są wykonawcy projektów. W UE, Kanadzie i Australii przyjęto ramy prawne dla CCS; w Stanach Zjednoczonych trwają dyskusje na ten temat.

Stanowisko organizacji pozarządowych zajmujących się ochroną środowiska w sprawie CCS jest zróżnicowane; niektóre popierają tę technologię, inne są jej przeciwne. Ogólny brak świadomości i zrozumienia wśród laików został zaobserwowany przez naukowców społecznych. W kilku społecznościach, w których planowano projekty składowania CO2, lokalni interesariusze wykazywali zaniepokojenie ryzykiem związanym z CCS, a w niektórych przypadkach protestowali. Społeczne postrzeganie CCS jest obecnie postrzegane jako istotna bariera, jeśli projektom demonstracyjnym CCS nie towarzyszy bezstronne dostarczanie informacji i procesy angażowania społeczności.

Wpływ na środowisko i ryzyko technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla

Wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla (CCS) ma potencjał do znacznego zmniejszenia emisji CO2 z instalacji energetycznych i przemysłowych. Największym ryzykiem związanym z CCS jest możliwy wyciek z systemów rurociągów i miejsc składowania, zarówno tymczasowy, jak i stały. CO2 nie jest gazem trującym, ale może doprowadzić do uduszenia, jeśli jego stężenie w powietrzu będzie wystarczająco wysokie, np. jeśli wyciek nastąpi w zamkniętym budynku. Ryzyko związane z wyciekiem CO2 z rurociągu nie różni się od ryzyka związanego z transportem np. gazu ziemnego, jednak CO2 nie jest łatwopalny. Wiele krajów ustanowiło ramy regulacyjne i normy dotyczące transportu i stałego składowania CO2, które mają na celu zapewnienie, że takie praktyki nie stanowią zagrożenia dla bezpieczeństwa ludzi i środowiska.

Negatywne skutki środowiskowe związane z CCS są związane z dodatkowym zapotrzebowaniem na paliwa kopalne, ze względu na karę za energię do obsługi jednostki wychwytującej, oraz skutki toksykologiczne związane z wykorzystaniem rozpuszczalników do chemicznego wychwytywania CO2 (Zapp et al., 2012). Zastosowanie CCS jest kompromisem pomiędzy wysokim potencjałem redukcji emisji CO2 a umiarkowanym wpływem na środowisko, wynikającym ze zmniejszonej efektywności energetycznej i oddziaływań środowiskowych związanych z wychwytywaniem CO2.

Status technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla & i jej przyszły potencjał rynkowy

Na świecie istnieją obecnie cztery przykłady projektów CCS na pełną skalę, wszystkie w sektorze przemysłowym, a nie w produkcji energii elektrycznej. Oprócz Weyburn, które wykorzystuje CO2 z instalacji gazyfikacji węgla w Stanach Zjednoczonych, norweski koncern naftowy Statoil od 1996 roku zatłacza około miliona ton CO2, oddzielonego od gazu ziemnego, rocznie do głębokiej formacji solnej pod Morzem Północnym, a od 2008 roku podobna technologia jest stosowana w projekcie Snohvit, również w Norwegii. Konsorcjum BP, Statoil i Sonatrach zatłacza CO2 w In Salah w Algierii, również z CO2 pochodzącego z wydobycia gazu. Technologia podobna do wychwytywania przed spalaniem jest stosowana w produkcji nawozów i wodoru, gdzie wychwycony CO2 jest wykorzystywany w innych procesach przemysłowych lub uwalniany. Technologia spalania tlenowo-paliwowego do wykorzystania w produkcji energii elektrycznej jest nadal w fazie demonstracji, ale jest obecnie testowana w Niemczech przez Vattenfall, europejską firmę energetyczną.

Światowa zdolność do geologicznego składowania CO2 jest duża, z ostatnimi szacunkami potencjału w całym basenie pomiędzy 8 000 Gt a 15 000 Gt (IEA, 2008b). Jednakże poziom wiedzy na temat potencjału składowania różni się w skali globalnej, regionalnej i lokalnej (IPCC, 2005). Szacunki możliwości składowania są najbardziej zaawansowane w Europie, Ameryce Północnej, Japonii i Australii. Szacuje się, że wyczerpane złoża ropy naftowej i gazu ziemnego mogą pomieścić na świecie 675-900 GtCO2 i ten wariant składowania wydaje się odpowiedni ze względu na istniejącą wiedzę na temat takich miejsc, jak również możliwość ponownego wykorzystania istniejącej infrastruktury pochodzącej z procesów wydobycia ropy naftowej i gazu ziemnego (IPCC, 2005). Uważa się, że głębokie formacje solankowe mogą pomieścić co najmniej 1000 GtCO2 i są rozmieszczone w wielu światowych basenach sedymentacyjnych. Podkreślono, że więcej informacji na temat możliwości składowania jest wymaganych w obszarach o przyspieszonym wzroście zużycia energii, w tym w Chinach, Indiach, Azji Południowo-Wschodniej, Europie Wschodniej i Afryce Południowej (IPCC, 2005).

