Tehnologii de captare a CO2

decembrie 1, 2021admin

Captarea și stocarea carbonului (CSC) este o combinație de tehnologii concepute pentru a preveni eliberarea de CO2 generat de procesele convenționale de generare a energiei și de producție industrială prin injectarea CO2 în rezervoare subterane adecvate. Practic, tehnologia de captare separă emisiile de CO2 din proces, după care CO2-ul comprimat este transportat într-o locație de stocare geologică adecvată și injectat. Metodele fezabile de transport al CO2 includ atât conductele, cât și transportul maritim. Printre locațiile geologice adecvate pentru stocarea CO2 se numără câmpurile de petrol și gaze abandonate, formațiunile saline adânci și straturile de cărbune neexploatabile. Motivul principal pentru captarea și stocarea dioxidului de carbon (CSC) este reducerea emisiilor de CO2 provenite din industrie și din producția de energie electrică; în lipsa unor stimulente pentru astfel de reduceri de emisii, nu se poate aștepta prea mult de la CSC. Implementarea CSC în sectoarele industriale și de generare a energiei electrice ar permite continuarea utilizării combustibililor fosili cu o scădere semnificativă a emisiilor de CO2. Cu toate acestea, un lanț complet de CSC nu a fost încă implementat și rămân multe incertitudini tehnice, de mediu și economice.

Introducere în tehnologiile de captare a CO2

Există mai multe tehnologii care sunt utilizate în captarea, transportul și stocarea geologică a CO2. Cea mai mare parte a cercetării și dezvoltării a fost orientată spre îmbunătățirea eficienței tehnologiilor utilizate pentru a separa CO2 de alți compuși emiși în mod normal de un proces industrial. Aceste tehnologii sunt denumite în general „tehnologii de captare”. Procesele de captare pot fi grupate în trei categorii, adecvarea fiecărei abordări depinzând de procesul industrial sau de tipul de centrală electrică în cauză.

Post-combustie: CO2 este eliminat din gazele de ardere rezultate în urma arderii unui combustibil fosil. Separarea post-combustie implică utilizarea unui solvent pentru a capta CO2. Aplicațiile tipice pentru această tehnologie includ centralele cu cărbune pulverizat (PC) și centralele cu ciclu combinat cu gaze naturale (NGCC). Această tehnologie este deosebit de potrivită pentru aplicații de modernizare (Parliamentary Office of Science & Technology, 2009).
Pre-combustie: Combustibilul primar din proces este reacționat cu abur și aer sau oxigen și este transformat într-un amestec de monoxid de carbon și hidrogen, adesea numit „gaz de sinteză”. Ulterior, monoxidul de carbon este transformat în CO2 într-un „reactor de schimbare”. CO2 poate fi apoi separat, iar hidrogenul este utilizat pentru a genera energie și/sau căldură. Această tehnologie este deosebit de potrivită pentru a fi aplicată la centralele electrice cu ciclu combinat de gazeificare integrată (IGCC) (IPCC, 2005).
Oxi-combustie: Combustibilul primar este ars în oxigen în loc de aer, ceea ce produce un gaz de ardere care conține în principal vapori de apă și o concentrație ridicată de CO2 (80%). Gazele de ardere sunt apoi răcite pentru a condensa vaporii de apă, ceea ce lasă un flux aproape pur de CO2. Sunt necesare echipamente suplimentare pentru producerea in situ a oxigenului din aer (Mckinsey & Company, 2008).

Procese industriale: Tehnologiile de separare pot fi, de asemenea, utilizate în diverse industrii, cum ar fi prelucrarea gazelor naturale, precum și în producția de oțel, ciment și amoniac (IPCC, 2005).

Capturarea și stocarea carbonului (CCS) ar putea capta între 85-95% din tot CO2 produs (IPCC, 2005), dar reducerile nete de emisii sunt de ordinul a 72-90% din cauza energiei pe care o costă separarea CO2 și a emisiilor din amonte (Viebahn et al, 2007).

