Bioenergie se zachycování a ukládání uhlíku ( BECSC ) je proces extrakce bioenergie z biomasy a zachycování a ukládání uhlíku , čímž se odstraní ji z atmosféry.
Uhlík ve stromech nebo plodinách používaných pro biomasu pochází z oxidu uhličitého (CO 2), skleníkový plyn , který se během vývoje získává z atmosféry . V současné době většina BECSC v roce 2019 ukládá určité množství uhlíku a poskytuje bioenergii ve formě biopaliva , jako je ethanol . Poskytování leteckých biopaliv ke snížení dopadů letecké dopravy na klima by mohlo pomoci zmírnit změnu klimatu . Bioenergie by mohla být také použita ve formě elektřiny, a tedy většího podílu CO 2 by byly uloženy injekcí do geologických formací.
V roce 2019 využívá pět instalací po celém světě technologie BECSC a zachycuje přibližně 1,5 milionu tun (Mtpa) CO 2za rok. Pátá zpráva IPCC předpokládá negativní emise typu BECSC v rozmezí 0 až 22 giga tun .
Existují další formy zneškodňování a skladování oxidu uhličitého, včetně zalesňování , biouhlu , přímého zachycování oxidu uhličitého ze vzduchu (in) , sekvestrace oxidu uhličitého v biomase a „ nucených změn“ . Pyrogenní zachycování a skladování uhlíku, také známé jako biouhel, umožňuje dlouhodobé fixování uhlíku.
Hlavní atrakce BECSC spočívá v jeho schopnosti generovat negativní emise CO 2. Zachycování oxidu uhličitého ze zdrojů bioenergie účinně odstraňuje CO 2 atmosféry.
Bioenergie se získává z biomasy, která je obnovitelným zdrojem energie a slouží jako jímka uhlíku během svého růstu. Během průmyslových procesů spaluje nebo zpracovávána biomasa znovu uvolňuje CO 2ve vzduchu. Výsledkem procesu je tedy čistá nulová emise CO 2, i když to lze pozitivně nebo negativně změnit v závislosti na emisích uhlíku spojených s růstem, přepravou a zpracováním biomasy (viz úvahy o životním prostředí níže). Technologie zachycování a ukládání uhlíku (CCS) slouží k odposlechu uvolňování CO 2v atmosféře a přesměrovat ji na geologická úložiště. CO 2pocházející z biomasy se uvolňuje nejen z elektráren spalujících biomasu, ale také při výrobě buničiny pro výrobu papíru a při výrobě biopaliv, jako je bioplyn a bioethanol . Na tyto průmyslové procesy lze také použít technologii BECSC.
Technologie BECSC by umožnila zachycování oxidu uhličitého v geologických formacích po velmi dlouhou dobu, kdy například strom ukládá svůj uhlík pouze během své životnosti. Ve své zprávě o technologii zachycování a skladování CO 2IPCC předpovídá, že více než 99% oxidu uhličitého uloženého geologickou sekvestrací zůstane stabilní po více než 1000 let. Naopak, jiné propady uhlíku, jako je oceán, stromy a půda, mohou při vysokých teplotách zažít nepříznivé smyčky zpětné vazby.
Předpokládá se, že množství CO 2dosud uvolněné množství je příliš velké na to, aby bylo absorbováno konvenčními propady, jako jsou stromy a půda, aby splňovalo cíle snížení emisí. Kromě akumulovaných emisí budou během tohoto století zaznamenány další významné emise, a to i za nejambicióznějších scénářů snižování emisí. BECSC byl proto navržen jako technologie pro zvrácení trendu emisí a vytvoření globálního systému čistých negativních emisí, takže nejen emise, ale také absolutní množství CO 2 v atmosféře je snížena.
