ΕΣΜΕΥΣΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ CO 2

Transcript

1 ΗΜΟΣΙΑ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ Α.Ε. ΕΣΜΕΥΣΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ CO 2 Νίκος Περδικάρης Χηµικός Μηχ/κός ΕΜΠ, MSc. ιεύθυνση Περιβάλλοντος Παραγωγής Σεµινάριο ΕΗ: «Τεχνολογικό δυναµικό περιορισµού εκποµπών αερίων του θερµοκηπίου υνατότητες εφαρµογής τους σε Ελληνικές Επιχειρήσεις», 24-26/06,30/06 & 01/07,Χαλκοκονδύλη 30, ΑΘΗΝΑ 0

2 έσµευση και Μεταφορά CO 2 - Περιεχόµενα Τεχνολογίες έσµευσης CO 2 έσµευση από βιοµηχανικές διεργασίες έσµευση CO 2 µετά την καύση post combustion capture έσµευση CO 2 πριν την καύση pre combustion capture Καύση σε συνθήκες καθαρού οξυγόνου - oxyfuel Μελέτες επίδρασης των τεχνολογιών δέσµευσης στη Λειτουργία Σταθµών Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας Μεταφορά CO 2 Φάση ωρίµανσης τεχνολογίας 9. Γνωστικά κενά 1

3 2

4 έσµευση CO 2 έσµευση CO 2 πριν από την καύση έσµευση CO 2 µετά την καύση Καύση σε περιβάλλον οξυγόνου έσµευση από βιοµηχανικές διεργασίες 3

5 έσµευση CO 2 από βιοµηχανικές διεργασίες (1/8) CO 2 στο φυσικό αέριο ~ 4% ΕΞΕΥΓΕΝΙΣΜΟΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Απαίτηση για µείωση της περιεκτικότητας σε 0,3-2% (διαφέρει ανάλογα µε την περιοχή). Η µείωση απαιτείται για την αύξηση της θερµογόνου του ΦΑ, για τη µείωση της απαιτούµενης ενέργειας για µεταφορά και την αποφυγή διαβρώσεων των αγωγών µεταφοράς Χρησιµοποιούµενες τεχνικές δέσµευσης: φυσικοί και χηµικοί διαλύτες ή µεβράνες Βάσει της ετήσιας παραγωγής Φ.Α και της ελάχιστης απαίτησης για µείωση σε 2% εκτιµάται ότι δεσµεύονται ~ 50MtCO2 ανά έτος Χωρίς κίνητρο έως σήµερα οι δεσµευόµενες ποσότητες CO 2 διοχετεύονταν ξανά στην ατµόσφαιρα 4

6 έσµευση CO 2 από βιοµηχανικές διεργασίες (2/8) Μόνο 2 project εξευγενισµού Φ.Α αποθηκεύουν το CO 2 : το Sleipner της Statoil στη Νορβηγία και το In Salah της BP στην Αλγερία Και στα δυο χρησιµοποιούνται ως διαλύτες διαλύµατα αλκαλοαµινών (ΜΕΑ,DEA,MDEA) Αποθηκεύονται περίπου 1MtCO 2 ανάέτοςστοκάθεένα Το επόµενο project που εγχειρήθηκε ήταν στο Snohvit της Νορβηγίας το 2006 για το δέσµευση CO 2 από LNG (απαίτηση για µείωση περιεκτικότητας CO 2 κάτω από 50ppmv). 5

7 έσµευση CO 2 από βιοµηχανικές διεργασίες (3/8) 6

8 έσµευση CO 2 από βιοµηχανικές διεργασίες (4/8) 7

9 έσµευση CO 2 από βιοµηχανικές διεργασίες (5/8) ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ ΣΙ ΗΡΟΥ ΚΑΙ ΧΑΛΥΒΑ Η παραγωγή σίδηρου µε άµεση αναγωγή σιδήρου µε υψηλό περιεχόµενο οξυγόνου (DRI-Direct Reduced Iron) γίνεται µε αντίδραση µε H 2 και CO οπότε παράγεται νερό και CO 2 (καθαρό δηλαδή CO 2 ) Νέες τεχνολογίες παραγωγής (COREX PROCESS) δηµιουργούν επίσης ένα ρεύµα νερού και CO 2 από όπου το CO 2 είναι εύκολο να αποµακρυνθεί Έχει υπολογιστεί ότι η ιδιαιτερότητα της παραγωγικής διαδικασίας σίδηρου και χάλυβα προσφέρει τη δυνατότητα για «εύκολη» δέσµευση ~ 90-95% του παραγόµενου CO 2 (IEA 2004) 8