După ce CO2 a fost efectiv „capturat” dintr-un proces, va fi necesară transportarea acestuia către un loc de stocare adecvat. CO2 este transportat cel mai eficient atunci când este comprimat la o presiune de peste 7,4 MPa și la o temperatură de peste aproximativ 31˚C. În aceste condiții, CO2 prezintă proprietăți supercritice; este un lichid cu caracteristici de gaz. Astfel, în mod normal, CO2 ar fi transportat la presiuni ridicate în conducte din oțel carbon, care nu diferă de conductele normale de gaze naturale, sau în nave, dacă trebuie să traverseze o mare întindere de apă. Conductele de CO2 există deja la scară largă, deși în principal în zone slab populate, în special în SUA, pentru recuperarea îmbunătățită a petrolului (EOR). Navele cu CO2 nu au fost puse în aplicare, dar este puțin probabil să cauzeze probleme tehnice.

Locurile potrivite pentru stocarea CO2 includ câmpurile de petrol și gaze abandonate sau formațiunile saline de mare adâncime, cu o adâncime minimă preconizată de 800 m, unde temperatura și presiunile ambientale sunt suficient de ridicate pentru a menține CO2 în stare lichidă sau supercritică. CO2 este împiedicat să migreze din rezervorul de stocare printr-o combinație de mecanisme fizice și geofizice de captare (IPCC, 2005). Tehnologiile utilizate pentru injectarea CO2 sunt similare cu cele utilizate în industria petrolului și a gazelor naturale. Pe lângă echipamentele de forare a puțurilor și de injecție, tehnologiile de măsurare și monitorizare sunt esențiale pentru a observa capacitatea rămasă a sitului de stocare și comportamentul CO2. Deși anumite tehnologii de injecție sunt cunoscute, îmbunătățirile specifice pentru stocarea CO2 sunt încă în curs de dezvoltare. Odată ce faza de injecție a fost finalizată, puțul va trebui să fie sigilat cu ajutorul unui „dop” adecvat (de obicei din ciment), plasat la o adâncime adecvată pentru a împiedica CO2 să urce în puț și, eventual, să evadeze sau să contamineze apele subterane.

Fezabilitatea tehnologiei de captare a CO2 și necesitățile operaționale

Faibilitatea tehnică a tehnologiei de captare și stocare a carbonului

Aplicația tehnologiilor din alte părți sugerează că CSC este fezabilă din punct de vedere tehnic în majoritatea surselor punctuale mari și staționare de CO2. Tehnologiile de separare a CO2 sunt deja aplicate în prelucrarea gazelor naturale (NGP), unde eliminarea CO2 din gazele naturale este necesară pentru a îmbunătăți puterea calorifică și/sau pentru a respecta specificațiile conductelor. Stocarea CO2, combinată cu NGP, a fost demonstrată cu succes la câmpul de gaz Sleipner din Norvegia și în câmpurile de gaz In Salah din Algeria. Există o serie de instalații de CSC planificate la nivel mondial. În sectorul industrial, proiectul Quest CCS din Alberta, Canada, prevede captarea a 1,2 Mt CO2 pe an de la o instalație de valorificare a nisipurilor bituminoase și transportarea acestuia într-o formațiune salină de mare adâncime pentru depozitare. Se preconizează că proiectul va fi operațional în 2016. În sectorul energetic, proiectul Kemper County IGCC, din Mississippi, este o centrală electrică cu ciclu combinat cu gazeificare integrată de 600 MW, de construcție nouă, care intenționează să capteze 3,5 MtCO2 pe an și să utilizeze CO2 pentru recuperarea îmbunătățită a petrolului. Acest proiect se află în prezent în construcție și urmează să fie finalizat la sfârșitul anului 2014. Global CCS Institute identifică 12 proiecte CSC aflate în prezent în exploatare, iar 8 proiecte sunt în curs de construcție (Global CCS Institute, 2013).

