Teknik för avskiljning av koldioxid

admin

Avskiljning och lagring av koldioxid (CCS) är en kombination av teknik som är utformad för att förhindra utsläpp av koldioxid som genereras genom konventionell elproduktion och industriella produktionsprocesser genom att injicera koldioxid i lämpliga underjordiska lagringsreservoarer. I grund och botten avskiljer avskiljningstekniken koldioxidutsläppen från processen, varefter den komprimerade CO2:n transporteras till en lämplig geologisk lagringsplats och injiceras. Till de genomförbara metoderna för transport av koldioxid hör både rörledningar och sjöfart. Lämpliga geologiska lagringsplatser för koldioxid är bland annat övergivna olje- och gasfält, djupa salthaltiga formationer och obearbetbara kolfält. Det dominerande skälet till att genomföra avskiljning och lagring av koldioxid (CCS) är att minska koldioxidutsläppen från industrin och elproduktionen. Om CCS införs inom industri- och elproduktionssektorerna skulle användningen av fossila bränslen kunna fortsätta med en betydande minskning av koldioxidutsläppen. En fullständig CCS-kedja har dock ännu inte genomförts, och många tekniska, miljömässiga och ekonomiska osäkerheter kvarstår.

Introduktion av teknik för avskiljning av koldioxid

Det finns flera tekniker som används för avskiljning, transport och geologisk lagring av koldioxid. Merparten av forskningen och utvecklingen har varit inriktad på effektivitetsförbättringar i den teknik som används för att separera koldioxid från andra föreningar som normalt släpps ut vid en industriell process. Dessa tekniker kallas i allmänhet för ”avskiljningsteknik”. Avskiljningsprocesser kan delas in i tre kategorier, där lämpligheten av varje metod beror på den industriella processen eller typen av kraftverk i fråga.

  1. Efterförbränning: CO2 avlägsnas från rökgasen från förbränningen av ett fossilt bränsle. Separering efter förbränning innebär att man använder ett lösningsmedel för att fånga upp koldioxid. Typiska tillämpningar för denna teknik är bland annat kolpulveranläggningar (PC) och naturgasanläggningar med kombinerad gascykel (NGCC). Denna teknik lämpar sig särskilt väl för eftermontering (Parliamentary Office of Science & Technology, 2009).
  2. Förförbränning: Det primära bränslet i processen reagerar med ånga och luft eller syre och omvandlas till en blandning av kolmonoxid och väte, ofta kallad ”syngas”. Kolmonoxiden omvandlas därefter till koldioxid i en ”skiftreaktor”. CO2 kan sedan separeras och vätgasen används för att generera el och/eller värme. Denna teknik lämpar sig särskilt väl för att användas i kraftverk med integrerad förgasning och kombinerad cykel (IGCC) (IPCC, 2005).
  3. Oxybränsleförbränning: Det primära bränslet förbränns i syre i stället för luft, vilket ger en rökgas som huvudsakligen innehåller vattenånga och en hög koncentration av koldioxid (80 %). Rökgasen kyls sedan för att kondensera vattenångan, vilket lämnar en nästan ren ström av koldioxid. Ytterligare utrustning krävs för att på plats producera syre från luft (Mckinsey & Company, 2008).

Industriella processer: Separationsmetoderna kan också användas inom olika industrier, t.ex. för bearbetning av naturgas, stål-, cement- och ammoniakproduktion (IPCC, 2005).

Koldioxidavskiljning och lagring (CCS) skulle kunna avskilja mellan 85-95 % av all producerad koldioxid (IPCC, 2005), men nettoutsläppsminskningarna är i storleksordningen 72-90 % på grund av energin som kostar för att avskilja koldioxid och utsläppen uppströms (Viebahn et al, 2007).

När CO2 väl har ”fångats upp” från en process måste den transporteras till en lämplig lagringsplats. CO2 transporteras effektivast när den komprimeras till ett tryck över 7,4 MPa och en temperatur över cirka 31˚C. Under dessa förhållanden uppvisar CO2 superkritiska egenskaper; det är en vätska med gasegenskaper. CO2 skulle därför normalt transporteras vid höga tryck i rörledningar av kolstål, som inte skiljer sig från vanliga naturgasledningar, eller i fartyg om den måste korsa en stor vattenyta. Rörledningar för koldioxid finns redan i stor skala, om än främst i glesbefolkade områden, särskilt i USA för förbättrad oljeutvinning (EOR). CO2-fartyg har inte genomförts, men det är osannolikt att de skulle orsaka tekniska problem.