Zdroj | Zdroj CO 2 | Sektor |
---|---|---|
Výroba ethanolu | Fermentace biomasy, jako je cukrová třtina, pšenice nebo kukuřice uvolňuje CO 2 jako vedlejší produkt | Průmysl |
Celulózky a papírny |
|
Průmysl |
Výroba bioplynu | V procesu modernizace bioplynu CO 2 se odděluje od metanu za účelem výroby kvalitnějšího plynu | Průmysl |
Elektrárny | Spalování biomasy nebo biopaliva v parních nebo plynových generátorech uvolňuje CO 2 jako vedlejší produkt | Energie |
Tepelné elektrárny | Spalování biopaliv pro výrobu tepla uvolňuje CO 2 jako vedlejší produkt. Obvykle se používá pro dálkové vytápění | Energie |
IPCC naznačuje, že odhadované náklady na BECSC se pohybují mezi 60 a 250 dolary na tunu CO 2.
Hlavní technologie zachycování CO 2z biologických zdrojů obecně používá stejnou technologii jako zachycování oxidu uhličitého z konvenčních fosilních paliv. V zásadě existují tři různé typy technologií: opětovné spalování , předspalování a kyslíkové spalování .
Spalování kyslíkovým palivem je běžným procesem ve sklářském, cementářském a ocelářském průmyslu. Pro CSC je to také slibný technologický přístup. Hlavní rozdíl oproti konvenčnímu spalování vzduchem spočívá v tom, že palivo je spalováno ve směsi O 2 a recyklovaných spalin. O 2 je produkován jednotkou pro separaci vzduchu, která odstraňuje atmosférický N 2 z proudu oxidantu. Spaliny s vysokou koncentrací CO 2a vytváří se vodní pára, což eliminuje potřebu zařízení na zachycování po spalování. Vodní pára může být odstraněna kondenzací a je získán tok CO 2 relativně vysoké čistoty, která může být po dalším čištění a dehydrataci přečerpána do geologického úložiště.
Hlavní výzvy při implementaci BECSC metodou oxycombustion jsou spojeny se spalovacím procesem. U biomasy s vysokým obsahem těkavých látek by měla být teplota zařízení udržována na nízké hodnotě, aby se zabránilo riziku požáru a výbuchu. Proto by měla být koncentrace kyslíku zvýšena až na 27-30%.
Zachycování uhlíku před spalováním se týká procesu zachycování CO 2před výrobou energie. Často se skládá z pěti fází: výroba kyslíku, výroba syntézního plynu, oddělení CO 2, Komprese CO 2 a výroba energie. V podstatě se palivo nejprve prochází procesem zplyňování reakcí s kyslíkem pro vytvoření toku CO a H 2, nazývaný také syngas. Produkty se pak procházejí konverze vodního plynu reaktoru za vzniku CO 2a H 2. CO 2produkt bude poté zachycen a H 2, čistý zdroj, bude použit ke spalování k výrobě energie. Proces zplyňování v kombinaci s výrobou syntézního plynu se nazývá kombinovaný integrovaný zplyňovací cyklus (CCGI). Normálně by byla jako zdroj kyslíku vyžadována jednotka pro oddělování vzduchu. Výzkum však ukazuje, že při identických spalovacích plynech má zplyňování kyslíku malou výhodu oproti zplyňování vzduchu a že jejich tepelná účinnost je podobná, řádově 70%, při použití uhlí jako zdroje paliva. Použití separační jednotky vzduchu tedy není při předhoření opravdu nutné.
Biomasa je považována za palivo neobsahující síru, pokud jde o zachycení před spalováním. Stopové prvky přítomné v biomase, jako jsou K a Na, by se však mohly v systému hromadit a nakonec způsobit degradaci mechanických částí. Je proto nezbytné dále rozvíjet techniky pro oddělování těchto stopových prvků. Kromě toho po procesu zplyňování CO 2absorbuje 13% až 15,3% toku syntetického plynu v případě zdroje biomasy, zatímco u uhlí je to jen 1,7% až 4,4%. To omezuje přeměnu CO na CO 2v přechodu od plynu k vodě, a rychlost H 2 produkce se podle toho sníží. Tepelná účinnost zachycování pomocí biomasy před spalováním je však srovnatelná s tepelnou účinností uhlí, která se pohybuje kolem 62% až 100%. Některé výzkumy navíc ukázaly, že namísto použití krmiva z biomasy, jako je kejda, je použití systému suché biomasy tepelně účinnější a pohodlnější.