Incertitudinea reglementară și percepția publică a tehnologiei de captare și stocare a carbonului

Care tehnologie nouă cu riscuri potențiale se confruntă cu incertitudinea reglementară în etapa sa inițială. În cazul CSC, aceste impedimente sunt în curs de soluționare. În ultimii ani, au fost aduse modificări la dispozițiile legislative internaționale, și anume Protocolul de la Londra (Convenția privind prevenirea poluării marine prin aruncarea deșeurilor și a altor materii din 1972 și Protocolul din 1996) și Convenția OSPAR (Convenția pentru protecția mediului marin din Atlanticul de Nord-Est), pentru a ține seama de stocarea offshore a CO2. Cu toate acestea, persistă o serie de probleme juridice privind răspunderea pentru depozitare, responsabilitatea pentru monitorizare și transportul transfrontalier de CO2. Lipsa cadrelor de reglementare are potențialul de a împiedica progresul proiectelor CSC, având în vedere nivelul de risc asociat cu care se confruntă dezvoltatorii de proiecte. În UE, Canada și Australia, au fost adoptate cadre juridice pentru CSC; în Statele Unite sunt în curs de desfășurare discuții pe această temă.

Postura ONG-urilor de mediu cu privire la CSC este mixtă; în timp ce unele susțin tehnologiile, altele se opun. Oamenii de știință din domeniul social au observat o lipsă generală de conștientizare și de înțelegere în rândul publicului profan. În mai multe comunități în care au fost planificate proiecte de stocare a CO2, părțile interesate locale s-au arătat îngrijorate de riscurile CSC și, în unele cazuri, au protestat. Percepția publicului cu privire la CSC este văzută în prezent ca o barieră semnificativă în cazul în care proiectele demonstrative de CSC nu sunt însoțite de furnizarea de informații imparțiale și de procese de implicare a comunității.

Impactul asupra mediului și riscurile tehnologiei de captare și stocare a carbonului

Captarea și stocarea carbonului (CSC) are potențialul de a reduce în mod semnificativ emisiile de CO2 provenite de la producția de energie și de la instalațiile industriale. Cel mai mare risc asociat cu CSC este reprezentat de posibilele scurgeri din sistemele de conducte și din locurile de stocare, fie ele temporare sau permanente. CO2 nu este un gaz otrăvitor, dar poate duce la asfixiere dacă concentrația din aer devine suficient de mare, de exemplu, dacă scurgerea are loc într-o clădire închisă. Riscurile legate de scurgerile de CO2 dintr-o conductă nu sunt diferite de cele legate de transportul gazelor naturale, de exemplu, însă CO2 nu este inflamabil. Multe țări au stabilit cadre de reglementare și standarde pentru transportul și stocarea permanentă a CO2, care au ca scop să se asigure că astfel de practici nu reprezintă o amenințare la adresa siguranței oamenilor și a mediului.

Impactul negativ asupra mediului legat de CSC este asociat cu cererea suplimentară de combustibili fosili, din cauza penalizării energetice pentru operarea unității de captare, și cu impactul toxicologic legat de utilizarea solvenților pentru captarea chimică a CO2 (Zapp et al., 2012). Utilizarea CSC reprezintă un compromis între potențialul ridicat de reducere a emisiilor de CO2 și impactul moderat asupra mediului cauzat de reducerea eficienței energetice și impactul asupra mediului asociat captării CO2.

