CCS tehnologija - Carbon Capture and Storagelab.fs.uni-lj.si/kes/goriva_in_zgorevanje/gz-predavanje-co2.pdf · Tehnologija zajemanja CO2 Metode zajemanja CO2 Tehnologija zajemanja

1

Zajemanje in shranjevanje CO2

1. Uvod

2. Tehnologije zajemana CO2

3. Stroški zajemanja CO2

4. Shranjevanje CO2

5. Transport CO2

CCS tehnologija - Carbon Capture and Storage

UVOD

• mednarodna gonilna sila v boju proti klimatskim spremembam so ZN

• UNFCCC United Nations Framework Convention on Climate Change

• 1992 Svetovna konferenca v Braziliji izhodišče za Kyoto Protocol dec. 1997

• ZDA, Rusija še vedno niso podpisale Kyotskega sporazuma

2

Kyoto Protocol

• obveza za zmanjšanje izpustov 6 toplogrednih plinov

• 2008-2012 naj bi razvite države zmanjšale izpuste povprečno za 5,2 % pod izpuste leta 1990

• EU se je obvezala za večje 8 % znižanje• protokol dovoljuje trgovanje z emisijskimi

kuponi za doseganje tega cilja

Kyoto ProtocolToplogredni plini

3

Kyoto Protocolnahajališča ogljika na zemlji

lokacija oblika 10^9 ton

sedimenti apnenec 20.000.000oceani raztopljeni bikarbonati in karbonati 40.000fosilna goriva ogljikovodiki 12.000kopno ogljikovi hidrati 1.760morja ogljikovi hidrati 580atmosfera CO2 743

Kyoto Protocol

EU si kljub določeni negotovosti protokola sočasno prizadeva tudi za:

• povečanje izkoristkov, nadkritični krožni procesi

• izrabo obnovljivih virov energije• trgovanje z emisijskimi kuponi• zajemanje in shranjevanje CO2

4

Kyoto Protocolizvori CO2 v EU-25

Uvod

• težava v primerljivosti - raznolikosti procesov• tehnično možno je doseči 100 % zajemanje

škodljivih emisij• je to racionalno glede na okolico in tveganje?

Emisija glede na vrsto goriva in tip procesa

5

810

741

619

430

348

757

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

lignit rjavi premog mazut zem. plin NGCC IGCC

emis

ija C

O2

v kg

/MW

h

Uvod

izkoristek krožnega procesa:

• lignit 45 %• r.prem. 46 %• mazut 45 %• zem. plin 47 %• NGCC 58 %• IGCC 45 %


NGCC - Natural Gas Combined Cycle

IGCC - Integrated Gasification Combined Cycle

Uvod

izkoristek odvisen od procesa, kljub temu pa je razvidno da:• z uporabo zem. plina skoraj razpolovimo emisijo CO2

• visok izkoristek CC nadalje zmanjšuje emisije CO2

• spodbujanje kogeneracije zaradi visokega skupnega termičnega izkoristka

emisija CO2 v tonah CO2 na sproščeni TJ


lignit 101,2

sub-bitumenski premog 96,1koksni premog 94,6mazut 77,4EL plinsko olje, 74,4zemeljski plin 56,1

6

Uvod

• Finančna konstrukcija: kapital, cena goriva, O&M stroški, obremenitev, razpoložljivost

• Gorivo: razpoložljivost (90% premogov se porabi doma), zanesljivost dobave in cene

• Okolje: emisije v okolje, vodo, zrak, lokalna skupnost, lokalna zakonodaja in sporazumi

• dodatno še vplivi politike, branžnih združenj, lobijev, potreb po toploti za ogrevanje, delovnih mestih,....

Vplivni faktorji na izbiro procesa in goriva

Uvod

• glede na našteto: zem. plin prva izbira• kljub temu pa obstaja veliko razlogov za

premog!• zaloge premoga bistveno večje• v EU že sedaj veliko električne energije iz

lokalnega premoga• do 2030 planirana izgradnja 550 GWe

na premog!• volatilnost cene zem. plina


7

Uvod

Zaupanje v razvoj čistih premogovih tehnologij z manjšimi emisijami, višjimi izkoristki in sprejemljivimi stroški

Preklop na zemeljski plin in višanje izkoristka premogovih procesov dolgoročno ni rešitev.

