Технологии за улавяне и съхранение на въглерод

• Изграждането на тръбопроводи, предлагащи достатъчен капацитет за широкомащабна CCUS индустрия, би изисквало допълнителни проучвания по отношение на безопасността
  
  
• Въглеродният диоксид може да се съхранява по два основни начина – дълбоко геоложко съхранение и минерално съхранение
  
  
• Важно е да се отбележи, че използването на CCUS не трябва да се възприема като разрешително за продължаване на употребата на изкопаеми горива

През последните няколко години светът все повече обръща внимание и инвестира в технологии за улавяне и съхранение на въглеродни емисии с оглед предотвратяване на постъпването им в атмосферата и ограничаване на глобалното затопляне. Политики като Законодателния акт за промишленост с нулеви нетни емисии в ЕС, данъчния кредит 45Q в САЩ и CCUS фонда в Дания, както и скорошно законодателство в Индонезия, спомагат за ускорено внедряване на съоръжения за улавяне, съхранение и използване на въглероден диоксид (CCUS). Въпреки нарастващия с годините брой проекти обаче, напредъкът в това направление се запазва по-малък от необходимото според климатичните модели, главно заради високи разходи, регулаторни промени и недостатъчна политика и финансова подкрепа.

Днес чрез CCUS се улавят около 0,1% от глобалните емисии – близо 50 млн. тона въглероден диоксид. Съгласно климатичните сценарии, ограничаващи затоплянето до 1,5°C, публикувани от Междуправителствения комитет по изменение на климата (IPCC) и Международната агенция по енергетика (IEA), чрез CCUS трябва да се улавят около 1 млрд. тона въглероден диоксид до 2030 г. и няколко милиарда тона въглероден диоксид до 2050 г.

Не всеки обаче вижда тези технологии като част от решението на въпроса с климатичните изменения. Макар някои държави да отбелязват напредък във внедряването на CCUS, други са скептични към приложението им. Някои неправителствени организации и други заинтересовани страни са против, като аргументът им е, че тези технологии създават морален риск и че са просто временно решение, докато реалният проблем е прекратяването на употребата на изкопаеми горива. Сред причините да не се разчита на тези технологии те посочват и постигането на смесени резултати, високи разходи и потенциал за непропорционално въздействие върху уязвими общности.

В статията ще разгледаме ключови въпроси около ролята на CCUS, включително къде се намират технологиите понастоящем, в кои сектори биха били най-полезни и доколко биха допринесли за постигането на глобалните цели по отношение на климата.

Улавяне

Въглеродният диоксид може да се улавя от големи източници като електроцентрали, съоръжения за преработка на природен газ и някои индустриални процеси. Улавянето от атмосферата също е възможно. При изгарянето на изкопаеми горива в електроцентрали например има три техники за отстраняване на парниковия газ – след изгаряне, преди изгаряне и изгаряне на гориво в чист кислород. При първия вариант въглеродният диоксид се отстранява след изгаряне на изкопаемото гориво, като се отделя от отработените газове. Този метод позволява най-висока степен на ретрофит, поради което може да се приложи за повечето конвенционални електроцентрали. Разбирането за технологията е много добро и понастоящем тя се използва в други индустриални приложения.

При втората техника въглеродният диоксид се улавя преди изгарянето на изкопаемото гориво. Първо, горивото се изгаря частично в газификатор до получаването на синтез-газ. Въглеродният диоксид може да бъде уловен от този относително чист поток отработени газове. При процеса се получава и водород, който може да бъде отделен и използван като гориво. Предварителното изгаряне се използва в производството на торове и на електроенергия. Той е по-евтиният вариант в сравнение с предходната технология, но не позволява ретрофит в по-стари електроцентрали.

При изгарянето на гориво в чист кислород се получава отпадъчен газ, съдържащ предимно въглероден диоксид и водна пара. Водата кондензира при охлаждане, което позволява почти чистият въглероден диоксид да бъде транспортиран и съхранен. Електроцентралите, използващи процеси, базирани на изгарянето на гориво в чист кислород, се смятат за съоръжения с нулеви емисии, тъй като почти цялото количество въглероден диоксид се улавя. Възможно е някаква част от газа да се разтвори в кондензиралата вода, което ще наложи допълнителното й третиране. Макар това да е най-ефективният от трите метода, първоначалният процес на изгаряне в чист кислород е енергийно интензивен.

Друг начин за редуциране на емисиите на въглероден диоксид в някои области, например тежкотоварния транспорт, където използването на електроенергия не е целесъобразно, е да се премине към водород. Макар производството на водород чрез електролиза да генерира много малки емисии на въглероден диоксид, понастоящем методът е скъп. По-достъпна и утвърдена опция за преминаването към водород е той да се произвежда от природен газ чрез процес, наречен реформинг на метан. Полученият при този процес въглероден диоксид обаче също трябва да бъде уловен и подаден за съхранение.

Възможно е въглеродният диоксид да бъде уловен директно от атмосферата, но технологиите в това направление все още са обект на проучвания. Установеното количество енергия, необходимо за директното улавяне от въздуха, е малко по-голямо в сравнение с улавянето от големи източници на емисии. Разходите също могат да са по-високи, но технологията позволява приложение и за справянето с емисиите от дифузни източници.

Транспорт

След улавянето му въглеродният диоксид трябва да се транспортира до подходящи площадки за съхранение. Изпомпването му по тръбопроводи е най-евтината форма на транспорт, а и технологията е добре позната и надеждна. В САЩ например има 5800 км тръбопроводи за пренос на въглероден диоксид до нефтени находища, където се инжектира с оглед добива на повече нефт.