Jak technologia wychwytywania i składowania dwutlenku węgla może przyczynić się do rozwoju społeczno-gospodarczego i ochrony środowiska

Poziom, w jakim CCS wspiera zrównoważony rozwój jest tematem szeroko dyskutowanym. Dyskusje wokół dopuszczenia CCS do Mechanizmu Czystego Rozwoju Protokołu z Kioto są przykładem zróżnicowanych opinii pomiędzy zainteresowanymi stronami. Niektórzy twierdzą, że żadna technologia związana ze spalaniem paliw kopalnych nie może być powiązana ze zrównoważonym rozwojem, ze względu na ograniczony charakter tych zasobów. Inni wskazują na skutki wykorzystania paliw kopalnych, wykraczające poza samą emisję CO2, w tym na wpływ wydobycia węgla na środowisko (Coninck, 2008).

Klimat

Jak stwierdzono powyżej, CCS może wychwycić 85-95% CO2 produkowanego w elektrowni (IPCC, 2005), ale redukcje emisji netto są rzędu 72-90% ze względu na energię, którą kosztuje oddzielenie CO2 i emisje upstream (Viebahn et al., 2007)

Wymagania finansowe i koszty technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla

W chwili obecnej większość zastosowań CCS nie jest ekonomicznie wykonalna. Dodatkowe urządzenia wykorzystywane do wychwytywania i sprężania CO2 wymagają również znacznych ilości energii, co zwiększa zapotrzebowanie na paliwo w elektrowni węglowej o 25-40%, a także podnosi koszty (IPCC, 2005). Oczekuje się, że projekty demonstracyjne CCS w sektorze energetycznym będą kosztować 90-130 USD/tCO2, przy czym koszt ten może spaść do 50-75 USD/tCO2 w przypadku działań komercyjnych na pełną skalę po 2020 r. (Mckinsey & Company, 2008). Koszty te uwzględniają koszty energetyczne związane z wychwytywaniem CO2, ale nie emisje upstream, więc zakładają redukcję emisji od 80 do 90% w porównaniu z konwencjonalną elektrownią.

Ostatnio skupiono się na ocenie potencjału i kosztów CCS w sektorze przemysłowym (UNIDO/IEA, 2011; ZEP, 2013). Wiele procesów przemysłowych, na przykład produkcja stali, cementu i rafinacja ropy naftowej, działa na granicy efektywności energetycznej, a wychwytywanie CO2 jest jedyną technologią, która może przyczynić się do dalszej redukcji emisji. Koszty zastosowania CCS w przemyśle są bardzo zróżnicowane w zależności od zastosowania, jednak niektóre z nich są znacznie niższe niż w sektorze energetycznym (patrz rys. 4).

Należy zauważyć, że chociaż zastosowanie CCS podniesie koszty wytwarzania energii i produkcji przemysłowej, MAE (2008a) obliczyła, że wyłączenie CCS z globalnego portfela działań łagodzących skutki zmian klimatu zwiększy koszt osiągnięcia stabilizacji klimatu o 70%. W oparciu o te informacje włączenie CCS do portfela działań łagodzących może być uzasadnione z punktu widzenia długoterminowej efektywności ekonomicznej.

Stan rynku Mechanizmu Czystego Rozwoju

Na konferencji klimatycznej w Cancun w Meksyku w 2010 r. Konferencja Stron Protokołu z Kioto (CMP) podjęła decyzję o włączeniu projektów CCS do Mechanizmu Czystego Rozwoju (CDM).

Bellona, 2009. Technologia.
Coninck, H.C.De, 2008. Koń trojański czy róg obfitości? Refleksje na temat dopuszczenia CCS w ramach CDM. Energy Policy 36, pp. 929-936.
Komisja Europejska, 2009. Komunikat Komisji do Parlamentu Europejskiego i Rady. Demonstracja wychwytywania i geologicznego składowania dwutlenku węgla (CCS) w krajach rozwijających się o wschodzących gospodarkach: finansowanie projektu UE-Chiny dotyczącego elektrowni węglowej o niemal zerowej emisji. Bruksela, Belgia.
IEA, 2008a. Perspektywy technologii energetycznych 2008: Scenariusze i strategie do 2050 roku. IEA/OECD, Paryż, Francja.
IEA, 2008b. CO2 capture and storage: A Key Abatement Option, IEA/OECD, Paryż, Francja.
IEA, 2009. Mapa drogowa technologii – wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla. Międzynarodowa Agencja Energii, Paryż, Francja.
IEA/UNIDO, 2011. . Międzynarodowa Agencja Energii, Paryż, Francja.
IPCC, 2005. Raport specjalny w sprawie wychwytywania i składowania dwutlenku węgla. Metz, B. and Davidson, O. and Coninck, H.C.De and Loos, M. and Meyer, L.A. (eds.). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, USA, pp. 442.
Mckinsey & Company, 2008. Carbon capture and storage: Assessing the economics.
Parlamentarne Biuro Nauki i Technologii, 2009. Postnote 335 – wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla. The Parliamentary Office of Science and Technology, Londyn, Wielka Brytania.
Organizacja Narodów Zjednoczonych, 1987. Raport Światowej Komisji ds. Środowiska i Rozwoju. Rezolucja Zgromadzenia Ogólnego 42/187.
Viebahn, P. i Nitsch, J. i Fischedick, M. i Esken, A. i Schuwer, D. i Supersberger, N. i Zuberbuhler, U. i 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. Overall environmental impacts of CCS technologies-A life cycle approach. 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, Brussels.