Razvoj zajemanja CO2 in shranjevanje je srednja opcija zlasti ob trgovanju in plačilu emisij.


Tehnologija zajemanja CO2

• V verigi zmanjšanja emisij CO2 –zajemanje, transport in shranjevanje, “transport že obvladujemo”

• Zajemanje najdražji del in tudi najmanj uveljavljeno

• Trenutno nekaj tovarn CO2, prve aplikacije na termoelektrarnah v 10 letih.

Uvod

8


• zajemal naj bi se plinasti CO2 iz dimnih plinov,

• končni “produkt” ukapljeni CO2 primerne čistoče za transport in shranjevanje,

• različna goriva različni postopki glede na koncentracijo CO2,

• trdna goriva je potrebno najprej upliniti

Uvod


Trenutno so v pripravi tri glavne metode:• po-zgorevalna metoda• pred-zgorevalna metoda• oxy-zgorevanje

Metode zajemanja CO2

9


Metode zajemanja CO2


Absorbcija CO2 v vodni raztopini aminov. CO2 se absorbira iz dimnih plinov, koncentrira, osuši, komprimira, ukaplji in transportira v odlagališče

amin spojina, dobljena z nadomestitvijo vodikovega atoma v amoniaku z ostankom ogljikovodika

po-zgorevalna metoda

10


• Premog se najprej uplini, sintezni-procesni plin se reformira, poveča se delež vodika, nato se CO2 absorbira.

• Vodik zgori.• CO2 se zajema pri višjih koncentracijah in

tlakih - učinkoviteje in enostavneje

pred-zgorevalna metoda


• Iz zraka se izloči dušik• zgorevanje v atmosferi kisika in CO2

• recirkulacija za nižanje temperatur v kurišču

• dimni plini, CO2 in H2O (kondenzira)

oxy-zgorevalna metoda

11


Predstavljene metode, če bodo aplicirane povzročajo znižanje izkoristka termoelektrarn za :

• 8-13 % premog• 9-12 % zemeljski plin• dodatni strošek 10-50 EUR/MWhe

slabšanje izkoristka


• tehnologija zajemanja CO2 naj bi prvenstveno bila vključena pri novih napravah

• pri obstoječih bolj kot opcija in to po-zgorevalna metoda. Pri uporabi zemeljskega plina je možna za obstoječa postrojenja tudi pred-zgorevalna metoda

aplikacije

12

Po-zgorevalna metoda

Po zgorevanju je mogoče CO2 izločiti na več načinov:

• absorbcija• adsorbcija• kriogensko (ohlajanje na zelo nizke

temperature in ukapljevanje)• polprepustne membrane

aplikacije


Izbira tehnologije odvisna od lastnosti dimnih plinov:

• temperatura• tlak• koncentracija CO2 (5-15 vol.%, suhi)• volumenski tok dimnih plinov

tehnologija

13


Kot adsorbenti se komercilano trenutno uporabljajo:• ohlajeni metanol, polietilen glikol, natrijev in

kalijev hidroksid – bolj primerni za višje tlake dimnih plinov

• materiali z velikimi aktivnimi površinami: zeoliti (natrijev ali kalcijev alumosilikat), aktivno oglje

• regeneracija z zvišanjem temperature ali znižanjem tlaka

• adsorbcijski postopki ne omogočajo velikih masnih tokov in potrebujejo dodatno energijo za regeneracijo

adsorbcija


• zahteva višjo koncentracijo CO2 da je postopek ekonomičen

• semipermeabilne membrane nova tehnologija, ki še ni za velike masne tokove

kriogenska metoda, membrane

14


• trenutno najučinkovitejša pri izločanju “razredčenega” CO2 iz dimnih plinov

• vodne raztopine amino-alkanov• mono-etanol-amin (MEA)• di-etanol-amin (DEA)• metil-di-etanol-amin (MDEA)

kemična absorbcija


• naprava obsega dva glavna elementa: absorberin regenerator

• pred priprava zahteva da se dimni plini ohladijo na ~50°C, očistijo prašnih delcev in nečistoč SOx, NOx, HCl, Hg,.., sicer se nečistoče trajno absorbirajo in povzročajo izgubo absorberja