Lämpliga platser för lagring av CO2 är bland annat övergivna olje- och gasfält eller djupa saltvattensformationer, med ett förväntat minsta djup på 800 meter, där den omgivande temperaturen och trycket är tillräckligt höga för att CO2 ska kunna hållas i flytande eller superkritiskt tillstånd. CO2 hindras från att vandra ut ur lagringslagret genom en kombination av fysiska och geofysiska fångstmekanismer (IPCC, 2005). Den teknik som används för att injicera koldioxid liknar den som används inom olje- och gasindustrin. Förutom utrustning för borrning och injektion är mät- och övervakningsteknik nödvändig för att observera lagringsplatsens återstående kapacitet och koldioxidens beteende. Vissa injektionstekniker är kända, men förbättringar specifikt för lagring av koldioxid är fortfarande under utveckling. När injektionsfasen är avslutad måste brunnen förseglas med hjälp av en lämplig (vanligen cement) ”plugg” som placeras på lämpligt djup för att förhindra att CO2 stiger upp i brunnen och eventuellt läcker ut eller förorenar grundvattnet.

Möjlighet att använda teknik för avskiljning av CO2 och operativa nödvändigheter

Teknisk genomförbarhet av teknik för avskiljning och lagring av koldioxid

Tekniken som tillämpas på andra ställen tyder på att CCS är tekniskt genomförbart i de flesta stora, stationära CO2-punktkällor. Tekniker för separation av koldioxid tillämpas redan vid naturgasbehandling, där det är nödvändigt att avlägsna koldioxid från naturgasen för att förbättra värmevärdet och/eller för att uppfylla specifikationerna för rörledningar. Lagring av koldioxid i kombination med naturgasbehandling har framgångsrikt demonstrerats vid Sleipner-gasfältet i Norge och vid gasfältet In Salah i Algeriet. Det finns ett antal planerade CCS-anläggningar i världen. Inom industrisektorn omfattar Quest CCS-projektet i Alberta, Kanada, avskiljning av 1,2 miljoner ton koldioxid per år från en uppgraderingsanläggning för oljesand och transport till en djup saltvattenbildning för lagring. Projektet förväntas vara i drift 2016. Inom kraftsektorn är Kemper County IGCC-projektet i Mississippi ett nybyggt 600 MW kraftverk med integrerad förgasning och kombinerad cykel som planerar att avskilja 3,5 miljoner ton koldioxid per år och använda koldioxiden för förbättrad oljeutvinning. Projektet håller för närvarande på att byggas och beräknas vara klart i slutet av 2014. Global CCS Institute identifierar 12 CCS-projekt som för närvarande är i drift och 8 projekt som är under uppbyggnad (Global CCS Institute, 2013).

Regulatorisk osäkerhet och allmänhetens uppfattning om teknik för avskiljning och lagring av koldioxid

Alla nya tekniker med potentiella risker möter regulatorisk osäkerhet i sitt inledande skede. För CCS håller dessa hinder på att lösas. Under de senaste åren har ändringar gjorts i internationella lagbestämmelser, nämligen Londonprotokollet (konventionen om förhindrande av havsförorening genom dumpning av avfall och annat material 1972 och 1996 års protokoll) och Ospar-konventionen (konventionen om skydd av den marina miljön i Nordostatlanten), för att möjliggöra lagring av koldioxid till havs. Det finns dock fortfarande ett antal rättsliga frågor om ansvar för lagring, övervakningsansvar och gränsöverskridande transport av koldioxid. Avsaknaden av regelverk kan hindra utvecklingen av CCS-projekt, med tanke på den risknivå som projektutvecklarna står inför. I EU, Kanada och Australien har rättsliga ramar för CCS antagits; i Förenta staterna pågår diskussioner om detta.

De icke-statliga miljöorganisationernas inställning till CCS är blandad; vissa stöder tekniken, medan andra motsätter sig den. Samhällsvetare har observerat en allmän brist på medvetenhet och förståelse hos allmänheten. I flera samhällen där projekt för lagring av koldioxid planerades har lokala intressenter visat oro för riskerna med CCS och i vissa fall protesterat. Allmänhetens uppfattning om CCS ses för närvarande som ett betydande hinder om CCS-demonstrationsprojekt inte åtföljs av opartisk information och processer för samhällsengagemang.