Kromě technologií před spalováním a spalováním kyslíku je slibnou technologií, která může být použita k extrakci emisí CO 2, spalováníbiomasa. Během procesu dochází k CO 2se po spalování biopaliva oddělí od ostatních plynů. Protože lze dodatečně vybavit některá stávající zařízení, jako jsou parní kotle nebo novější, je technologie po spalování považována za lepší volbu než technologie před spalováním. Podle amerického ministerstva zemědělství (březen 2018) by účinnost technologie přídavného spalování byla 95% pro bioenergii a zachycování a skladování uhlíku, zatímco předspalování a kyslíkové spalování mají účinnost 85% a 87,5%.
Rozvoj současných technologií po spalování k zachycování oxidu uhličitého brzdilo několik problémů. Jedním z hlavních problémů je dodatečná spotřeba energie. Pokud je kapacita jednotky malá, jsou tepelné ztráty do okolí dostatečně velké, aby to mělo mnoho negativních důsledků. Další výzvou je vypořádat se se složkami nalezenými ve spalinách z původní biomasy po spalování. Směs obsahuje velké množství alkalických kovů, halogenů, kyselin a přechodných kovů, což by mohlo mít negativní dopad na účinnost procesu. Proto musí být pečlivě navržen a využit výběr konkrétních rozpouštědel a způsob, jak s nimi zacházet.
Zdroje biomasy používané v systému BECSC zahrnují zemědělské zbytky a odpady, lesní zbytky a odpady, průmyslové a komunální odpady a energetické plodiny speciálně pěstované pro použití jako palivo. Současné projekty BECSC zachycují CO 2etanolových biorafinérií a recyklačního centra komunálního odpadu .
K dnešnímu dni existuje po celém světě 23 projektů BECSC, z nichž většina se nachází v Severní Americe a Evropě. Dnes probíhá pouze 6 projektů, které zachycují CO 2 etanolová biorafinerie a centra pro recyklaci tuhého odpadu.
5 projektů BECSS bylo zrušeno, a to buď pro nedostatek povolení, nebo pro nedostatek ekonomické životaschopnosti: projekt CCS White Rose v Selby ve Velké Británii, který by mohl zachytit přibližně 2 MtCO 2ročně ze závodu Drax a skladujte CO 2v Bunter Sandstone. Projekt skupiny Rufiji v Tanzanii plánoval zachytit kolem 5,0–7,0 MtCO 2ročně a ukládat CO 2ve slaném kolektoru. Projekt Greenville v Ohiu ve Spojených státech, který by zachytil 1 MtCO 2za rok. Projekt Wallula za 0,75 MtCO 2ročně ve Washingtonu, USA. Na závěr projekt CO 2 well v německém Ketzinu.
Illinois Carbon Capture and Storage (IL-CSC) je jedním z milníků prvního průmyslového projektu BECSC na přelomu 21. století. IL-CSC, který se nachází v Decatur, Illinois, USA, zachycuje CO 2z etanolového závodu Archer Daniels Midland (ADM). CO 2zajatý je poté vstřikován do formace hlubokého solného roztoku v Mount Simon Sandstone. IL-CSC sestává ze 2 fází, přičemž ve fázi 1 byl pilotní projekt realizovaný od listopadu 2011 do listopadu 2014 v ceně přibližně 84 milionů amerických dolarů. Během tříletého období technologie zachytila a izolovala 1 milion tun CO 2rostliny ADM ve vodonosné vrstvě. Žádný únik CO 2během této doby byla pozorována injekční oblast. Projekt je stále sledován pro budoucí použití. Úspěch 1. fáze motivoval k zavedení 2. fáze, která přináší IL-CSC (a BECSC) v průmyslovém měřítku. Je v provozu od listopadu 2017 a také využívá stejnou injekční oblast na Mount Simon Sandstone jako fáze 1. Kapitálové náklady druhé fáze jsou přibližně 208 milionů USD, což zahrnuje fond 141 milionů USD z USD od ministerstva energie. Fáze 2 má kapacitu sklizně přibližně třikrát vyšší než v případě pilotního projektu. IL-CSC může každý rok zachytit jeden milion tun CO 2. V současné době se jedná o největší projekt BECSC na světě.