• velika slabost je velika poraba energije za regeneracijo, temperatura okoli 120 °C, uporaba odjemne nizkotlačne pare, nato še poraba električne energije za komprimiranje

kemična absorbcija

15

Po-zgorevalna metodakemična absorbcija

absorber

regenerator


• današnje največje delujoče naprave imajo zmogljivosti pod 1000 t CO2 dnevno

• načrtujejo se absorberji premera 10-15 m s kapaciteto do 8000 t/d, odvisno od vstopne koncentracije CO2

• večje TE lahko uporabljajo paralelno več absorberjev, dnevne emisije CO2

• 500 MW premogov blok – 8900 t CO2 / d• 400 MW zem. plin – 3400 t CO2 / d

kemična absorbcija

16


• stopnja zajemanja CO2 85-95 %• čistost CO2 > 99,95 %• stopnja očiščenja in čistost CO2 odvisna od izbire

amina zahteva optimizacijo, ker ni teoretičnih omejitev

• amini – različne stopnje absorbcije (mol CO2 / mol amina), zahtevane koncentracije aminov, reakcijska entalpije, uparjalne toplote, temperatura regeneracije, korozijska aktivnost

• npr. MDEA postopek porabi manj energije kot MEA, toda stopnja reakcije precej manjša in zahteva precej večjo absorbcijsko kolono

kemična absorbcija


• MEA amini zahtevajo 3-4 GJ/t CO2

• temperaturni nivo 3-4,5 bar nasičena vodna para

• odjem pare zmanjša moč turbine za cca 20 %• vroči dimni plini povzročijo razpad aminov in

poslabšanje absorbcijskih lastnosti, maksimalna temp. 50 °C

regeneracija aminov

17


• kisik - povečuje korozijsko aktivnost aminov, nastajajo stabilne aminske soli, boljše čim manj kisika, čim nižji razmernik zraka

• SOx – reagira nepovratno v stabilne korozivne žveplove soli. Za MEA se ocenjuje, da je ceneje izločiti SOx pod 10 ppm (vol), kot nadomeščati izgubo amina

posebnosti postopka


• NOx – korozivni in degradacija aminov. Glavni problem NO2 – nastane dušikova kislina in izjemno temperaturno obstojne soli

• koncentracija NO2 < 20 ppm (vol)• leteči pepel – penjenje, obloge, korozija, erozija,

degradacija aminov• saje – pri mazutni kurjavi, “stabilizirajo -

zapacajo” amine s čemer se jim zmanjša absorbtivnost

posebnosti postopka

18


• odpadni produkti – izrabljeni amini zahtevajo uničenje v inceneratorju. Količine odpadkov še niso znane, ocenjuje se da jih bo nekaj deset do nekaj sto ton letno pri bloku moči 500 MWe

posebnosti postopka


• MEA postopki so bili razviti že pred več kot 60 leti

• odstranjevanje nezaželjenih sestavin – nečistoč H2S in CO2 iz zemeljskega plina pred transportom

• pridobivanje CO2 za nadaljno uporabo, suhi led, varjenje, pijače, konzervansi, urea,

• trenutno obratujoče komercialne naprave imajo zmogljivosti do ~40 MWe premogovega bloka

delujoče tehnologije

19

Po-zgorevalna metodadelujoče naprave

Po-zgorevalna metodaTermoelektrarna Shady Point - ZDA

20

Po-zgorevalna metodaTermoelektrarna Shady Point - ZDA


21

Po-zgorevalna metodaaplikativnost

• postrojenje se lahko doda obstoječim blokom

Pred-zgorevalna metodaosnovni princip

• ogljik se iz goriva odstrani pred zgorevanjem• pridobi se z vodikom bogato gorivo s primesjo