Miljöpåverkan och risker med teknik för avskiljning och lagring av koldioxid

Avskiljning och lagring av koldioxid (CCS) kan potentiellt minska CO2-utsläppen från kraftproduktion och industriella anläggningar avsevärt. Den största risken i samband med CCS är eventuella tillfälliga eller permanenta läckage från rörledningssystem och lagringsplatser. CO2 är ingen giftig gas, men kan leda till kvävning om koncentrationen i luften blir tillräckligt hög, till exempel om läckaget sker i en sluten byggnad. Riskerna med CO2 som läcker från en rörledning skiljer sig inte från riskerna med transport av t.ex. naturgas, men CO2 är inte brandfarlig. Många länder har upprättat regelverk och standarder för transport och permanent lagring av koldioxid, som syftar till att säkerställa att sådana metoder inte utgör något hot mot människors och miljöns säkerhet.

Negativa miljökonsekvenser i samband med CCS är förknippade med ytterligare efterfrågan på fossila bränslen, på grund av energibeskattningen för att driva avskiljningsenheten, och de toxikologiska konsekvenserna i samband med användningen av lösningsmedel för att kemiskt fånga upp koldioxid (Zapp et al., 2012). Användningen av CCS är en avvägning mellan den höga potentialen för minskning av koldioxid och de måttliga miljökonsekvenserna av minskad energieffektivitet och miljöpåverkan i samband med avskiljning av koldioxid.

Status för tekniken för avskiljning och lagring av koldioxid & och dess framtida marknadspotential

I hela världen finns det för närvarande fyra exempel på fullskaliga CCS-projekt, alla inom industrisektorn och inte inom elproduktion. Förutom Weyburn, som använder koldioxid från en kolförgasningsanläggning i USA, har det norska oljebolaget Statoil sedan 1996 injicerat omkring en miljon ton koldioxid, som separerats från naturgas, per år i djupa saltvattensformationer under Nordsjön, och sedan 2008 används liknande teknik i Snohvit-projektet, också i Norge. Ett konsortium bestående av BP, Statoil och Sonatrach har injicerat koldioxid i In Salah i Algeriet, också med koldioxid från gasproduktion. Teknik som liknar avskiljning före förbränning används inom gödsel- och vätgasproduktion, där den avskiljda CO2:n används i andra industriella processer eller ventileras. Oxybränsleförbränningsteknik för användning vid elproduktion befinner sig fortfarande på demonstrationsstadiet men testas för närvarande i Tyskland av Vattenfall, ett europeiskt elbolag.

Den globala kapaciteten att geologiskt lagra koldioxid är stor, med nyligen uppskattade potentialer för hela avrinningsområden på mellan 8 000 Gt och 15 000 Gt (IEA, 2008b). Kunskapsnivån om lagringspotentialen varierar dock på global, regional och lokal nivå (IPCC, 2005). Uppskattningarna av lagringskapaciteten är mest avancerade i Europa, Nordamerika, Japan och Australien. Uttömda olje- och gasreservoarer beräknas ha en global lagringskapacitet på mellan 675-900 GtCO2 , och detta lagringsalternativ förefaller lämpligt på grund av den befintliga kunskapen om sådana platser, liksom potentialen att återanvända befintlig infrastruktur från olje- och gasutvinningsprocesser (IPCC, 2005). Djupa saltvattensformationer anses ha en lagringskapacitet på minst 1 000 GtCO2 och tros finnas i många av världens sedimentära bassänger. Det har betonats att det behövs mer information om lagringskapaciteten i områden där energianvändningen ökar snabbt, bland annat i Kina, Indien, Sydostasien, Östeuropa och södra Afrika (IPCC, 2005).

Hur tekniken för avskiljning och lagring av koldioxid skulle kunna bidra till socioekonomisk utveckling och miljöskydd

Den grad i vilken CCS stödjer en hållbar utveckling är ett ämne som debatteras flitigt. Diskussionerna om att tillåta CCS i Kyotoprotokollets mekanism för ren utveckling exemplifierar de varierande åsikterna mellan intressenterna. Vissa hävdar att ingen teknik som inbegriper förbränning av fossila bränslen kan förknippas med hållbar utveckling, eftersom dessa resurser är ändliga. Andra pekar på effekterna av användningen av fossila bränslen, som sträcker sig längre än till enbart koldioxidutsläpp, inklusive miljökonsekvenserna av kolbrytning (Coninck, 2008).