Existují tři další projekty, které zachycují CO 2menšího závodu na výrobu etanolu. Například Arkalon v Kansasu v USA může zachytit 0,18-0,29 MtCO 2za rok může OCAP v Nizozemsku zachytit kolem 0,1-0,3 MtCO 2za rok a Husky Energy v Kanadě může zachytit 0,09-0,1 MtCO 2 za rok.
Kromě zachycování CO 2na výrobu etanolu, v současné době existují v Evropě dva modely určené k zachycování CO 2ze zpracování tuhého komunálního odpadu. Závod Klemetsrud v norském Oslo využívá organický komunální tuhý odpad k výrobě 175 GWh a k zachycení 315 Kt CO 2každý rok. Jako zachycovací jednotka CO 2 využívá absorpční technologii s rozpouštědlem Aker Solution Advanced Amine. ARV Duiven v Nizozemsku používá stejnou technologii, ale zachycuje méně CO 2než u předchozího modelu s produkcí 126 GWh a skladováním 50 tun CO 2 každý rok.
Nejdůležitější a nejpodrobnější technicko-ekonomické posouzení BECSC provedla v roce 2012 společnost cmcl innovations a skupina TESBiC (TechnoEconomic Study of Biomass with CSC). Tento projekt doporučuje nejslibnější soubor technologií pro výrobu energie z biomasy ve spojení se zachycováním a ukládáním uhlíku (CCS). Výsledky určují „cestovní mapu biomasy s CCS“ pro Spojené království.
Některé z environmentálních hledisek a další obavy související s rozsáhlou implementací BECSC jsou podobné těm z CCS. Velká část kritiky zachycování a skladování uhlíku je však založena na skutečnosti, že by se mohla zvýšit závislost na vyčerpatelných fosilních palivech a uhelných dolech invazivních pro životní prostředí. To není případ BECSC, protože spoléhá na obnovitelnou biomasu. BECSC však zahrnuje i další úvahy, které souvisejí s možným zvýšeným využíváním biopaliv . Produkce biomasy podléhá různým omezením udržitelnosti, jako je nedostatek orné půdy a sladké vody, ztráta biologické rozmanitosti , konkurence s produkcí potravin, odlesňování a nedostatek fosforu. Je důležité, aby se biomasa využívala způsobem, který maximalizuje energetické a klimatické výhody. Některé navrhované scénáře nasazení BECSC byly kritizovány z důvodu velmi vysoké závislosti na zvýšeném vstupu biomasy.
K provozování BECSC v průmyslovém měřítku by bylo zapotřebí velkých pozemků. Odstranit 10 miliard tun CO 2, trvalo by to 300 milionů hektarů půdy (větší než Indie). Výsledkem je, že BECSC riskuje využití půdy vhodnější pro zemědělství a produkci potravin, zejména v rozvojových zemích.
Tyto systémy mohou mít další negativní vedlejší účinky. V současné době však není nutné rozšiřovat používání biopaliv v energetických nebo průmyslových aplikacích, aby bylo možné zavést systém BECSC. Z bodových zdrojů CO 2 již dnes existují značné emise . odvozené z biomasy, kterou lze použít pro BECSC.
Zlepšení BECSC by vyžadovalo udržitelné dodávky biomasy, které neohrožují naši bezpečnost půdy, vody a potravin. Používání bioenergetických plodin jako suroviny nejenže přináší problémy s udržitelností, ale může také vyžadovat použití více hnojiv, což vede ke kontaminaci půdy a znečištění vody . Výnos plodiny navíc obecně podléhá klimatickým podmínkám, což znamená, že je obtížné kontrolovat přísun této suroviny.