CO2

• koncept je uporaben za proizvodnjo vodika kot tudi električne energije

• najprej sintezni plin, CO in H2 iz zemeljskega plina z reformiranjem ali delno oksidacijo

• kataliza CO + H2O --> CO2 + H2 + 41 kJ/mol

22

Pred-zgorevalna metodaosnovni princip

• procesni plin vsebuje cca 30 % vol. CO2

• lažje – energijsko manj potratno zajemanje CO2

• parcialni tlak CO2 precej višji, ker je tlak procesnega plina 20-30 bar

• najprimernejši postopek zajema CO2 je absorbcija v topilu

Pred-zgorevalna metodaabsorbcija

• temperatura pod 60 °C, tlak do 160 bar• topila: metanol, n-metil-2 pirolidon, dimetil-

eter-polietilen-glikol, propilen-karbonat• enostavna in energijsko varčna regeneracija -

absorber se ekspandira na nižji tlak in CO2 se izloči

• proces omogoča visoko stopnjo izločanja CO2in visoko čistost CO2

23

Pred-zgorevalna metodaabsorbcija

• v primeru IGCC procesa z reformacijo CO predstavlja proces zajemanja CO2 zelo majhen delež lastne rabe energije

• glavnina lastne rabe postopka se porabi za kroženje absorberja

Oxy-zgorevanjeosnovni princip

• zgorevanje s skoraj čistim kisikom 95-99 %• s stehiometrijsko količino• dimni plini: CO2 in vodna para in še nekaj

žlahtnih plinov, SOx in NOx in O2

• recirkulacija za nižanje temperatur v kurišču

24

Oxy-zgorevanjeosnovni princip

Oxy-zgorevanjespecifičnost postopka

• modifikacija gorilnikov in ogrevalnih površin v kotlu – teoretično možno tudi za obstoječa postrojenja

• plinski krožni proces – modifikacija kompresorja, turbine, gorilnika, utilizatrja samo za novapostrojenja

• pridobivanje čistega kisika s trenutno komercilanimi potopki – kriogensko ukapljevanje zraka in frakcijska destilacija

25

Oxy-zgorevanjeparni krožni proces

• glavne komponenete že v uporabi (principielno)

• oxy-zgorevanje tudi že v uporabi v raznih talilnih procesih kjer so zahtevane visoke temperature (steklo, metalurgija)

• zmanjšanje izgub in emisij• za celotno zgorevanje v parnem kotlu

postopek še ni bil apliciran

Oxy-zgorevanjeparni krožni proces

26

Oxy-zgorevanjepridobivanje čistega kisika

• edini postopek za proizvodnjo velikih količin kisika – kriogensko – frakcijska destilacija

• zrak se komprimira na 5 bar in ohladi do temp. nasičenja na –180 °C

• poraba energije 250-270 kWh / tono O2 glede na čistost, 93% - 250 kWh/t, 99,7% - 270 kWh/t

• največja že delujoča naprava 5000 ton O2 dnevno, ustreza porabi premogovega bloka 300 MWe

postopek ukapljevanja zraka –glej Rant: Termodinamika

Oxy-zgorevanjeogrevalne površine kotla

• zgorevanje s skoraj čistim kisikom in CO2recirkulacijo – dimni plini z drugačnimi termodinamični in transportnimi lastnostmi

• spremenjeni pogoji prenosa toplote (sevanje plamena, sevanje plina, konvekcija)

• večja koncentracija CO2, H2O in SO2 poveča emisivnost (sevanje) plina

• količina recirkulacije vpliva na temperaturo plamena in hitrost dimnih plinov skozi kotel

• testi nakazujejo, da se prenos toplote intenzivira, ne zahteva večjih modifikacij ogrevalnih površin

