Новые тенденции в улавливании и хранении углерода во время операций по извлечению

По мере того, как мир активизирует свои усилия по борьбе с изменением климата, улавливание и хранение углерода (CCS) стало жизненно важным компонентом энергетического перехода. Для операций по добыче в нефтегазовом секторе CCS предлагает путь к сокращению существенных выбросов, связанных с производством, сохраняя при этом энергетическую безопасность. Новые тенденции в технологиях улавливания, решениях для хранения и операционной интеграции приводят к повышению эффективности, экономической эффективности и безопасности. В этой статье рассматриваются последние события, опираясь на авторитетные источники из Международного энергетического агентства и Глобального института CCS .

Инновации в технологиях захвата

Традиционная очистка на основе амина, хотя и эффективна, остается энергоемкой и менее подходит для изменяющихся газовых составов и удаленных мест, типичных для мест добычи. Последние достижения сосредоточены на новых методах захвата, которые более адаптируемы, масштабируемы и устойчивы в суровых условиях. Эти инновации обещают снизить энергетический штраф и капитальные затраты, что делает CCS более жизнеспособным для широкого развертывания.

Твердые сорбенты

Твердые сорбенты — такие материалы, как металлоорганические каркасы (MOF), цеолиты и аминофункционализированный кремнезем — химически или физически связывают CO₂ из газовых потоков. В отличие от жидких растворителей, требующих регенерации посредством нагрева, многие твердые сорбенты могут регенерироваться посредством перепадов давления или умеренных перепадов температуры, что снижает потребность в тепловой энергии. На участках добычи, где теплоснабжение может быть ограничено, это является критическим преимуществом. Недавние пилотные проекты продемонстрировали более 90% эффективности захвата с использованием сорбентов на основе MOF в условиях симуляции условий обработки природного газа. Кроме того, твердые сорбенты имеют более низкий потенциал коррозии и меньше проблем с обращением с отходами по сравнению с аминами, повышая эксплуатационную безопасность.

Мембранное разделение

Мембранные технологии выборочно фильтруют CO₂ из других газов, таких как метан и азот, с использованием полимерных, керамических или смешанных мембран. Инновации в материаловедении позволили получить мембраны с более высокой проницаемостью и селективностью, что позволяет осуществлять одноступенчатое разделение, приближающееся к производительности многоступенчатых процессов. Для операций по извлечению мембранные модули могут быть компактными, модульными и легко интегрированными в существующие поезда по переработке газа. Они работают без химической регенерации и имеют небольшой след, что ценно на морских платформах или удаленных участках скважин. Передовые мембранные материалы теперь демонстрируют стабильность в присутствии загрязняющих веществ, таких как сероводород и водяной пар, которые распространены в газах резервуара.

Химический петля

Chemical looping combustion (CLC) is an emerging approach that captures CO₂ inherently during combustion by using metal oxide particles as oxygen carriers. In a system of two interconnected reactors, the metal oxide is oxidized in an air reactor and then reduced in a fuel reactor, producing a concentrated stream of CO₂ and water vapor. Subsequent condensation yields pure CO₂ ready for storage. CLC avoids the energy penalty of post-combustion capture because the gas separation is inherent to the process. While still at the pilot scale, CLC has been demonstrated using natural gas and syngas, making it relevant for gas-fired power and heat generation at extraction facilities. Ongoing research aims to reduce attrition of oxygen carrier particles and scale up reactors for commercial sizes.

Передовые растворители

Помимо твердых и мембранных методов, продолжаются усовершенствования жидких растворителей. Новые составы аминов, смешанные с промоторами, такими как пиперазин или с использованием растворителей фазового изменения, снижают энергию регенерации до 30% по сравнению с обычным моноэтаноламин (MEA). Некоторые растворители могут работать при повышенных давлениях, непосредственно обрабатывая потоки газа высокого давления от операций по извлечению без дорогостоящего сжатия. Расширенные растворители также демонстрируют более низкие скорости деградации и снижение волатильности, сокращая затраты на макияж растворителей и экологические риски. Эти разработки делают захват на основе растворителей более конкурентоспособным для крупномасштабных применений.

