Роль улавливания и хранения углерода в сокращении выбросов на электростанциях

Роль CCS в сокращении выбросов на электростанциях

По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), без CCS достижение чистых нулевых выбросов к середине века было бы значительно сложнее и дороже, особенно для стран, которые в значительной степени полагаются на уголь и газ для базовой нагрузки электроэнергии. CCS может быть модернизирована до существующих заводов или интегрирована в новые здания, что позволяет им работать с до 90% более низкими выбросами CO2. Это особенно ценно в регионах, где развертывание возобновляемых источников энергии ограничено географией, потребностями в стабильности сети или политическими ограничениями.

Кроме того, CCS позволяет электростанциям обеспечивать диспетчерскую, надежную электроэнергию при одновременном снижении их воздействия на углерод. Это важно для балансировки сетей с высокой долей переменных возобновляемых источников энергии. В отчете CCUS IEA в Power подчеркивается, что CCS может играть ключевую роль в декарбонизации энергетического сектора, особенно в сочетании с биоэнергией (BECCS) для достижения отрицательных выбросов.

Интеграция с существующей инфраструктурой

Во многих случаях модернизация CCS существующих угольных и газовых установок является экономически эффективной стратегией по сравнению со строительством совершенно новых низкоуглеродных установок. Улавливаемый CO2 также может использоваться для повышения нефтеотдачи, что генерирует доход для компенсации затрат. Однако энергия, необходимая для эксплуатации оборудования для улавливания («энергетический штраф»), снижает чистую производительность завода, как правило, на 15-25%. Достижения в улавливающих растворителях, мембранах и интеграции процессов постепенно снижают этот штраф.

CCS Capture Technologies в деталях

Выбор технологии захвата зависит от типа электростанции, топлива и эксплуатационных требований.Существуют три основных подхода:

Постгорючий захват

Этот метод удаляет CO2 из дымового газа после сжигания топлива. Это наиболее коммерчески зрелая технология и может быть модернизирована до существующих установок с минимальными нарушениями. Химические растворители - обычно на основе амина - поглощают CO2 из дымового газа, а затем высвобождают его при нагревании. После сжигания улавливание широко используется в комбинированном цикле природного газа (NGCC) и угольных электростанциях. Недостатки включают энергию, необходимую для регенерации растворителей и необходимости больших абсорбционных вышек.

Предгорючий захват

При таком подходе топливо частично окисляется в газификаторе для получения сингаза (смесь водорода и монооксида углерода). Затем монооксид углерода реагирует с паром в смещенном реакторе для получения CO2 и большего количества водорода. СО2 отделяется перед сгоранием, оставляя топливо, богатое водородом, которое горит чисто. Улавливание перед сжиганием часто используется на установках комбинированного цикла интегрированной газификации (IGCC). Он предлагает более высокую концентрацию CO2 и более низкий штраф за улавливание энергии, но общая сложность установки больше.

Сжигание окситопливом

Вместо использования воздуха, сжигание окситоплива сжигает топливо в смеси чистого кислорода и переработанного дымового газа. Это производит дымовой газ, который в основном представляет собой CO2 и водяной пар, что делает захват простым - просто конденсирует воду. Отсутствие азота исключает образование NOx, но блок разделения воздуха, необходимый для производства чистого кислорода, потребляет значительное электричество. Технология окситоплива менее зрелая, чем после сжигания, но показывает перспективу для высокоэффективного захвата.

Каждая технология имеет свой собственный профиль затрат, влияние на эффективность и масштабируемость.Исследования, проведенные Управлением по ископаемой энергии и углеродному менеджменту Министерства энергетики США, продолжают снижать затраты и улучшать производительность за счет демонстрационных проектов и программ финансирования.

Транспорт и методы хранения

После захвата CO2 необходимо переместить на постоянное место хранения. Трубопроводы являются наиболее распространенным видом транспорта, тысячи километров уже работают в Северной Америке для повышения нефтеотдачи. Для морского хранения или на большие расстояния суда предлагают гибкость, но добавляют стоимость. Грузовики и железнодорожные перевозки используются только для небольших объемов или пилотных проектов.