• verjetnost žlindranja večja

27

Oxy-zgorevanjerecirkulacija in regeneracija

• kotel zahteva recirkulacijo – potreben pogonski ventilator

• potrebni dodatni prenosniki toplote za: 1) predgrevanje (uparjanje) kapljevitega kisika 2) predgrevanje napajalne vode3) kondenzacijo vodne pare v dimnih plinih

Oxy-zgorevanjenekontrolirani vdor zraka v kotel

• vdori zraka čim manjši, zrak razredčuje dimne pline in otežuje kasnejše izločanje CO2

• to je glavna ovira, da se ta postopek ne uporabi na obstoječih kotlih, ki imajo netesnosti 8-16 % (30 %)

• brez vdorov zraka je v dim. plinih dodatno samo argon, ki ga zlahka odstranimo po kondenzaciji CO2(kompresiji), ker argon ne kondenzira

• kompresija dimnih plinov porabi zato nekaj več energije, večji pa je prihranek pri pridobivanju 95 % čistosti kisika (kisik mora biti brez dušika)

28

Oxy-zgorevanjeNOx

• nastajanje NOx naj bi bilo manjše, ni dušika iz zraka za nastanek termičnih NOx

• premog 60-90 % NOx iz goriva• preizkusi kažejo na do 60 % zmanjšanje

emisije NOx pri premogu

Oxy-zgorevanjeSOx

• nastajanje SOx nespremenjeno• koncentracija SOx višja (ni dušika)• višja temperatura rosišča žveplene kisline• obstaja možnost skupnega shranjevanja

CO2 in SO2, ker imata podobne termodinamične lastnosti, ni potrebno predhodno ražveplanje

• sinergetični učinek ukapljene mešanice CO2 in SO2 še ni raziskan

29

Oxy-zgorevanjezgorevanje v lebdeči plasti

Oxy-zgorevanjekombinirani proces

• plinsko parni proces – “bottoming”• delovni plin CO2 in H2O, višji izkoristek

parni k.p.

izločanje O2

30

Oxy-zgorevanjerazni krožni procesi

• CO2 kot delovna snov s “spodnjim” parnim procesom – višji izkoristek kot navadni kombinirani proces

• CO2 nadkritični proces, spodnji kvazi kombinirani proces

• kvazi zaprti krožni procesi• izkoristek 41,1 % kvazi kombiniranega procesa pri

60 bar in vstopni temperaturi 1300 °C, vključena tudi O2 generacija in ukapljitev CO2

Oxy-zgorevanjekvazi kombinirani proces z notranjo rekuperacijo in ukapljevanjem

31

Oxy-zgorevanjeplinska turbina z membranskim generatorjem kisika

Oxy-zgorevanjetehnološki status in potrebne raziskave

• največji iziv – pridobivanje čistega kisika, kriogensko, polprepustne membrane

• absorberji, ki sproščajo kisik v kurišču• optimizacija ogrevalnih površin v kotlu, manjše

potrebne površine• dinamični procesi ob zagonu in ustavitvi še

neobdelani in neraziskani• kemijske reakcije in kinetika zgorevanja –

neraziskana• izbira materialov za novo “sestavo” dim. plinov• postavitev testnih postorjenj

32

Kondicioniranje CO2

• pred transportom in shranjevanjem potrebno komprimiranje v nadkritično področje > 73 bar

• hidrati – vsebnost vode nekaj ppm• ni še jasno katere nečistoče so lahko

prisotne s stališča tehnologije, ekologije in zakonodaje (SO2 ?)

