Sekwestracja dwutlenku węgla

Sekwestracja dwutlenku węgla, CCS (od ang. carbon capture and storage) – proces zapobiegania emisji dużych ilości dwutlenku węgla (CO₂) do atmosfery z punktowych źródeł zanieczyszczeń, takich jak elektrownie i fabryki przemysłu ciężkiego. Polega na wychwyceniu CO₂ ze spalin, przetransportowaniu na składowisko i zdeponowaniu tak, aby uchronić go przed dostaniem się do atmosfery. Działania te mają na celu mitygację wpływu emisji dwutlenku węgla, będącego gazem cieplarnianym na globalne ocieplenie i zakwaszanie oceanów. Pomimo iż CO₂ jest wtłaczany w formacje geologiczne od kilku dekad w różnych celach, wliczając wspomaganie wydobycia ropy naftowej, koncepcja długoterminowego składowania gazu jest relatywnie nowa.

Wydzielenie CO₂

Wychwytywanie CO₂ jest najbardziej efektywne tam, gdzie jego wytwarzanie jest największe. Chodzi tu głównie o duże elektrownie (zasilane paliwami kopalnymi lub biomasą), rafinerie gazu ziemnego i paliw syntetycznych, czy zakłady produkujące wodór. Wychwytywanie CO₂ z powietrza jest możliwe, pierwszym podmiotem na świecie, który zajął się sekwestracją dwutlenku węgla komercyjnie jest szwajcarska firma Climeworks. Stężenie dwutlenku maleje wraz z oddaleniem od źródła emisji. Aby wychwyt był skuteczny przy małym stężeniu, przepływ powietrza przez odpowiednie filtry sekwestrujące musi być bardzo duży.

Wyróżnia się trzy metody wychwytu dwutlenku węgla:

• wtórny (ang. post combustion) – CO₂ jest wychwytywane ze spalin, po procesie spalania. Ten sposób jest najbardziej popularny i często stosowany w przemyśle, zwłaszcza w elektrowniach zasilanych paliwami kopalnymi;
• pierwotny (ang. pre-combustion) – w tej technice wychwyt następuje przed spalaniem. Paliwo jest poddawane procesowi gazyfikacji, w wyniku której powstaje gaz syntezowy (CO i H₂), ulegający dalszym przemianom do CO₂ i H₂O;
• spalanie w tlenie (ang. oxycombustion) – spalanie czystego paliwa w czystym tlenie. Spaliny stanowią wyłącznie dwutlenek węgla i łatwą do wykroplenia wodę.

Metody te są w różnym stopniu zaawansowania, co można zobaczyć w tabeli:

Technologia	W fazie demonstracyjnej	Ekonomicznie opłacalna pod określonymi warunkami	Dostępna na rynku
Wychwyt wtórny		X
Wychwyt pierwotny		X
Spalanie w tlenie	X
Wychwyt przemysłowy (produkcja amoniaku lub gazu syntezowego)			X

Po wychwyceniu CO₂ zostaje przetransportowane na miejsce składowania. Najbardziej popularną i tanią metodą jest transport rurociągami. Transport dwutlenku węgla podlega takim samym ograniczeniom jak transport gazu.

Recykling (czyli ponowne użycie) dwutlenku węgla jest odpowiedzią na wyzwanie zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych z przemysłu.

Składowanie

Najwięcej problemów wiąże się ze składowaniem CO₂.

Składowanie geologiczne

Najpowszechniejszą metodą jest podziemne składowanie dwutlenku węgla, po jego zatłoczeniu pod ziemię. Jako miejsce składowania może posłużyć pole naftowe, pole gazowe, pozabilansowe pokłady węgla. Pułapki fizyczne i geochemiczne zapobiegają wydostaniu się CO₂ na powierzchnię. Zatłaczanie CO₂ w pole naftowe powoduje zwiększenie wydobycia. W Stanach Zjednoczonych około 30 do 50 milionów ton gazu jest wtryskiwane w skały ubogie w ropę.

Składowanie oceaniczne

W przeszłości istniała możliwość składowania CO₂ w oceanie. Z czasem ta procedura została uznana za nielegalną.

Mineralna karbonatyzacja

Dwutlenek węgla tworzy trwałe związki węglanowe z minerałami lub odpadami mineralnymi. Do reakcji wykorzystywane są tlenki metali (magnezu, wapnia, żelaza). Karbonatyzację przeprowadza się przez:

• wiązanie CO₂ z ciałem stałym,
• reakcję CO₂ z wodną zawiesiną, na przykład krzemianów wapniowych lub magnezowych.