Stejně jako ostatní technologie zachycování a ukládání uhlíku je jednou z výzev aplikace technologie BECSC nalezení vhodných geografických lokalit pro vybudování spalovacího zařízení a pro zachycování CO 2.zajmout. Pokud zdroje biomasy nejsou v blízkosti spalovací jednotky, transport biomasy emituje CO 2kompenzující množství CO 2zachycen systémem BECSC. BECSC také čelí technickým problémům týkajícím se účinnosti spalování biomasy. Ačkoli má každý druh biomasy jinou výhřevnost, biomasa je obecně nekvalitní palivo. Tepelná přeměna biomasy má typickou účinnost 20–27%. Uhelné elektrárny mají pro srovnání účinnost kolem 37%.
Nízká účinnost přeměny energie a dodávka energeticky náročné biomasy v kombinaci s energií potřebnou k dodávce zachytávací a skladovací jednotky CO 2 penalizuje energetický systém. To by mohlo vést k nízké účinnosti při výrobě energie a zpochybnit, zda je tento proces ve skutečnosti energeticky pozitivní.
Celosvětově se každý rok vyprodukuje 14 Gt zbytků lesů a 4,4 Gt zbytků zemědělské produkce (zejména ječmen, pšenice, kukuřice, cukrová třtina a rýže). Jedná se o významné množství biomasy, které lze spalovat za účelem generování 26 EJ ročně a umožnění emisí 2,8 Gt CO 2 .negativní přes BECSC. Využití zbytků k zachycování uhlíku poskytne venkovským komunitám sociální a ekonomické výhody. Využívání rostlinného a lesního odpadu je způsob, jak se vyhnout ekologickým a sociálním problémům BECSC.
Tuhý komunální odpadJedním z nedávno vyvinutých zdrojů biomasy je tuhý komunální odpad . Dvě továrny BECSC v současnosti používají DSM jako suroviny. Odpad z každodenního života se spaluje . Odpad se tepelně zpracovává při vysoké teplotě a teplo generované spalováním organické části odpadu se používá k výrobě elektřiny. CO 2emitované tímto procesem je zachyceno absorpcí pomocí ethylaminu . Na 1 kg spáleného odpadu 0,7 kg CO 2je extrahován. Využití pevného odpadu má také další výhody pro životní prostředí.
V současné době je na světě 200 spoluspalovacích zařízení, z toho 40 ve Spojených státech . Pilotní projekt existuje ve Francii v Cordemais . Studie prokázaly, že smícháním dřevěného uhlí a biomasy můžeme snížit množství CO 2vydáno. Koncentrace CO 2ve spalinách je důležitý pro stanovení účinnosti technologie zachycování CO 2. Koncentrace CO 2ve spalinách ze zařízení na spoluspalování je přibližně stejná jako u uhlí, přibližně 15%. To znamená, že můžeme snížit naši závislost na fosilních palivech.
Přestože spoluspalování má energetický trest, stále nabízí vyšší čistou účinnost než spalovací zařízení na biomasu. Společné spalování biomasy a uhlí vede k vyšší produkci energie s menším množstvím surovin. V současné době může moderní uhelná elektrárna o výkonu 500 MW absorbovat až 15% biomasy beze změny tepelného zařízení.
Odhaduje se, že nahrazením 25% uhlí biomasou ve stávajících elektrárnách v Číně a Spojených státech je možné snížit emise o 1 Gt ročně. Množství CO 2emitovaný zápor závisí na složení uhlí a biomasy. 10% biomasy může snížit o 0,5 Gt CO 2emisí za rok, zatímco u 16% biomasy lze dosáhnout nulových emisí. Společné spalování s 20% biomasy umožňuje negativní emise -26 kg CO 2/ MWh (od 93 kg CO 2 / MWh).