Situația tehnologiei de captare și stocare a carbonului & și potențialul său viitor pe piață

La nivel mondial, există în prezent patru exemple de proiecte de CSC la scară completă, toate în sectorul industrial și nu în producția de energie electrică. Pe lângă Weyburn, care utilizează CO2 provenit de la o instalație de gazeificare a cărbunelui din Statele Unite, compania petrolieră norvegiană Statoil injectează anual, din 1996, aproximativ un milion de tone de CO2, separat de gazele naturale, în formațiuni saline de mare adâncime din Marea Nordului, iar din 2008, o tehnologie similară este aplicată în cadrul proiectului Snohvit, tot în Norvegia. Un consorțiu format din BP, Statoil și Sonatrach a injectat CO2 la In Salah, în Algeria, tot cu CO2 provenit din producția de gaze naturale. O tehnologie similară captării precombustiei este utilizată în producția de îngrășăminte și hidrogen, unde CO2 captat este utilizat în alte procese industriale sau evacuat. Tehnologia de oxicombustie pentru utilizarea în producția de energie electrică este încă în stadiul de demonstrație, dar este testată în prezent în Germania de Vattenfall, o companie europeană de electricitate.

Capacitatea globală de stocare geologică a CO2 este mare, cu potențiale recente la nivel de bazin estimate între 8.000 Gt și 15.000Gt (AIE, 2008b). Cu toate acestea, nivelul de cunoștințe privind potențialele de stocare variază la scară globală, regională și locală (IPCC, 2005). Estimările privind capacitățile de stocare sunt cele mai avansate în Europa, America de Nord, Japonia și Australia. Se estimează că zăcămintele epuizate de petrol și gaze au o capacitate de stocare la nivel mondial cuprinsă între 675-900 GtCO2, iar această opțiune de stocare pare potrivită datorită cunoștințelor existente despre astfel de locații, precum și a potențialului de reutilizare a infrastructurii existente în urma proceselor de extracție a petrolului și gazelor (IPCC, 2005). Se știe că formațiunile saline de mare adâncime au o capacitate de stocare de cel puțin 1000 GtCO2 și se crede că sunt distribuite în multe dintre bazinele sedimentare ale lumii. S-a subliniat că sunt necesare mai multe informații cu privire la capacitățile de stocare în zonele care se confruntă cu o creștere accelerată a utilizării energiei, inclusiv China, India, Asia de Sud-Est, Europa de Est și Africa de Sud (IPCC, 2005).

Cum ar putea contribui tehnologia de captare și stocare a carbonului la dezvoltarea socio-economică și la protecția mediului

Nivelul în care CSC sprijină dezvoltarea durabilă este un subiect larg dezbătut. Discuțiile privind permiterea CSC în cadrul mecanismului de dezvoltare curată al Protocolului de la Kyoto exemplifică opiniile diferite dintre părțile interesate. Unii susțin că nicio tehnologie care implică arderea combustibililor fosili nu poate fi asociată cu dezvoltarea durabilă, din cauza naturii finite a acestor resurse. Alții atrag atenția asupra efectelor utilizării combustibililor fosili, dincolo doar de emisiile de CO2, inclusiv asupra impactului asupra mediului al exploatării cărbunelui (Coninck, 2008).

Climat

După cum s-a spus mai sus, CSC ar putea capta între 85-95% din CO2 produs într-o instalație (IPCC, 2005), dar reducerile nete de emisii sunt de ordinul a 72-90% din cauza energiei pe care o costă separarea CO2 și a emisiilor din amonte (Viebahn et al., 2007)

Cerințele financiare și costurile tehnologiei de captare și stocare a carbonului

În prezent, de departe cele mai multe aplicații ale CSC nu sunt fezabile din punct de vedere economic. Echipamentele suplimentare utilizate pentru captarea și comprimarea CO2 necesită, de asemenea, cantități semnificative de energie, ceea ce crește necesarul de combustibil al unei centrale electrice pe bază de cărbune cu 25-40% și determină, de asemenea, creșterea costurilor (IPCC, 2005). Se preconizează că proiectele demonstrative de CSC în sectorul energetic vor costa 90-130 USD/tCO2 evitat, costul putând scădea la 50-75 USD/tCO2 pentru activitățile comerciale la scară largă care vor avea loc după 2020 (Mckinsey & Company, 2008). Aceste costuri iau în considerare penalizarea energetică a captării CO2, dar nu și emisiile din amonte, astfel încât acestea presupun o reducere a emisiilor de 80-90% în comparație cu o instalație convențională.