10 έσµευση CO 2 από βιοµηχανικές διεργασίες (6/8) ΤΣΙΜΕΝΤΟΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ Εκτός από το CO 2 που παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίµων στην παραγωγική διαδικασία του τσιµέντου, CO 2 παράγεται και από την ίδια τη διαδικασία (limestone to lime CaCO 3 to CaO) Αυτή τη στιγµή το παραγόµενο CO 2 δε δεσµεύεται σε καµία βιοµηχανία τσιµέντου. Λόγω όµως της υψηλής περιεκτικότητας CO 2 στα καυσαέρια (~15-30%) παρουσιάζει πλεονέκτηµα εφαρµογής τεχνολογιών δέσµευσης µετά την καύση (post combustion capture) σε σχέση µε τηδέσµευση από τα καυσαέρια της ηλεκτροπαραγωγής (περιεκτικότητας 4-15% ανάλογα το καύσιµο) Η καύση σε περιβάλλον οξυγόνου εξετάζεται επίσης για εφαρµογή στην τσιµεντοβιοµηχανία (ΙΕΑ 1999) 9

11 έσµευση CO 2 από βιοµηχανικές διεργασίες (7/8) ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΜΜΩΝΙΑΣ Το CO 2 αποτελεί παραπροϊόν της παραγωγικής διαδικασίας παραγωγής αµµωνίας υο είδη παραγωγής:(α) Αναµόρφωση ελαφρών Η/C 85% (β) µερική οξείδωση ή αεριοποίηση βαριών H/C Methane reforming: CH4 + H2O(g) CO + 3H2 206MJ/kmol CO Shift: CO + H2O(g) CO2 + H2 + 41MJ/kmol CH4 + 2H2O(g) CO2 + 4 H2 165MJ/kmol Το CO 2 δεσµεύεται συνήθως από αµίνες Παράγονται περίπου 1,27tCO 2 /tnh 3 10

12 έσµευση CO 2 από βιοµηχανικές διεργασίες (8/8) Βάσει της ετήσιας παραγωγής αµµωνίας θεωρητικά θα ήταν διαθέσιµα ~ 130MtCO 2 για αποθήκευση ανά έτος Όµως συνήθως οι Μονάδες παραγωγής αµµωνίας συνδυάζονται µε Μονάδες παραγωγής ουρίας οι οποίες µπορούν να καταναλώσουν ~ 70 90% του παραγόµενου CO 2. Αυτή τη στιγµή δεσµεύονται και χρησιµοποιούνται σε EOR (Enhanced Oil Recovery) στις Ηνωµένες Πολιτείες ~0,7MtCO 2 ανά έτος 11

13 έσµευση CO 2 µετά την καύση (1/9) 12

14 έσµευση CO 2 µετά την καύση (2/9) Αρνητικά στοιχεία δέσµευσης από τα καυσαέρια Μικρές συγκεντρώσεις CO 2 : % vol - 14% pulverized coal 9% coal IGCC 4% NGCC Μεγάλοι όγκοι καυσαερίων Παρουσία αζώτου Χαµηλή πίεση Παρουσία άλλων ουσιών (π.χ SO 2 ) που δηµιουργούν προβλήµατα στον εξοπλισµό δέσµευσης Υψηλές απαιτήσεις σε ενέργεια Μεγάλη πτώση της απόδοσης Θετικά στοιχεία δέσµευσης από τα καυσαέρια Οι πιο ώριµες τεχνολογίες σχεδόν διαθέσιµες για εµπορική εφαρµογή σε µεγάλη κλίµακα 13

