Улавливание и хранение углерода (Carbon capture and storage, CCS) представляет собой комбинацию технологий, предназначенных для предотвращения выбросов CO2, образующегося в результате традиционных процессов производства электроэнергии и промышленного производства, путем закачки CO2 в подходящие подземные резервуары для хранения.
По сути, технология улавливания отделяет выбросы CO2 от процесса, после чего сжатый CO2 транспортируется и закачивается в подходящее геологическое место хранения.
Возможные методы транспортировки CO2 включают как трубопроводы, так и морские перевозки. Соответствующие геологические места хранения CO2 включают заброшенные нефтяные и газовые месторождения, глубокие солончаки и трудноизвлекаемые угольные пласты.
Доминирующая причина делать улавливание и хранение углерода – это сокращение выбросов CO2 в промышленности и при производстве электроэнергии.
Внедрение технологий CCS в промышленном и энергетическом секторах позволит продолжить использование ископаемого топлива при значительном снижении выбросов CO2.
Разнообразный спектр технологий улавливания и хранения углерода в настоящее время находится на разных стадиях исследований, разработок и демонстрации. Хотя некоторые из этих технологий достигли стадии развертывания, многие из них все еще требуют значительных дальнейших разработок для улучшения технических возможностей и снижения затрат.
Хотя лидеры уже появляются, вполне вероятно, что долгосрочный потенциал технологий улавливания и хранения углерода будет реализован за счет применения широкого набора различных технологий.
Они могут варьироваться от нынешних фаворитов — улавливания на основе растворителей на угольных электростанциях с геологическим хранилищем — до декарбонизации топлива перед сжиганием, манипулирования экологическими факторами, такими как микробные популяции или плодородие океана, для увеличения запасов углерода в почвах и в океанах и многие другие.
Внедрение технологий улавливания CO2 на электростанциях
Улавливание и хранение углерода (CCS) может значительно сократить выбросы CO2 от производства электроэнергии и промышленных установок.
Существует несколько технологий, используемых для улавливания, транспортировки и геологического хранения CO2.
Большая часть исследований и разработок направлена на повышение эффективности технологий, используемых для отделения CO2 от других соединений, обычно выделяемых в промышленных процессах. Эти технологии обычно называют «технологиями захвата».
Процессы улавливания можно разделить на три категории, при этом пригодность каждого подхода зависит от технологического процесса или типа рассматриваемой электростанции.
- Дожигание
CO2 удаляется из дымовых газов, образующихся в результате сжигания ископаемого топлива. Разделение после сжигания включает использование растворителя для улавливания CO2.
Типичные области применения этой технологии включают установки по производству пылеугольного топлива и установки с комбинированным циклом на природном газе.
- Предварительное сжигание
Первичное топливо в процессе вступает в реакцию с паром и воздухом или кислородом и превращается в смесь окиси углерода и водорода, часто называемую «син-газом». Моноксид углерода затем преобразуется в CO2 в «реакторе сдвига». Затем CO2 можно отделить, а водород использовать для выработки электроэнергии и тепла.
Эта технология особенно подходит для применения на электростанциях комбинированного цикла с интегрированной газификацией.
Оборудование для улавливания диоксида углерода на электростанции
- Кислородно-топливное сжигание
Первичное топливо сжигается в кислороде вместо воздуха, при этом образуются дымовые газы, содержащие в основном водяной пар и высокую концентрацию CO2 (80%). Затем дымовой газ охлаждается для конденсации водяного пара, в результате чего остается почти чистый поток СО2.
Для производства кислорода из воздуха на месте требуется дополнительное оборудование.
Внедрение технологий улавливания CO2 в промышленных процессах
Технологии разделения также можно использовать в различных отраслях промышленности, таких как переработка природного газа, производство стали, цемента и аммиака.
Улавливание и хранение углерода (CCS) может улавливать от 85 до 95 % всего произведенного CO2, но чистое сокращение выбросов составляет порядка 72–90 % из-за затрат энергии на отделение CO2.
Многие промышленные процессы, например, первичное производство стали, производство цемента и нефтепереработка, работают на пределе энергоэффективности, и улавливание CO2 является единственной технологией, способной еще больше сократить выбросы.
Электрохимическое восстановление диоксида углерода CO2
В электрохимических процессах подводимая электрическая энергия запускает реакции конверсии СО2 в электролизере, в которых СО2 восстанавливается на катоде, а на аноде выделяется кислород. Таким образом, CO2 может быть преобразован в ряд видов топлива и прекурсоров топлива, включая CO, муравьиную кислоту (HCOOH), метан (CH 4) и этилен (C2H4).
Электрохимическое восстановление диоксида углерода CO2
Катод обычно включает каталитический слой, предназначенный для улучшения кинетики реакции восстановления, а также для того, чтобы быть селективным в отношении определенного продукта реакции, например, медный (Cu) электрод для производства метана или серебряный (Ag) электрод для производства CO.
Основным недостатком электрохимической конверсии является стоимость электроэнергии, необходимой для запуска реакции, и этот процесс будет экономически жизнеспособным только в том случае, если затраты энергии будут практически нулевыми.
Это было бы так, если бы электрохимическая конверсия CO2 потребляла избыточную возобновляемую энергию, вырабатываемую ветровыми или фотогальваническими солнечными системами в периоды низкого спроса.