Recent, s-a pus accentul pe evaluarea potențialului și a costurilor CSC în sectorul industrial (UNIDO/IEA, 2011; ZEP, 2013). Multe procese industriale, de exemplu producția de oțel primar, producția de ciment și rafinarea petrolului, funcționează la limitele eficienței energetice, iar captarea CO2 este singura tehnologie care poate reduce și mai mult emisiile. Costurile de aplicare a CSC în cadrul industriei variază foarte mult de la o aplicație la alta, însă unele costuri sunt mult mai mici decât cele constatate în sectorul energetic (a se vedea figura 4).

Trebuie remarcat faptul că, deși aplicațiile CSC vor crește costurile de generare a energiei și de producție industrială, AIE (2008a) a calculat că o excludere a CSC din portofoliul global de atenuare va crește cu 70 % costul de realizare a stabilizării climei. Pe baza acestor informații, includerea CSC în portofoliul de atenuare poate fi justificată din punct de vedere al eficienței economice pe termen lung.

Situația pieței Mecanismului de dezvoltare curată

La conferința privind clima din 2010 de la Cancun, Mexic, Conferința părților la Protocolul de la Kyoto (CMP) a decis să includă proiectele CSC în cadrul Mecanismului de dezvoltare curată (CDM).

Bellona, 2009. Tehnologie.
Coninck, H.C.De, 2008. Cal troian sau corn al abundenței? Reflecții privind autorizarea CSC în cadrul CDM. Energy Policy 36, pp. 929-936.
Comisia Europeană, 2009. Comunicare a Comisiei către Parlamentul European și Consiliu. Demonstrarea captării și stocării geologice a carbonului (CSC) în țările în curs de dezvoltare emergente: finanțarea proiectului UE-China privind centralele pe bază de cărbune cu emisii aproape zero. Bruxelles, Belgia.
IEA, 2008a. Perspectivele tehnologiei energetice 2008: Scenarii și strategii până în 2050. AIE/OCDE, Paris, Franța.
IEA, 2008b. Captarea și stocarea CO2: A Key Abatement Option, AIE/OCDE, Paris, Franța.
IEA, 2009. Foaie de parcurs tehnologic – captarea și stocarea carbonului. Agenția Internațională pentru Energie, Paris, Franța.
IEA/UNIDO, 2011. . Agenția Internațională pentru Energie, Paris, Franța.
IPCC, 2005. Raport special privind captarea și stocarea dioxidului de carbon. Metz, B. și Davidson, O. și Coninck, H.C.De și Loos, M. și Meyer, L.A. (eds.). Cambridge University Press, Cambridge, Regatul Unit și New York, SUA, pp. 442.
Mckinsey & Company, 2008. Captarea și stocarea carbonului: Assessing the economics.
Parliamentary Office of Science and Technology, 2009. Nota poștală 335 – captarea și stocarea carbonului. The Parliamentary Office of Science and Technology, Londra, Regatul Unit.
Natiunile Unite, 1987. Raportul Comisiei mondiale pentru mediu și dezvoltare. Rezoluția 42/187 a Adunării Generale.
Viebahn, P. și Nitsch, J. și Fischedick, M. și Esken, A. și Schuwer, D. și Supersberger, N. și Zuberbuhler, U. și Edenhofer, O., 2007. Compararea captării și stocării carbonului cu tehnologiile de energie regenerabilă în ceea ce privește aspectele structurale, economice și ecologice în Germania. International Journal of Greenhouse Gas Control 1 (1), pp. 121-133.
Zapp, P., Schreiber, A., Marx, J., Haines, M., Hake, J., Gale, J., 2012. Impactul global al tehnologiilor CSC asupra mediului – o abordare bazată pe ciclul de viață. 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, Bruxelles.