Роль улавливания и хранения углерода в работе угольных электростанций

Роль улавливания и хранения углерода в работе угольных электростанций

Угольные электростанции поставляли значительную часть мировой электроэнергии более века. Несмотря на их надежность и плотность энергии, эти объекты являются одними из крупнейших стационарных источников выбросов углекислого газа (CO2), основным драйвером антропогенного изменения климата. Поскольку страны стремятся к достижению целей по нулевым выбросам, вопрос заключается не в том, продолжать ли использовать уголь, а в том, как смягчить его воздействие на окружающую среду при обеспечении энергетической безопасности во время перехода. Улавливание и хранение углерода (CCS) появилось в качестве критической технологии, которая может сократить выбросы CO2 от существующих угольных электростанций на целых 90%, что позволяет этим активам работать со значительно более низким углеродным следом. В этой статье исследуются механизмы CCS, его эксплуатационная интеграция с угольными электростанциями, преимущества и препятствия, которые он представляет, и его место в более широком ландшафте чистой энергии.

Улавливание и хранение углерода (CCS)

CCS — это набор технологий, предназначенных для улавливания CO2 из промышленных точечных источников до его попадания в атмосферу, сжатия и транспортировки, а затем впрыскивания в глубокие геологические образования для постоянного хранения. Концепция не нова: нефтегазовая промышленность впрыскивала CO2 в резервуары для усиленной нефтеотдачи (EOR) с 1970-х годов. Однако применение для выработки электроэнергии в коммерческом масштабе более свежо. CCS можно модернизировать до существующих угольных электростанций или интегрировать в новые конструкции, что делает его универсальным инструментом декарбонизации. Глобальный институт CCS определяет три основных шага: улавливание, транспортировка и хранение.

Захват технологий

Этап захвата является наиболее энергоемким и дорогостоящим этапом ОКС. В настоящее время развернуты или разрабатываются три основных метода:

Каждая техника имеет компромиссы в энергетическом штрафе, капитальных затратах и зрелости.Постгорение наиболее широко продемонстрировано в масштабе, с установками, работающими на электростанциях в Канаде и США.

Транспорт и хранение

После захвата CO2 должен быть сжат до плотной фазы (обычно выше 1100 фунтов на квадратный дюйм) и транспортирован по трубопроводу, судну или грузовику в подходящее место хранения. Трубопроводы являются наиболее экономичными для больших объемов над землей. Затем CO2 впрыскивается в глубокие геологические образования - обычно на глубинах более 800 метров - где он захвачен комбинацией структурных, остаточных, растворимых и минеральных механизмов захвата. Подходящие хранилища включают:

Отбор участков регулируется строгой геологической характеристикой, мониторингом и нормативным надзором для обеспечения постоянного сдерживания. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) пришла к выводу, что безопасно хранящийся CO2 на хорошо отобранных участках имеет коэффициент удержания 99% в течение 1000 лет.

Преимущества CCS в эксплуатации угольных электростанций

Глубокое сокращение выбросов

Наиболее прямым преимуществом CCS является резкое сокращение выбросов CO2. Типичная сверхкритическая угольная электростанция выделяет около 0,9-1,0 тонн CO2 на МВт-ч. С CCS это может снизиться до 0,1-0,2 тонн на МВт-ч, в зависимости от эффективности улавливания. Это позволяет угольным электростанциям соблюдать все более строгие правила выбросов и механизмы ценообразования на углерод.

Сохранение существующей инфраструктуры и рабочих мест

Многие страны имеют большой парк угольных электростанций, построенных за десятилетия, представляющих собой миллиарды долларов инвестиций и тысячи рабочих мест. Модернизация CCS позволяет этим активам продолжать работу, избегая при этом экономического шока преждевременного выхода на пенсию. Это особенно актуально в таких регионах, как Китай, Индия и США, где уголь по-прежнему обеспечивает значительную долю электроэнергии.

Поддержка надежности сетки

Угольные электростанции обеспечивают базовую нагрузку и могут наращивать и уменьшать баланс переменных возобновляемых источников, таких как ветер и солнечная энергия. Установки, оснащенные CCS, могут работать гибко, как это продемонстрировало Boundary Dam в Канаде, которая скорректировала выход для удовлетворения потребностей сети при улавливании CO2. Эта синергия с возобновляемыми источниками делает CCS мостовой технологией для глубокой декарбонизации сектора электроэнергетики.