15 έσµευση CO 2 µετά την καύση (3/9) Χηµική έσµευση µε διαλύτες υνατότητες έσµευσης µετά την καύση Οι περισσότερες εφαρµογές αφορούν τη δέσµευση µε διαλύµατα αµινών (ΜΕΑ,DEA,MDEA) συνήθως υδατικό δ/µα ΜΕΑ 15-30% (µεγαλύτερες συγκεντρώσεις είναι απαγορευτικές µε τους υφιστάµενουςδιαλύτεςλόγω διαβρώσεων) έσµευση έως και 98% Καθαρότητα CO 2 έως και 99% Προβλήµατα εξασθένισης της δράσης των διαλυτών στο οξειδωτικό περιβάλλον των καυσαερίων Θερµοκρασίες δέσµευσης ο C, Θερµοκρασίες αναγέννησης ο C 14

16 έσµευση CO 2 µετά την καύση (4/9) 15

17 έσµευση CO 2 µετά την καύση (5/9) Απαίτηση για µεγάλη καθαρότητα σε SO 2, σωµατίδια και H/C To 80% των ενεργειακών απαιτήσεων της µονάδας δέσµευσης αναγέννησης απαιτείται για την αναγέννηση του διαλύτη Για την κάλυψη αυτών των αναγκών µπορεί να µειώσει τον ατµό του στροβίλου χαµηλής πίεσης σε µια µονάδα κονιορτοποιηµένου άνθρακα έως και κατά 2/3 µε µείωση του βαθµού απόδοσης κατά ποσοστιαίες µονάδες 16

18 έσµευση CO 2 µετά την καύση (6/9) Φυσική Απορρόφηση υνατότητες έσµευσης µετά την καύση Το CO 2 απορροφάται φυσικά σε έναν διαλύτη. Η δέσµευση ευνοείται σε υψηλές µερικές πιέσεις CO 2 και χαµηλές θερµοκρασίες Ηχηµική δέσµευση προτιµάται σε µεγάλους όγκους µε µικρές µερικές πιέσεις ενώ η η φυσική απορρόφηση είναι κατάλληλη για µεγάλες µερικές πιέσεις CO 2 (syngas, NG processing) Υψηλά επίπεδα καθαρότητας και δέσµευσης, χαµηλές απαιτήσεις για ενέργεια, χαµηλές θερµοκρασίες (από 60 ο C µέχρι -5,-10 ο C) VGB

19 έσµευση CO 2 µετά την καύση (7/9) υνατότητες έσµευσης µετά την καύση Προσρόφηση Προσρόφηση του CO 2 σε στερεό µε µεγάληειδικήεπιφάνειακαι εκρόφηση για την αποµάκρυνση του CO 2 υο διαθέσιµες µέθοδοι ανάλογα µε τηµέθοδο εκρόφησης PSA (Pressure Swing Adsorption) όταν η αποµάκρυνση του CO 2 γίνεται µε µείωση της πίεσης και TSA (Temperature Swing Adsorption) όταν η αποµάκρυνση του CO 2 γίνεται µε αύξησητηςθερµοκρασίας 18

20 έσµευση CO 2 µετά την καύση (8/9) υνατότητες έσµευσης µετά την καύση Κρυογενικός διαχωρισµός (cryogenic separation ή low temperature distillation) Επαναλαµβανόµενες συµπιέσεις και ψύξεις του αέριου ρεύµατος - ενεργοβόρο Χρησιµοποιείται µόνο για ρεύµατα καθαρότητας CO 2 µεγαλύτερης από 90% και συµφέρει µόνο όταν το εισερχόµενο ρεύµα είναι διαθέσιµο σε µεγάλη πίεση 19

21 έσµευση CO 2 µετά την καύση (9/9) υνατότητες έσµευσης µετά την καύση Μεµβάνες Χρησιµοποιούνται για να αποµακρυνθεί το CO 2 απότοαέριορεύµα διαπερνόντας τη µεµβράνη Μπορούν να επιτύχουν πολύ καλό διαχωρισµό έχουν όµως µεγάλες ενεργειακές απαιτήσεις, πολύπλοκες κατασκευές και κοστίζουν Ενδιαφέρον έχει παρουσιαστεί για την παράλληλη χρήση Μεµβρανών/Αµινών. Στην περίπτωση αυτή οι µεµβράνες δε χρησιµοποιούνται για διαχωρισµό αλλά για καλύτερη επαφή του υγρού διαλύτη µε το αέριο ρεύµα µειώνοντας το µέγεθος του scrubber και τις ενεργειακές απαιτήσεις της µεθόδου 20