Расширенные решения для хранения

После захвата CO₂ необходимо хранить в геологических формациях, обеспечивающих долгосрочное сдерживание. Технологии хранения развиваются для повышения емкости, инъекционности и безопасности. Ключевые тенденции включают эксплуатацию глубоководных солевых водоносных горизонтов, перепрофилирование истощенных нефтяных и газовых месторождений и развитие технологий минерализации. Оффшорное хранение также набирает обороты из-за его близости ко многим местам добычи и наличия больших объемов хранения.

Глубокие солевые водоносные горизонты

Глубокие солевые водоносные горизонты — пористые горные образования, насыщенные рассолом — представляют собой крупнейший глобальный ресурс хранения CO₂. Они широко распространены и могут принимать CO₂ в сверхкритической форме. Развивающиеся тенденции направлены на лучшую характеристику емкости хранения посредством сейсмической визуализации высокого разрешения и моделирования резервуаров. Передовые стратегии впрыска, такие как извлечение рассола для управления накоплением давления и циклическими моделями впрыска, тестируются для максимизации эффективности хранения. Технологии мониторинга, такие как датчики давления/температуры скважин и поверхностные микросейсмические массивы, предоставляют данные в реальном времени о миграции шлейфа и целостности уплотнения. Программа Департамента энергетики США продемонстрировала несколько крупномасштабных проектов хранения солевых водоносных горизонтов с частотой впрыска, превышающей 1 миллион тонн в год.

Механизмы ценообразования на выбросы, такие как системы торговли выбросами в Европе и Канаде, устанавливают стоимость каждой тонны CO₂, что делает CCS экономически эффективным вариантом борьбы с выбросами. В Соединенных Штатах налоговый кредит по разделу 45Q обеспечивает до 85 долларов США за тонну квалифицированного CO₂, полученного из промышленных источников, и 50 долларов США за тонну CO₂, используемого в EOR (с поправкой на инфляцию). Руководство по разделу 45Q IRS было обновлено для уточнения правил прямой оплаты и передачи, что делает кредит более доступным для операторов. Аналогичные стимулы существуют в таких юрисдикциях, как Великобритания (инвестиционные контракты по CCS), Норвегия (освобождения от налога на выбросы для захваченных CO₂ и Австралия (инвестиционные кредиты по низким выбросам). Эти политики

Государственно-частное партнерство и финансирование

Правительства вкладывают значительные средства в демонстрацию и инфраструктуру CCS через государственно-частное партнерство. Министерство энергетики США выделило миллиарды долларов на программы по управлению углеродом, включая программу по демонстрационным проектам по улавливанию улавливания углерода и предприятие по обеспечению безопасности хранения углерода (CarbonSAFE). Инновационный фонд Европейского союза поддерживает крупномасштабные проекты CCS, а правительство Великобритании создало процесс секвенирования кластеров CCUS, который обеспечит поддержку доходов для развертывания в промышленных кластерах. Эти инициативы снижают риски первых в своем роде проектов и снижают затраты за счет обучения путем выполнения. Для добывающих компаний партнерство с государственными учреждениями или исследовательскими учреждениями позволяет доступ к финансированию, экспертизе и общей инфраструктуре, такой как транспортные сети CO₂.

Траектории снижения затрат

Как и в случае с любой новой технологией, ожидается снижение затрат на УХУ при кумулятивном развертывании. По оценкам МЭА, стоимость улавливания от переработки природного газа может снизиться с $40-80 за тонну сегодня до менее $30 за тонну к 2030 году с технологическими достижениями и масштабами. Стандартизация оборудования, усиление конкуренции среди поставщиков и повышение энергоэффективности способствуют этой тенденции. Кривая обучения для стоимости хранения столь же многообещающая, при этом затраты на хранение глубокого солевого водоносного горизонта уже ниже $10 за тонну в крупномасштабных проектах. Продолжение НИОКР и коммерческая демонстрация необходимы для реализации этих сокращений затрат.