Варианты геологического хранения

Обедненные нефтегазохранилища являются естественным выбором для хранения CO2, поскольку они доказали целостность и известную геологию. Глубокие солевые водоносные горизонты - пористые горные образования, заполненные рассолом - предлагают наибольшую емкость хранения во всем мире. CO2 растворяется в рассоле и со временем минерализуется в карбонатные породы, постоянно захватывая его. Мониторинг с помощью сейсмических исследований, датчиков давления и отбора грунтовых вод обеспечивает сдерживание. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) признала геологическое хранение безопасным и эффективным методом при правильном управлении.

Улучшенная рекуперация нефти (EOR)

Впрыскивание CO2 в нефтяные месторождения может вытолкнуть дополнительную сырую нефть, которая в противном случае осталась бы позади. Этот процесс, известный как CO2-EOR, генерирует доход, который компенсирует стоимость CCS. Однако критики утверждают, что EOR может продлить использование ископаемого топлива. Чистая климатическая выгода зависит от того, вытесняет ли добываемая нефть другие источники с высоким содержанием углерода и превышает ли накопленный CO2 то, что было бы выброшено при сжигании извлеченной нефти. Большинство крупномасштабных проектов CCS сегодня сопряжены с EOR.

Преимущества CCS для генерации электроэнергии

• Глубокое сокращение выбросов: CCS может снизить выбросы CO2 от электростанций на 85-95%, что делает их совместимыми с климатическими целями.
• Сохраняет существующие активы: Модернизация с помощью CCS позволяет избежать преждевременного выхода на пенсию электростанций, защищая рабочие места и энергетическую безопасность.
• Поддерживает надежность сети: Установки, оснащенные CCS, могут обеспечить гибкую, диспетчерскую мощность для дополнения переменных возобновляемых источников энергии.
• Позволяет отрицательные выбросы: В сочетании с биомассой (BECCS) CCS может удалять CO2 из атмосферы, предлагая чистые отрицательные выбросы.
• Экономические возможности: CCS создает рабочие места в машиностроении, строительстве, мониторинге и транспорте и хранении CO2.
• Передача технологий: Достижения в области CCS для электростанций могут быть применены к промышленным секторам, таким как цемент, сталь и химикаты.

Проблемы и ограничения

Несмотря на свои обещания, CCS сталкивается с серьезными препятствиями, которые необходимо преодолеть для широкого распространения.

Высокие затраты и энергетическая санкция

Капитальные затраты на оборудование для улавливания, компрессионные сооружения и транспортные трубопроводы значительны. Эксплуатационные затраты также высоки из-за энергии, необходимой для регенерации и сжатия растворителей. Энергетический штраф - обычно 15-25% от производства завода - означает, что необходимо сжигать больше топлива для доставки того же количества электроэнергии, увеличивая затраты на топливо и выбросы в атмосферу. Однако затраты снижаются по мере развития технологий. МЭА прогнозирует, что к 2030 году уравновешенная стоимость электроэнергии для установок, оснащенных CCS, может снизиться на 30-50% с развертыванием в масштабе.

Долгосрочная безопасность хранения и общественное восприятие

Хотя природные и промышленные аналоги (например, хранение природного газа) демонстрируют, что CO2 может быть безопасно захвачен в течение тысячелетий, общественная оппозиция остается препятствием. Сообщества вблизи мест хранения часто беспокоятся о вызванной сейсмичности, загрязнении подземных вод или внезапном выбросе CO2. Эффективная связь, прозрачный мониторинг и надежная нормативная база необходимы для создания доверия.

Требования к инфраструктуре

Для CCS требуется сеть трубопроводов, закачки скважин и контрольное оборудование, которого нет во многих регионах. Строительство этой инфраструктуры с нуля - это многомиллиардные инвестиции, которые зависят от четких долгосрочных политических сигналов. Отсутствие транспортной инфраструктуры CO2 часто называют основным барьером со стороны разработчиков.

Экономическая жизнеспособность без цен на углерод

В юрисдикциях с налогами на выбросы углерода или системами ограничения и торговли (например, в Европе, некоторых частях Канады и США через налоговый кредит 45Q) CCS становится более привлекательным. Закон США о сокращении инфляции расширил кредит 45Q до 85 долларов за тонну для промышленных CCS и 60 долларов для DAC, что вызвало волну новых проектов.