22 έσµευση CO 2 πριν την καύση (1/2) υνατότητες έσµευσης πριν την καύση Παραγωγή καυσίµου χωρίς άνθρακα Για τον άνθρακα εφαρµόζεται αεριοποίηση µε οξυγόνοή/και ατµό και παράγεται αέριο CO,H 2,CO 2,CH 4 και Η 2 Ο Το CO και το CH 4 µετατρέπονται σε Η 2 και CO 2 µε τις αντιδράσεις CO- Shift και Methane reforming Το παραγόµενο αέριο περιέχει µόνο Η 2,CO 2 και Η 2 Ο Γιατοφυσικόαέριοεφαρµόζονται τα βήµατα CO-Shift και Methane reforming ΗαναλογίαCO 2 /H 2 στο προϊόν κυµαίνεται 15-60% (dry basis) και η πίεση είναι υψηλή 21

23 έσµευση CO 2 πριν την καύση (2/2) Οδιαχωρισµός του CO 2 γίνεται από µεθόδους που ευνοούνται από υψηλή πίεση όπως η φυσική απορρόφηση, η φυσική προσρόφηση PSA κ.α Το Η 2 καιγεται σε αεριοστρόβιλο από όπου παράγεται µόνο νερό και άζωτο Το ASU έχει µεγάλες απαιτήσεις σε ενέργεια Οι υπάρχοντες αεριοστρόβιλοι χρειάζονται µετατροπές και βελτιώσεις για να κάψουν καθαρό υδρογόνο Οι IGCC έχουν µεν εφαρµοστεί σε µεγάλη κλίµακα δεν µπορούν όµως σε καµία περίπτωση να θεωρηθούν ώριµη τεχνολογία Όλες οι άλλες απαιτούµενες τεχνολογίες είναι διαθέσιµες σε µεγάλη κλίµακα στη χηµική βιοµηχανία Εκτιµάται ότι το 2012 η τεχνολογία θα είναι έτοιµη για επίδειξη και το 2015 για scale up 22

24 Καύση σε συνθήκες καθαρού οξυγόνου oxyfuel (1/3) 23

25 Καύση σε συνθήκες καθαρού οξυγόνου oxyfuel (2/3) Επιτυγχάνεται η αποµάκρυνση του αζώτου από το σύστηµα Tο καύσιµο καίγεταιµε καθαρό οξυγόνο και παράγεται CO 2 και νερό Στη συνέχεια αποµακρύνονται οι ακαθαρσίες από τα καυσαέρια, ψύχονται για το διαχωρισµό τουco 2 απότονερόκαιτοκαθαρόco 2 αποµακρύνεται Χρειάζεται ανακυκλοφορία µέρους του CO 2 στην καύση για τη διατήρηση της θερµοκρασίας σε κανονικά επίπεδα Η απαίτηση για ASU αυξάνει το κόστος επένδυσης και λειτουργίας Η καύση µε οξυγόνο είναι ήδη διαδεδοµένη στη βιοµηχανία σίδηρου χάλυβα και υαλιού 24

26 Καύση σε συνθήκες καθαρού οξυγόνου oxyfuel (3/3) Ο κρυογενικός διαχωρισµός του αέρα για παραγωγή οξυγόνου εφαρµόζεται ήδη σε µεγάλη κλίµακα Χρειάζονται τροποποιήσεις στους υπάρχοντες λέβητες ή αεριοστροβίλους για να λειτουργήσουν σε συνθήκες καθαρού οξυγόνου Εκτιµάται ότι το 2012 η τεχνολογία θα είναι έτοιµη γιαεπίδειξηκαιτο 2015 για scale up 25