Kondicioniranje CO2

fazni diagram

-56,3 °C

31,05 °C

33

Pregled nekaterih drugih postopkovzgorevanje v kemijski zanki

• CLC – chemical looping combustion• indirektno zgorevanje• gorivo zgoreva s “trdnim” kisikom, ki se sprošča

iz kovinskega oksida• skupna energijska bilanca celotnega procesa

enaka, kot pri zgorevanju z zrakom• potrebna dva reaktorja: oksidacijski in redukcijski• dva tokova reaktantov; osiromašeni zrak in

CO2+H2O

Pregled nekaterih drugih postopkovzgorevanje v kemijski zanki

34

Pregled nekaterih drugih postopkovzgorevanje v kemijski zanki – reaktorji z lebdečo plastjo

potencialni nosilci kisika: Fe, Ni, Co, Cu, Mn, Cd

omejena temperatura zgorevanja, nikel najvišje do 1050 °C, samo za plinasta goriva

velika

hitrost

majhna hitrost

Pregled nekaterih drugih postopkovabsorbcija z regeneracijo – suhi postopek

• suhi regenerativni absorberji• pri regeneraciji nastane tok plinov z visoko

vsebnostjo CO2

• absorberji: natrijev karbonat, kalcijev oksid (živo apno), litijevi silikati

• uporabni za pred in po zgorevalno metodo• “Ljungstrőm-ov” princip z Li4SiO4

35

Pregled nekaterih drugih postopkovabsorbcija z regeneracijo – suhi postopek

• absorbcija 450-700 °C• litijev silikat absorbira za 500 kratni

lastni volumen CO2• regeneracija nad 700 °C• izločanje CO2 iz dim. pl. je 63 %• izločeni CO2 pri regeneraciji je 99 %• za enoto 250 MWe premog – 20 m

premer, debelina 1,5 m• potrebni dovod toplote za segrevanje

cirkulacijskega CO2 je 63 MW (gorivo TNP, zem. plin), kar je ≈10 % premogove moči, oz. precej manj kot v slučaju aminske absorbcije, stopnja zajemanja nižja

predvideni stroški:

investicija 80 Mio $

obratovalnje 20 $ / tono CO2

Pregled nekaterih drugih postopkovvisoko temperaturna karbonatna zanka

apno - apnenec

36

Pregled nekaterih drugih postopkovZECA proces

• ZECA – Zero Emission Coal Alliance• premog se uplini v H2

• vmesna stopnja – z metanom bogat sintezni plin

• doda se voda in apno, CO2 se veže v apnenec, dobljeni vodik se porabi ≈½ za proces uplinjanja, druga polovica za gorivno celico

Pregled nekaterih drugih postopkovZECA proces

termodinamična analiza procesa podaja neto električni izkoristek 68,5 %, toda žal še ni visokotlačno-visokotemperaturnih gorivnih celic, trenutno je el.izkoristek okoli 39 %

37

Stroški zajemanja

• izračuni po podatkih iz raznih virov in neenakimi predpostavkami o ceni goriva, obrestni meri,... rezultati delno primerljivi

• strošek transporta in skladiščenja CO2 ni zajet v teh izračunih

• zajemanje CO2 je daleč največji strošek v primerjavi s transportom in uskladiščenjem

• rezultati v dveh skupinah; premog in zemeljski plin

Stroški zajemanjapremog, po-zgorevalna metoda

38

Stroški zajemanjapremog, pred-zgorevalna metoda

H turbina, prirejena za krožni proces kjer se kisik pridobiva z ionsko membrano

Stroški zajemanjapremog, oxy-zgorevalna metoda

39

Stroški zajemanjapremog

Stroški zajemanjazemeljski plin, po-zgorevalna metoda

40

Stroški zajemanjazemeljski plin, pred-zgorevalna metoda

Stroški zajemanjazemeljski plin, oxy-zgorevalna metoda

41

Stroški zajemanjazemeljski plin

Shranjevanje CO2

• izhodiščni problem celotnega procesa• če ni uspešnega trajnega skladiščenja je

celoten napor zaman• možnih je več načinov trajnega odlaganja

CO2

• v geološke formacije• v oceane• v obliki karbonatov

42

Shranjevanje CO2

geološke formacije

V geološkif formacijah je možnih več vrst shranjevanja:

• kot fluid v porozni kamenini• absorbcija v že prisotnem fluidu v porozni

kamenini• v obliki trdnega minerala – karbonata

Shranjevanje CO2

vrste geoloških formacij

• globoki vodonosni sloji (aquifier) – sloj porozne kamenine (pesek) ki je prepojen običajno s slano vodo, permeabilen in zatesnjen z nekim drugim vrhnjim slojem