Изграждането на тръбопроводи, предлагащи достатъчен капацитет за широкомащабна CCUS индустрия обаче, би изисквало допълнителни проучвания по отношение на безопасността на тази инфраструктура, особено в гъсто населени региони или региони с висока сеизмична активност. За транспортирането на по-малки количества въглероден диоксид могат да се използват и кораби и автоцистерни.

Съхранение

Въглеродният диоксид може да се съхранява по два основни начина – дълбоко геоложко съхранение и минерално съхранение. Дълбокото съхранение в океаните ще повиши тяхната киселинност – проблем, които произлиза от излишъка на въглероден диоксид, който вече е в атмосферата и океаните.

Геоложките формации към момента се смятат за обещаващи площадки за съхранение на въглероден диоксид. При тази техника въглеродният диоксид се преобразува в течна на вид форма под високо налягане, наречена суперкритичен въглероден диоксид, който впоследствие се инжектира директно в седиментни скали. Скалите могат да бъдат в стари нефтени находища, газови находища или в солни формации. Невъзможните за обработка въглищни пластове и някои вулканични скали също са сред вариантите за площадки за съхранение.

Различни физически структури предотвратяват изпускането на въглеродния диоксид на повърхността. Това са например непропускливи скали и механизми за геохимично улавяне.

Форсираният добив на нефт (enhanced oil recovery, EOR) е утвърдена технология и се прилага от години. В САЩ всяка година в нефтени находища с намаляващ капацитет се инжектират приблизително 30 – 50 млн. тона въглероден диоксид, за да се увеличи добивът. Това е атрактивен вариант за съхранение на въглероден диоксид, защото разходите за инжектиране могат частично да се компенсират от продажбата на допълнително добитите количества нефт. Последващото изгаряне на добития чрез EOR нефт обаче ще компенсира по-голямата част от редуцираните емисии на въглероден диоксид.

Трудните за обработка въглищни пластове също могат да се използват за съхранение на нефт. Въглищата поглъщат въглеродния диоксид, при условие че са достатъчно пропускливи, че да позволят проникването му. В рамките на процеса въглищата изпускат вече погълнат метан, който може да бъде уловен и използван.

Продажбата на метана може да компенсира някои от разходите за съхранение на въглеродния диоксид. Както и при EOR, изгарянето на получения метан обаче ще доведе до генериране на емисии на въглероден диоксид, което ще редуцира ползите от съхранението на първоначалните количества от парниковия газ.

В порите си някои дълбоки скални формации съдържат силно концентрирана солна луга, която действа като огромна гъба. Техните основни предимства по отношение на CCS са големият им капацитет за съхранение и високата им наличност. Главният им недостатък е, че няма достатъчно познания за тези солени водоносни слоеве.

Скорошни проучвания обаче показват, че няколко механизма за улавяне имобилизират въглеродния диоксид под земята, намалявайки риска от течове. За разлика от съхранението в нефтени находища и въглищни пластове, тук няма полезен страничен продукт, който да компенсира разходите за съхранение.

При минералното съхранение уловеният въглероден диоксид реагира с естествени железни, магнезиеви и калциеви минерали, които са налични в изобилие и са много стабилни. В резултат рискът от повторно изпускане на въглеродния диоксид в атмосферата се елиминира. Реакциите обаче протичат много бавно при нормални условия, а ускоряването им изисква енергия за повишаване на температурата и налягането до оптималните им стойности. IPCC установява, че една електроцентрала, оборудвана с технология за улавяне на въглероден диоксид, използваща минерално съхранение, ще се нуждае от 60 до 180% повече енергия в сравнение с електроцентрала без внедрено решение за улавяне на въглеродния диоксид.

Кои сектори биха могли да използват CCUS

Двата сектора, в които може да се внедри CCUS, са енергетиката и индустрията, които представляват огромни точкови източници на емисии. Дали приложението на CCUS в тези сектори е разумно, зависи от разходите, целесъобразността на други варианти за декарбонизация и други фактори, свързани със специфичния проект и локация.

В индустриалния сектор производството на материали като цимент, стомана и химикали вероятно би имало нужда от CCUS с оглед постигане на цялостна декарбонизация в краткосрочен план. Това е така, тъй като други подходи за декарбонизация не съществуват или са в ранните си етапи на разработка. Настоящите производствени методи за тези продукти включват химични реакции, при чието протичане се отделя въглероден диоксид (технологични емисии), както и високотемпературно изгаряне на гориво, което води до термични емисии. CCUS може да се използват за ограничаване и на двата вида емисии, което превръща тези технологии в особено подходяща опция за декарбонизация на индустрията.

CCUS могат да се използват и в нефтения и газовия сектор за редуциране на емисиите, свързани с производството на горива, използвани в тежката промишленост, транспорта и енергетиката. Настоящите нива на потребление на нефт и газ обаче са несъвместими с ограничаването на глобалното затопляне до 1,5°C и използването на CCUS в рафинериите не бива да става причина това да продължи. Понижаването на емисиите, свързани с производството, не редуцира емисиите от изгарянето на тези горива в някакъв момент.

В енергийния сектор модели на IPCC, IEA и BloombergNEF показват, че ретрофитът на CCUS в електроцентрали е една от възможностите за чиста, сигурна електроенергия, която би могла да допълни източниците на възобновяема енергия. Действителното внедряване на CCUS ще зависи отчасти от разходите при пълната му комерсиализация, както и от ресурсите и обстоятелствата в отделните държави.

Важно е да се отбележи, че използването на CCUS в тези сектори не трябва да се възприема като разрешително за продължаване на употребата на изкопаеми горива, особено в енергийния сектор, където съществуват и много други опции. Като цяло, справянето с емисиите изисква прилагането на CCUS да е съпроводено от рязък спад в производството и употребата на изкопаеми горива, както и от използването на други възможности за декарбонизация.