Будущее и вызовы

Несмотря на многообещающие тенденции, необходимо преодолеть ряд барьеров для обеспечения широкого внедрения УХУ в добывающих операциях.Развитие инфраструктуры, общественное признание и согласование нормативных положений являются ключевыми областями, требующими внимания.

Масштабирование инфраструктуры

Текущая инфраструктура транспортировки и хранения CO₂. Трубопроводы, скважины для закачки и центры хранения должны строиться такими темпами, которые соответствуют ожидаемому росту пропускной способности. Развитие распределительных сетей с открытым доступом CO₂ позволит нескольким эмитентам совместно использовать ресурсы хранения, снижая затраты на единицу продукции. Планирование этих сетей должно начаться сейчас, с долгосрочной нормативной базы, которая обеспечивает справедливый доступ и ценообразование. В годовом отчете Глобального института CCS отмечается, что общая сеть трубопроводов для CO₂ превышает 8 000 км по всему миру, но к 2030 году это должно более чем удвоиться для достижения климатических целей.

Общественное принятие и нормативные рамки

Общественное восприятие CCS остается неоднозначным, особенно для наземного хранения. Опасения по поводу индуцированной сейсмичности, загрязнения подземных вод и долгосрочного постоянства хранения требуют прозрачной связи и надежного регулирующего надзора. Для обеспечения сообществ, что хранимые CO_]2 не будут представлять будущих рисков, необходимы четкие режимы ответственности и долгосрочные программы управления. Несколько юрисдикций разрабатывают передовые методы, такие как программа EPA по подземному инъекционному контролю (UIC) для скважин класса VI, которая устанавливает строгие стандарты мониторинга и закрытия. Пропаганда и взаимодействие с заинтересованными сторонами должны быть центральными для разработки проекта.

Исследовательские рубежи

На горизонте исследований, прямой захват воздуха (DAC) и биоэнергетика с CCS (BECCS) представляют собой дополнительные подходы, которые могут быть интегрированы с операциями по добыче. DAC-заводы могут быть размещены вблизи полей хранения для использования той же инфраструктуры, в то время как BECCS может использовать биомассу от площади участка добычи для генерации отрицательных выбросов. Комбинирование CCS с производством водорода из природного газа (синий водород) также предлагает путь к низкоуглеродному водороду, который может быть использован для декарбонизации процессов добычи, таких как отопление и бурение. Продолжение инвестиций в эти технологии расширит портфель климатических решений, доступных для отрасли.

Заключение

Инновации в технологиях улавливания и хранения углерода во время операций по добыче претерпевают трансформацию. Инновации в технологиях улавливания, таких как твердые сорбенты, разделение мембран и химическая петля, снижают энергетические штрафы и капитальные затраты. Усовершенствованные решения для хранения, от глубоких солевых водоносных горизонтов до минерализации и морских формаций, обеспечивают безопасные и масштабируемые хранилища. Интеграция с мониторингом в режиме реального времени, модульными системами, автоматизацией и энергоэффективностью делает CCS практическим дополнением к рабочим процессам по добыче. Экономические стимулы и политическая поддержка, включая налоговые кредиты и правительственные партнерства, ускоряют развертывание. Однако расширение инфраструктуры, обеспечение общественного признания и продвижение исследований остаются критическими проблемами. При постоянной приверженности промышленности, правительств и исследователей, CCS может играть ключевую роль в достижении чистых нулевых выбросов при сохранении поставок энергии, на которые полагается мир. Для дальнейшего чтения о последнем статусе и прогнозах, MIT Climate Portal предлагает доступные объяснения, в то время как МЭА предоставляет всеобъемлющие данные и анализ прогресса сектора.