Электрохимическое восстановление CO2 можно рассматривать как метод расширения использования возобновляемых источников энергии в новых секторах, таких как авиация.
Затраты на технологию улавливания и хранения углерода
В настоящее время большинство применений технологий улавливания CO2 экономически нецелесообразно. Дополнительное оборудование, используемое для улавливания и сжатия CO2, также требует значительного количества энергии, что увеличивает потребности в топливе угольной электростанции на 25-40%, а также увеличивает затраты.
Часть проекта по улавливанию углерода в компании Archer Daniels Midland в Декейтере, штат Иллинойс (США)
Транспортирование и хранение диоксида углерода
После того, как CO2 будет эффективно «уловлен» в процессе, потребуется транспортировать его в подходящее место для хранения.
CO2 наиболее эффективно транспортируется, когда он сжат до давления выше 7,4 МПа и температуры примерно выше 31°C. В этих условиях СО2 проявляет сверхкритические свойства. Это жидкость с газовыми характеристиками.
Таким образом, CO2 обычно транспортируется под высоким давлением по трубопроводам из углеродистой стали, не отличающимся от обычных трубопроводов для природного газа, или на кораблях, если ему необходимо пересечь большое водное пространство. Трубопроводы CO2 уже существуют в больших масштабах.
Транспортирование CO2
Подходящими местами хранения СО2 являются заброшенные нефтяные и газовые месторождения или глубокие засоленные пласты с ожидаемой минимальной глубиной 800 метров, где температура и давление окружающей среды достаточно высоки, чтобы поддерживать СО2 в жидком или сверхкритическом состоянии.
Миграция CO2 из водохранилища предотвращается с помощью комбинации физических и геофизических механизмов улавливания.
Технологии, используемые для закачки СО2, аналогичны тем, которые используются в нефтегазовой промышленности. В дополнение к оборудованию для бурения скважин и нагнетания, технологии измерения и мониторинга необходимы для наблюдения за оставшейся емкостью хранилища и поведением CO2.
Несмотря на то, что некоторые технологии закачки известны, усовершенствования для хранения CO2 все еще находятся в стадии разработки.
После того, как фаза закачки завершена, скважина должна быть герметизирована с помощью подходящей (обычно цементной) «пробки», помещенной на достаточную глубину, чтобы предотвратить подъем CO2 вверх по скважине и, возможно, утечку или загрязнение грунтовых вод.
Использование CO2
Традиционно под «утилизацией CO2» понимают промышленный процесс, в ходе которого производится экономически ценный продукт с использованием CO2 в концентрациях выше атмосферных.
CO2 либо преобразуется с помощью химических реакций в материалы, химикаты и топливо, либо используется непосредственно в таких процессах, как повышение нефтеотдачи.
Это определение имеет свои исторические причины, но это не единственный способ утилизации CO2.
Долгое время люди придумывали, как можно использовать природный углерод — углерод, вырабатываемый растениями из атмосферного CO2, — в качестве сырья для производства ценных продуктов.
Методы с использованием CO2, такие как связывание углерода в почве, благодаря их способности повышать урожайность, также могут стать экономически выгодной идеей.
Способы использования CO2:
- Химикаты
Сокращение выбросов CO2 до составляющих его компонентов с использованием катализаторов и химических реакций может использоваться для создания продуктов, таких как метанол, мочевина (для использования в качестве удобрения) или полимеров (в качестве долговечных материалов в зданиях или автомобилях).
- Топливо
Объединение водорода с CO2 для производства углеводородного топлива, в том числе метанола, синтетического топлива и синтез-газа, могло бы охватить огромный рынок — например, в существующей транспортной инфраструктуре, — но на сегодняшний день затраты слишком высоки.
- Микроводоросли
Использование микроводорослей для связывания CO2 с высокой эффективностью, а затем переработка биомассы для производства продуктов, таких как топливо и дорогостоящие химикаты, было в центре внимания исследований в течение многих лет.
- Бетонные строительные материалы
CO2 можно использовать для «отверждения» цемента или при производстве заполнителей. Это позволит сохранить некоторое количество CO2 в долгосрочной перспективе и может вытеснить традиционный цемент.
- Увеличение нефтеотдачи с помощью CO2
Закачка CO2 в нефтяные скважины может увеличить добычу нефти.
- Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода
В биоэнергетике с улавливанием углерода можно улавливать CO2, выращивая деревья и производить электрическую энергию с помощью биоэнергии, улавливая полученные выбросы.
- Улучшенное выветривание
Дробление горных пород, таких как базальт, и их разбрасывание по суше может привести к ускоренному образованию стабильного карбоната из атмосферного CO2. Вполне вероятно, что выполнение этого на сельскохозяйственных угодьях приведет к повышению урожайности.
- Лесное хозяйство
Древесина как из новых, так и из существующих лесов является экономически ценным продуктом, который потенциально может накапливать CO2 в зданиях и тем самым вытеснять использование цемента.
- Поглощение углерода почвой
Методы управления земельными ресурсами для связывания почвенного углерода могут не только сохранять CO2 в почве, но и повышать урожайность сельскохозяйственных культур.
- Биоуголь
Биоуголь представляет собой «пиролизную» биомассу: растительный материал, сожженный при высоких температурах при низком уровне кислорода. Применение биоугля на сельскохозяйственных почвах может повысить урожайность на 10%, но очень сложно сделать однородный продукт или предсказать реакцию почвы.