Включение низкоуглеродных продуктов

Захваченный CO2 может использоваться в коммерческих целях, включая повышение нефтеотдачи, производство синтетического топлива, газированных напитков и строительных материалов, таких как бетон. Хотя объемы использования невелики по сравнению с общими выбросами, он обеспечивает поток доходов, который улучшает экономику CCS.

Проблемы, связанные с развертыванием CCS

Энергетические штрафы и потеря эффективности

Улавливание CO2 требует значительной энергии для регенерации, сжатия и вспомогательного оборудования. Этот энергетический штраф обычно составляет от 20% до 30% от выходной мощности завода, что означает, что для производства той же чистой электроэнергии необходимо сжигать больше угля. Достижения в химии растворителей, интеграции тепла и проектировании процессов постепенно снижают этот штраф, но остаются основным техническим препятствием.

Высокий капитал и операционные расходы

Стоимость CCS широко варьируется в зависимости от типа установки, метода улавливания и расстояния транспортировки. Для угольных электростанций общие затраты на улавливание, транспортировку и хранение оцениваются в 40-80 долларов США за тонну CO2. Модернизация существующего завода может стоить сотни миллионов долларов, а эксплуатационные расходы на грим, техническое обслуживание и мониторинг добавляют текущие расходы. Без сильного ценообразования на углерод или государственных стимулов эти затраты делают CCS неэкономичным для многих операторов.

Доступность сайта хранения и общественное принятие

Не все регионы имеют подходящую геологию для хранения CO2. Хотя глобальный потенциал огромен, характеристика и разрешение местных участков могут занять годы. Общественное противодействие трубопроводам CO2 и скважинам для закачки, вызванное опасениями утечки или вызванной сейсмичности, застопорило проекты в некоторых областях. Надежный мониторинг и прозрачная связь необходимы для укрепления доверия.

Регуляторные и политические пробелы

Проекты в области УХУ требуют четкой правовой основы для долгосрочных обязательств, владения порами и обязательств по мониторингу. Многие страны не имеют всеобъемлющих правил в области УХУ, что создает неопределенность для инвесторов. Кроме того, непоследовательные цены на углерод сокращают возможности для захвата.

Реальные мировые проекты CCS на угольных электростанциях

Граничная плотина 3 (SaskPower, Канада)

Введенный в эксплуатацию в 2014 году, блок 3 пограничной плотины был первым в мире крупномасштабным проектом CCS после сжигания на угольной электростанции. Он захватывает около 1 миллиона тонн CO2 в год (90% выбросов блока). Улавливаемый CO2 продается для EOR на нефтяном месторождении Вейберн. Проект продемонстрировал техническую осуществимость CCS, но столкнулся с перерасходами средств и эксплуатационными проблемами, обеспечив ценные уроки для будущих проектов.

Петра Нова (NRG Energy, США)

Петра Нова была переоборудована после сжигания CCS на угольном блоке недалеко от Хьюстона, штат Техас, улавливая около 1,6 млн тонн CO2 в год для EOR. Это был крупнейший такой проект в США и успешно работал с 2017 года до законсервации в 2020 году из-за низких цен на нефть во время пандемии COVID-19. Позже он был перезапущен под новой собственностью, что подчеркивает экономическую чувствительность CCS к условиям рынка нефти.

Другие известные установки

Несколько проектов в Китае, Европе и на Ближнем Востоке находятся на разных стадиях развития. Тепловая установка Huaneng Beijing продемонстрировала мелкомасштабный блок захвата, в то время как британская электростанция Drax провела экспериментальную биоэнергетику с помощью CCS (BECCS). Глобальный институт CCS отслеживает более 30 коммерческих объектов по всему миру, причем многие сосредоточены на промышленных секторах, помимо энергетики.

Политика и экономические стимулы для внедрения CCS

Цены на углерод и кредиты

В юрисдикциях с надежными ценами на углерод, таких как Европейская система торговли выбросами (EU ETS) и калифорнийская программа ограничения и торговли, проекты CCS могут получать надбавки или кредиты, которые улучшают их финансовую жизнеспособность. Цена на углерод в размере 50-100 долларов за тонну значительно изменяет анализ затрат и выгод.