• naftne in plinske vrtine – opuščene ali že delno izkoriščene

• neizkoriščljive plasti premoga

43

Shranjevanje CO2

vrste geoloških formacij

Shranjevanje CO2

globoki vodonosni sloj - aquifer

• CO2 se uvaja po vrtini in se raztaplja v vodi, delno pa tudi izrine vodo

• možnih je več kemičnih reakcij z okoliškim geološkim materialom

• plinsko polje Sleipner Vest (Norveška), vsebnost CO2 v zem. plinu 9 %, z aminskim postopkom zmanjšajo pod 2,5 %. CO2 odvajajo 3 km vstran v peskasto formacijo debeline 250 m in 1000 m pod morjem. Od leta 1996 vsako leto ≈1 mio. ton

44

Shranjevanje CO2

globoki vodonosni sloj – Sleipner Vest

Shranjevanje CO2


45

Shranjevanje CO2


Shranjevanje CO2

naftna in plinska polja

• izredno ekonomsko zanimivo v že delno izkoriščenih poljih

• “vtiskanje” CO2 na drugi strani izriva nafto in zemeljski plin zaradi

• višanja tlaka in nižanja viskoznosti nafte pri absorbciji CO2

• shranjevanje v opuščenih naftnih poljih primernejše od plinskih polj, ker je stopnja izčrpanja naftnih polj bisteno nižja kot plinskih

• postopek v uporabi že mnogo let,• trenutno v uporabi na 70 poljih, CO2 v začetku iz

naravnih virov, začetek 1958 v ZDA

46

Shranjevanje CO2

naftna in plinska poljaEOR – Enhanced Oil Recovery

Shranjevanje CO2

naftna in plinska poljaEOR – Enhanced Oil Recovery

47

Shranjevanje CO2


330 km cevovod, 96 % CO2, 2500 t/d, polje Weyburn v uporabi od 1954EOR pričakovani učinek 21 mio. m3

surove nafte, 15 % prvotne kapacitete

Shranjevanje CO2


48

Shranjevanje CO2

rudarsko neizkoriščljivi sloji premoga

• globoki sloji premoga, ki se ne dajo ekonomsko izkoristiti z rudarskim postopkom

• CO2 se po vrtini vtiska v sloj premoga in se v njem absorbira in pri tem

• izriva (desorbira) metan, ki se ga koristno zajema

• ECBM postopek – Enhanced Coalbed Methane

Shranjevanje CO2

rudarsko neizkoriščljivi sloji premoga

Rezultati raziskav:• za vsako adsorbirano molekulo CO2,

(teoretično dve molekuli CH4), se dejansko izžene metan v večjem razmerju 4:1 do 10:1. Razmerje odvisno od vsebnosti vode, starosti premoga, tlaka, temperature, pH sklada

• sposobnost skladiščenja odvisna tudi od poroznosti, razpok - prelomnic, že izvedenih vrtin v sklad,...

49

Shranjevanje CO2

rudarsko neizkoriščljivi sloji premoga • izvedeni testi z mešanico N2 in CO2. N2 izriva metan

stran in dopušča difuzijo še preostalega metan v premogu

• hitrejša in bolj učinkovita metoda kot samo CO2, toda pridobljenu plinu je potrebno ponovno odstraniti dušik,

• pri čistem CO2 postopku ni pomembnega mešanja metana in CO2

• izvedeni dolgotrajni testi (dolžine 20 let) kažejo, da ni nevarnosti ponovnega izbruha CO2 (saj v tem časovnem obdobju)