Ландшафт политики и глобальные инициативы

Правительства во всем мире признают необходимость применения УХУ и принимают меры по поддержке его развертывания.

Международное сотрудничество

Такие организации, как Ассоциация захвата и хранения углерода (CCSA) и Глобальный институт CCS (FLT: 2) работают над продвижением CCS посредством исследований, пропаганды и обмена знаниями. [FLT: 4] CCSA представляет интересы отрасли в Европе и за ее пределами, в то время как Глобальный институт CCS предоставляет авторитетную базу данных проектов по всему миру.

Национальная политика и стимулы

• США: Налоговый кредит в размере 45Q обеспечивает до 85 долларов США за тонну CO2, хранящегося в специальном хранилище, и 60 долларов США для EOR. Министерство энергетики профинансировало несколько крупномасштабных демонстрационных проектов.
• Европейский союз: Инновационный фонд ЕС поддерживает демонстрацию CCS, а торговая система ЕС по выбросам (ETS) обеспечивает цену на углерод, которая стимулирует захват. Несколько стран, таких как Норвегия, имеют длительные эксплуатационные проекты CCS (Sleipner, Snøhvit).
• Канада: Федеральная система ценообразования на углерод и провинциальные программы (например, Технологические инновации и сокращение выбросов Альберты) поощряют CCS. Проект пограничной плотины в Саскачеване является флагманским заводом по производству угля и сжиганию углерода.
• Китай строит несколько крупных демонстрационных установок CCS, в том числе на угольных электростанциях, в рамках своей приверженности к пиковым выбросам к 2030 году и достижению углеродной нейтральности к 2060 году.
• Австралия: Проект Gorgon LNG является одной из крупнейших в мире операций по CCS, впрыскивая CO2 в глубокий солевой водоносный горизонт на шельфе Западной Австралии.

Эти меры имеют решающее значение для устранения разрыва в стоимости и обеспечения уверенности инвесторов.

Будущее CCS: интеграция и инновации

Одна из новых тенденций - интеграция CCS с биоэнергией (BECCS) - сжигание биомассы для получения энергии и захват полученного CO2. Это может привести к отрицательным выбросам, если биомасса устойчиво поступает. В специальном докладе IPCC о глобальном потеплении на 1,5 ° C [FLT: 1]] подчеркивается, что BECCS является одной из ключевых технологий отрицательных выбросов, необходимых для достижения климатических целей. Еще одна инновация - это прямой захват воздуха (DAC), который удаляет CO2 непосредственно из атмосферы, а не из точечных источников. DAC является более дорогим, но предлагает возможность компенсации выбросов из труднодоступных секторов и устаревших выбросов.

Кроме того, улавливаемый CO2 может использоваться в качестве сырья для синтетических топлив, химических веществ, строительных материалов (например, газированных агрегатов) и даже производства продуктов питания (газированные напитки, обогащение парниковых газов). Это известно как улавливание и использование углерода (CCU). Хотя CCU не постоянно хранит CO2, если он не воплощен в продуктах с длительным сроком службы, он создает ценность, которая может компенсировать затраты на улавливание. Ожидается, что рынок продуктов на основе CO2 значительно вырастет, что обусловлено как политикой, так и потребительским спросом на товары с низким содержанием углерода.

Заключение

Улавливание и хранение углерода не является панацеей от изменения климата, но это незаменимый инструмент для сокращения выбросов от электростанций - особенно тех, которые будут продолжать работать в течение десятилетий в развивающихся странах и регионах, зависящих от ископаемого топлива. По мере совершенствования технологий улавливания и снижения затрат, CCS может быть развернута в масштабе наряду с возобновляемыми источниками энергии, ядерной и энергоэффективностью для создания действительно низкоуглеродной энергетической системы. Достижение этого потребует постоянных инвестиций, поддерживающей политики и участия общественности для решения проблем безопасности и стоимости. При правильной структуре CCS может помочь генераторам электроэнергии выполнять обязательства по сокращению выбросов при сохранении надежного электроснабжения и поддержке экономического роста. Путь от пилотных проектов к полностью интегрированной инфраструктуре CCS продолжается, и его успех жизненно важен для пригодного для жизни климатического будущего.