Раздел 45Q Налоговый кредит (США)

Налоговый кодекс США предусматривает налоговый кредит на каждую тонну CO2, захваченного и хранящегося геологически (85 долларов США за тонну для хранения, 60 долларов США за тонну для EOR в соответствии с Законом о сокращении инфляции 2022 года). Это вызвало волну объявлений о проектах CCS в энергетическом и промышленном секторах, что делает США мировым лидером в поддержке политики CCS.

Государственные гранты и демонстрационные программы

Национальные правительства финансировали демонстрационные проекты CCS через такие программы, как Управление по ископаемой энергии и управлению углеродом Министерства энергетики США, Фонд инфраструктуры улавливания и хранения углерода в Великобритании и инициативы Китая по низкоуглеродным инновациям. Эти средства покрывают часть капитальных затрат и снижают риск первого в своем роде развертывания.

Будущие перспективы и развитие

Снижение затрат за счет инноваций

Текущие исследования направлены на снижение энергетических штрафов и стоимости улавливания. Новые технологии включают в себя передовые растворители (например, водосберегающие амины, системы на основе ферментов), разделение мембран, криогенный захват и химическое сгорание. Цель Министерства энергетики состоит в том, чтобы снизить затраты на улавливание после сжигания до 30 долларов за тонну CO2 к 2035 году по сравнению с текущими уровнями около 50-70 долларов.

Интеграция с биоэнергетикой (BECCS)

BECCS сочетает сжигание биомассы с CCS, что приводит к чистым отрицательным выбросам CO2 - критически важный вариант для компенсации трудноизлечимых секторов. Несколько угольных заводов изучают совместное сжигание биомассы и установку CCS, таких как Drax в Великобритании. В то время как проблемы устойчивости в отношении поставок биомассы существуют, BECCS включен в большинство путей МГЭИК, чтобы ограничить глобальное потепление до 1,5 ° C.

Прямая улавливание и хранение воздуха (DACS)

Хотя технология DACS не имеет прямого отношения к угольным электростанциям, она удаляет CO2 из окружающего воздуха и хранит его. При использовании чистой энергии она может компенсировать остаточные выбросы от угольных электростанций или других источников. Такие компании, как Climeworks и Carbon Engineering, построили коммерческие установки, хотя затраты остаются высокими ($200-$600 за тонну).

Роль в декарбонизированной сети

По мере расширения возобновляемых источников энергии угольные электростанции с CCS могут работать более гибко, увеличивая мощность, когда солнечная и ветровая энергия низки, и сокращая производство в период высокой возобновляемой генерации. Эта гибкая модель CCS тестируется на пограничной плотине и в пилотных проектах. Однако долгосрочная конкурентоспособность будет зависеть от продолжающегося снижения стоимости возобновляемых источников энергии и хранения энергии, а также наличия углеродных кредитов.

Заключение

Углеродный захват и хранение не являются серебряной пулей для выбросов угольных электростанций, но это необходимый компонент реалистичных путей к глобальным чистым нулевым выбросам. Технология доказана в масштабе, способная захватывать 90% или более CO2 от сжигания угля. Она позволяет продолжать использование существующей инфраструктуры во время энергетического перехода, поддерживает надежность энергосистемы и может производить отрицательные выбросы в сочетании с биомассой. Однако широкое развертывание сталкивается с постоянными экономическими и политическими препятствиями: высокие капитальные затраты, значительный штраф за электроэнергию и необходимость надежных мест хранения и общественного признания. С более сильными ценами на углерод, расширенными стимулами, такими как кредит США в 45 кв. и текущие технологические инновации, CCS может играть расширяющуюся роль до середины века. Для стран с крупными угольными флотами интеграция CCS в операции электростанции является не просто экологическим выбором - это экономический и стратегический выбор, который балансирует декарбонизацию с энергетической безопасностью. Дорога вперед требует устойчивых инвестиций, четких правил и сотрудничества между промышленностью, правительством и сообществами, чтобы раскрыть весь потенциал этой критической технологии смягчения последствий изменения климата.

Внешние ссылки: Для дальнейшего чтения см. Глобальный институт CCS , Отчет МЭА по CCUS , Программа захвата углерода Министерства энергетики США и Специальный доклад МГЭИК о глобальном потеплении на 1,5 ° C.