• ekonomski optimum pri mešanici N2/CO2

Shranjevanje CO2

v oceanih

• uskladiščen za stoletja• v globlje “mirne” hladne sloje, kjer je temperatura

občutno nižja, pod 1000 m• zadrževanje CO2 v površinskih vodah je okoli 100

let• CO2 obstaja v rahlo bazični slani vodi, pH ~8, kot

hidrogen karbonat HCO3 ~90 %, ostanek kot disociirana ogljikova kislina CO3

-2 in samo 0,2 % kot nedisociirana ogljikova kislina H2CO3

50

Shranjevanje CO2

v oceanih

• v globini pod 2600 m (temp. 2 °C) je gostota kapljevitega CO2 večja kot slane vode in se kapljeviti CO2 spusti na dno

• takšno shranjevanje trenutno še ni dopustno, ker niso raziskani vplivi na okolje in globokomorsko življenje, kakor tudi še ni mednarodne zakonodaje s tega področja

Shranjevanje CO2

v karbonatih

• v magnezijevem ali kalcijevem karbonatu• izhodiščini minerali so Mg in Ca silikati, ki jih je

potrebno predhodno termično obdelati pri 190 bar, 155 °C. Končni produkt dolomit in apnenec.

• proces energetsko izjemno potraten saj zahteva več kot 40 % pridobljene energije v elektrarni, potrebnih je 3,7 t MgO oz. 4,7 t CaO za absorbcijo 1 t ogljika

• npr. blok 1050 MWe BOA Niederaußem bi potreboval kar 66.000 t Mg oz. 88.000 t Ca silikatov dnevno!!

51

Shranjevanje CO2

BOA Niederaußem – 1050 MW, lignit

Shranjevanje CO2

ocena stroškov

52

Transport CO2

transportni sistemi

• potrebni “veliki” transportni sistemi, velik volumen, 1-2 Mt/leto pri 200 MWe

• trenutno temu ustrezajo cevovodi, v ZDA letni transport že nekaj Mt,

• naftna podjetja so pripravljena trenutno plačati med 9-18 $/tono na koncu cevovoda za EOR postopek

• cestni in železniški transport manjši, živilska industrija, nekaj 100.000 t/letno, ukapljeni CO2

Transport CO2

transportni sistemi

• cevovodi – nadkritično stanje in ne kapljevito

• gostota (nadkritičnega ali kapljevitega) ~1000 kg/m3

• prednost cevovoda – neposredni transport do konca, brez vmesnih skladišč, ki so draga in problematična, npr. na obali pred odvozom z ladjo

53

Transport CO2

varnost

• CO2 ni strupen, toda je lahko usoden pri koncentracijah nad 10 % vol. v zraku, težji od zraka, zadržuje v kotlinah, kotanjah (vodnjaki, vinske kleti,...,)

• javno mnenje pri določevanju tras cevovodov –NIMBY Not In My Back Yard, zato ne v bližini naseljenih območij

• s stališča javnega mnenja in varnosti sprejemljivejše shranjevanje v oceanih kot na celini

Transport CO2

stroški transporta pri razdalji 250 km

54

Transport CO2

razvoj transportnega sistema

1 Mt/leto

10 Mt/leto

40-300 Mt/leto

Transport CO2

cena transporta – letna količina

scenarij II – vmesno obalno skladišče, izjemno podraži postopek

1-6 €/tono

55

Transport CO2

razvojna vizija

• najugodnejša lokacija odlaganja na kopnem v bližini termoelektrarne

• kratka razdalja, majhne enote (≈1 Mt/leto) imajo nizke specifične stroške

• mogoče bodo novi pogoji zahtevali spremembo lokacij, oskrba s hladilno vodo, gorivom, elektro mrežo in transport CO2, 4 vplivni faktorji

• predvideva se, da sta elektro mreža in transport goriva zahtevnejša, kot transport CO2, zato naj bi termoelektrarne na lignit ostale v bližini rudnika, premog – železnica, elektro distribucijska mreža -izgube

Že delujoči sistemi

56

Že delujoči sistemi

Planirani sistemi

Documents

CCS tehnologija - Carbon Capture and Storagelab.fs.uni-lj.si/kes/goriva_in_zgorevanje/gz-predavanje-co2.pdf · Tehnologija zajemanja CO2 Metode zajemanja CO2 Tehnologija zajemanja