Klimat

Som nämnts ovan kan CCS fånga upp mellan 85-95 % av den koldioxid som produceras i en anläggning (IPCC, 2005), men nettoutsläppsminskningarna är i storleksordningen 72-90 % på grund av den energi som det kostar att separera koldioxid och utsläppen uppströms (Viebahn m.fl., 2005), 2007)

Finansiella krav och kostnader för teknik för avskiljning och lagring av koldioxid

För närvarande är de allra flesta tillämpningar av CCS inte ekonomiskt genomförbara. Den extra utrustning som används för att avskilja och komprimera koldioxid kräver också betydande mängder energi, vilket ökar bränslebehovet i ett koleldat kraftverk med mellan 25-40 % och även driver upp kostnaderna (IPCC, 2005). CCS-demonstrationsprojekt inom energisektorn förväntas kosta 90-130 dollar/ton koldioxid som undviks, och kostnaden kan eventuellt sjunka till 50-75 dollar/ton koldioxid för fullskalig kommersiell verksamhet som äger rum efter 2020 (Mckinsey & Company, 2008). Dessa kostnader tar hänsyn till energipåföljden för koldioxidavskiljning, men inte till utsläppen i tidigare led, så de utgår från en utsläppsminskning på 80-90 % jämfört med en konventionell anläggning.

Nyligen har man fokuserat på att bedöma potentialen och kostnaderna för CCS inom industrisektorn (UNIDO/IEA, 2011; ZEP, 2013). Många industriella processer, till exempel primär ståltillverkning, cementtillverkning och oljeraffinering, arbetar på gränsen till energieffektivitet, och avskiljning av koldioxid är den enda teknik som kan minska utsläppen ytterligare. Kostnaderna för att tillämpa CCS inom industrin varierar kraftigt mellan olika tillämpningar, men vissa kostnader är mycket lägre än de som finns inom energisektorn (se figur 4).

Det måste noteras att även om CCS-tillämpningar kommer att öka kostnaderna för energiproduktion och industriell produktion har IEA (2008a) beräknat att ett uteslutande av CCS från den globala portföljen för begränsning av klimatförändringarna kommer att öka kostnaden för att uppnå en stabilisering av klimatet med 70 %. På grundval av denna information kan det vara motiverat att inkludera CCS i begränsningsportföljen ur ett långsiktigt ekonomiskt effektivitetsperspektiv.

Status för marknaden för mekanismen för ren utveckling

Vid klimatkonferensen 2010 i Cancun, Mexiko, beslutade partskonferensen för Kyotoprotokollet (CMP) att inkludera CCS-projekt i mekanismen för ren utveckling (CDM).

  • Bellona, 2009. Teknik.
  • Coninck, H.C.De, 2008. Trojansk häst eller horn av överflöd? Reflektioner om att tillåta CCS i mekanismen för ren utveckling (CDM). Energy Policy 36, s. 929-936.
  • Europeiska kommissionen, 2009. Meddelande från kommissionen till Europaparlamentet och rådet. Demonstration av avskiljning och geologisk lagring av koldioxid (CCS) i framväxande utvecklingsländer: finansiering av projektet EU-China Near Zero Emissions Coal Plant. Bryssel, Belgien.
  • IEA, 2008a. Utsikter för energiteknik 2008: Scenarier och strategier till 2050. IEA/OECD, Paris, Frankrike.
  • IEA, 2008b. Avskiljning och lagring av koldioxid: A Key Abatement Option, IEA/OECD, Paris, Frankrike.
  • IEA, 2009. Teknikplan – avskiljning och lagring av koldioxid. Internationella energiorganet, Paris, Frankrike.
  • IEA/UNIDO, 2011. . Internationella energiorganet, Paris, Frankrike.
  • IPCC, 2005. Särskild rapport om avskiljning och lagring av koldioxid. Metz, B. och Davidson, O. och Coninck, H.C.De och Loos, M. och Meyer, L.A. (red.). Cambridge University Press, Cambridge, Storbritannien och New York, USA, s. 442.
  • Mckinsey & Company, 2008. Avskiljning och lagring av koldioxid: Assessing the economics.
  • Parliamentary Office of Science and Technology, 2009. Postnot 335 – avskiljning och lagring av koldioxid. The Parliamentary Office of Science and Technology, London, United Kingdom.
  • United Nations, 1987. Rapport från världskommissionen för miljö och utveckling. Generalförsamlingens resolution 42/187.
  • Viebahn, P. och Nitsch, J. och Fischedick, M. och Esken, A. och Schuwer, D. och Supersberger, N. och Zuberbuhler, U. och Edenhofer, O., 2007. Jämförelse av avskiljning och lagring av koldioxid med teknik för förnybar energi med avseende på strukturella, ekonomiska och ekologiska aspekter i Tyskland. International Journal of Greenhouse Gas Control 1 (1), s. 121-133.
  • Zapp, P., Schreiber, A., Marx, J., Haines, M., Hake, J., Gale, J., 2012. CCS-teknikens totala miljöpåverkan – en livscykelstrategi. 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, Bryssel.