Do mineralnej sekwestracji można stosować minerały naturalne (np. serpentynit, oliwin, talk) lub odpady (np. popioły lotne, odpady azbestowe, żużle hutnicze).

Wiązanie w ekosystemach ziemskich

Jest to naturalny sposób uwięzienia CO₂. Obejmuje to zalesianie, ochronę terenów zielonych oraz odnawianie terenów zdegradowanych.

Przykładowe projekty

Programy na skalę przemysłową

W połowie 2011 roku działało 8 dużych instalacji CCS. Światowy Instytut CCS (Global CCS Institute) w swoim sprawozdaniu 2011 Global Status of CCS report wymienia 74 duże, zintegrowane projekty.

Projekty pilotażowe

• Holandia

W Holandii planowano wybudowanie 68-megawatowej elektrowni tlenowej (zero emission power plant). Projekt ten został zamknięty. ROAD (Rotterdam Capture and Storage Demonstration project) jest wspólnym przedsięwzięciem E.ON Benelux oraz Electrabel Nederland (grupa GDF Suez). Uruchomienie instalacji zaplanowano na rok 2015. Instalacja ma wychwytywać 1,1 miliona ton CO₂ z nowej elektrowni w Maasvlakte.

• Niemcy

Pierwsza instalacja CCS została wybudowana w Niemczech w opalanej węglem elektrowni w Schwarze Pumpe. W ramach projektu firma Alstom wybudowała kocioł z układem oxy-fuel. Ponadto instalacja została wyposażona w system oczyszczania spalin, który umożliwia usunięcie części lotnych, a także dwutlenków siarki.

• Włochy

Pierwsza pilotażowa instalacja znajduje się w Porto Tolle w elektrowni węglowej o mocy powyżej 2500 MW. Instalacja CCS miała być przeznaczona do wychwytu CO₂ z linii produkcyjnej o mocy 300 MW. W maju 2011 roku projekt został zamknięty.

• Polska

Pierwsza polska instalacja pilotażowa CCS miała powstać w Elektrowni Bełchatów i miała być zintegrowana z nowym blokiem 858 MW, jednak ze względu na nieopłacalność technologii CCS oraz nieprzyznanie przez Komisję Europejską w grudniu 2012 roku dofinansowania dla projektu, władze PGE wycofały się z jego realizacji.

Podstawowe parametry tej instalacji miały wynosić:

• ilość wychwytywanego CO₂: 1,8 mln ton/rok,
• sprawność instalacji: 90%,
• zużycie energii elektrycznej na potrzeby instalacji CCS: 40 MW,
• przewidywana sprawność bloku bez instalacji CCS: ~41,7%,
• przewidywana sprawność bloku z instalacją CCS: ~38%.

W 2013 pilotowe instalacje usuwania CO₂ ze spalin powstały przy elektrowni Łaziska oraz Łagisza.

Koszty instalacji

Szacowanie kosztów instalacji CCS w elektrowni jest bardzo trudne. Na świecie nie ma ani jednej zintegrowanej instalacji tak zwanego pełnego łańcucha CCS (rozumianej jako instalacja wychwytu CO₂ w elektrowni lub innym dużym zakładzie przemysłowym, rurociąg do transportu CO₂ i składowisko CO₂) działającej na dużą skalę. To powoduje, że podawane koszty znacznie różnią się od siebie. Instalacje do wychwytu dwutlenku węgla mają też duże zapotrzebowanie na energię, co znacząco zwiększa ilość energii zużywanej na potrzeby własne elektrowni, a więc i jej koszty eksploatacji. Poza tym uważa się, że stosowanie instalacji CCS w elektrowni zmniejsza jej sprawność nawet o 10%.

Obecnie instalacja CCS jest nieopłacalna z ekonomicznego punktu widzenia, co wynika z niskich cen za emisję dwutlenku węgla.

Zobacz też

• Sekwestracja dwutlenku węgla z wykorzystaniem glonów

Linki zewnętrzne

• Bert Metz, Ogunlade Davidson, Heleen de Coninck, Manuela Loos and Leo Meyer (Eds.), Carbon Dioxide Capture and Storage, Cambridge University Press, UK. pp 431
• Technical Summary – Carbon Dioxide Capture and Storage, pp 49, Special Report IPCC 2005; Coordinating Lead Authors: Edward Rubin, Leo Meyer, Heleen de Coninck
• https://www.climeworks.com/