27 Reports µε σύγκριση σταθµών µε και χωρίς CO 2 capture efficiency penalties, CoE,, CO 2 avoidance cost 26

28 Reports µε σύγκριση σταθµών µε και χωρίς CO 2 capture efficiency penalties, CoE,, CO 2 avoidance cost 27

29 Reports µε σύγκριση σταθµών µε και χωρίς CO 2 capture efficiency penalties, CoE,, CO 2 avoidance cost Συνοπτικά από τη βιβλιογραφία µπορεί να εξαχθεί ότι η ένταξη τεχνολογιών δέσµευσης CO 2 µπορεί να προκαλέσει πτώση του βαθµού απόδοσης κατά 8 µε 10 µονάδες σε ανθρακικούς σταθµούς και 6 µε 12 µονάδες σε σταθµούς φυσικού αερίου Περίπου 3 µε 4 µονάδες στους ανθρακικούς σταθµούς και 2 µε τρειςµονάδες στους σταθµούς φυσικού αερίου οφείλονται στην συµπίεση του CO 2 στα 100bar για µεταφορά. Το υπόλοιπο σχετίζεται µε τηµέθοδο δέσµευσης που έχει επιλεγεί 28

30 Μελέτη ΕΜΠ/ΙΤΕΣΚ Μετασκευή ελληνικών µονάδων για δέσµευση CO 2 29

31 Μελέτη ΕΜΠ/ΙΤΕΣΚ Τεχνολογίες δέσµευσης CO 2 στην ελληνική αγορά ενέργειας

35 Τεχνολογίες δέσµευσης CO 2 στην Ευρωπαϊκή αγορά ενέργειας -1 34

36 Τεχνολογίες δέσµευσης CO 2 στην Ευρωπαϊκή αγορά ενέργειας -1 35

37 Μεταφορά (1/2) Για τη συµπίεση και µεταφορά µε αγωγούςσυνήθωςχρησιµοποιείται µια πίεση bar Για την υγροποίηση και µεταφορά µε πλοία συνήθως προτείνονται συνθήκες κοντά στο τριπλό σηµείο όπου παρουσιάζει τη µέγιστη πυκνότητα (6,5 bar & έως -52 O C). Για τις συνθήκες αυτές απαιτούνται περίπου 110kWh ανά τόνο υγρού CO 2 ξεκινώντας από τα 1,1bar 36

38 Μεταφορά (2/2) H µεταφορά του CO2, για µεγάλες ποσότητες (> µερικών εκατ. τόνων ανά έτος) και µέχρι χλµ. απόσταση γίνεται µε αγωγούς. Για µικρές ποσότητες ή για µεγαλύτερες αποστάσεις ακόµη και διασχίζοντας τη θάλασσα η µεταφορά µε τάνκερς µπορεί να είναι πιο οικονοµική. Στις ΗΠΑ η µεταφορά µε αγωγούς λειτουργεί ως ώριµη τεχνολογία. Εκεί χλµ. αγωγών µεταφέρουν >40 εκατ. Τόνους CO2ανά έτος. 37

39 Φάση ωρίµανσης τεχνολογίας 38

40 Γνωστικά κενά εν υπάρχουν ουσιαστικά γνωστικά κενά στις τεχνολογίες δέσµευσης και µεταφοράς CO 2 αφού όλες οι προτεινόµενες τεχνολογίες έχουν εφαρµοστεί λίγο ή πολύ σε µικρή ή µεγάλη έκταση Το συνολικό integration όλων των τεχνολογιών που θα συνδυαστούν και η εφαρµογή σε µεγάλη κλίµακααπαιτούνβέβαιαορισµένα χρόνια ωρίµανσης Ειδικότερα η έρευνα πρέπει να εστιάσει : στη µείωση της απαιτούµενης ενέργειας για την αναγέννηση των αµινών ή των διαλυτών γενικότερα στην καύση σε στροβίλους υδρογόνου στις συνθήκες καύσης µε καθαρό οξυγόνο και σε innovative concepts όπως το chemical looping, η χρήσηfuel cells για τη δέσµευση CO 2 κ.α 39

41 έσµευση και µεταφορά CO 2 Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας. 40