Spalování biomasy uhlí má účinnost blízkou účinnosti spalování uhlí. Spoluspalování lze snadno implementovat s nízkými náklady ve stávajících uhelných elektrárnách. Implementace zařízení na spoluspalování v globálním měřítku zůstává výzvou. Zdroje biomasy musí přísně splňovat kritéria udržitelnosti a projekt spoluspalování bude vyžadovat vládní podporu.
Přestože zařízení na spoluspalování mohou bezprostředně přispět k řešení problémů souvisejících s globálním oteplováním a změnami klimatu, problémy zůstávají. Obsah vlhkosti v biomase ovlivňuje výhřevnost spalovací komory. Kromě toho vysoce těkavá biomasa silně ovlivňuje reakční rychlost a teplotu reaktoru; zejména to může způsobit výbuch.
Může být výhodnější zvolit úplnou přeměnu uhlí na biomasu ve výrobní jednotce.
Podle Kjótského protokolu nelze projekty zachycování a ukládání uhlíku použít jako nástroj snižování emisí, který se má používat v rámci mechanismu čistého rozvoje (CDM) nebo v rámci společných prováděcích projektů . Pro zavedení těchto zařízení je zásadní uznání technologií CCS jako nástroje snižování emisí, protože pro zavedení těchto systémů neexistuje žádný jiný finanční stimul. Byly provedeny účetní studie o CSC a BECSC.
Zvláštní zpráva IPCC o klimatických změnách a pevnina varuje před nadměrným využíváním biomasy, které by konkurovaly ve velkém měřítku s využitím půdy pro potravinářské účely. Nicméně stanoví, že rozmanitější strava méně bohatá na živočišné produkty může pro tento účel uvolnit půdu.
Zvláštní zpráva IPCC o důsledků globálního oteplování o 1,5 ° C tvrdí, že všechny trajektorie vedoucí k pobytu pod 1,5 ° C zahrnovat negativní emise. Varuje však před rozsahem, v jakém mohou být tyto nezralé technologie použity, a před riziky spojenými se snižováním emisí jinde.
Některé politiky podporující využívání bioenergie, například směrnice o obnovitelných zdrojích energie (RED) a směrnice o kvalitě paliv (FQD), vyžadují, aby do roku 2020 bylo 20% celkové spotřeby energie založeno na biomase, biokapalinách a bioplynu.
V roce 2018 Výbor pro změnu klimatu doporučil, aby letecká biopaliva poskytla do roku 2050 až 10% celkové poptávky po leteckém palivu a aby všechna letecká biopaliva byla co nejdříve vyráběna pomocí CCS. Aby byla tato technologie k dispozici.
V únoru 2019 vstoupil pilot instalace BECSC do provozu v závodě Drax v North Yorkshire v Anglii . Cílem je zachytit tunu CO 2 za den z produkce spalování dřeva.
V únoru 2018 americký Kongres významně zvýšil a rozšířil daňový kredit podle § 45Q za sekvestraci uhlíku. To je jedna z priorit zastánců zachycování a sekvestrace uhlíku (CCS). Zvýšil daňovou úlevu z 25,70 USD na 50 USD za tunu CO 2pro bezpečné geologické skladování a od 15,30 do 35 USD za tunu CO 2 používá se pro lepší využití oleje.
V modelovém projektu AMPERE 2014, založeném na 8 různých modelech integrovaného hodnocení, by budoucí zavedení BECSC mělo umožnit respektování rozpočtu USA na uhlík pro scénář 2 ° C v Pařížské dohodě. V polovině XXI th století nasazení BECSC se pohybuje od 0 do 1100 Mt CO 2za rok. A na konci století se rozmístění pohybovalo od 720 do 7 500 Mt CO 2za rok, zatímco většina modelů předpovídá rozsah 1 000 až 3 000 Mt do roku 2100 výzkumná skupina Stanford University. modeloval technický potenciál BECSC ve Spojených státech v roce 2020. Podle jejich výpočtů je asi třetina potenciální produkce biomasy umístěna dostatečně blízko geologického úložiště, což umožňuje kapacitu zachycování CO 2 od 110 Mt do 120 Mt.