ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Σύγχρονες Τεχνολογίες Ατµοηλεκτρικών Σταθµών Ηλεκτρικής Ενέργειας Ασπρούλη Παρασκευή AEM:5319 Επιβλέπων: Βασίλειος Χατζηαθανασίου Επίκουρος καθηγητής ΑΠΘ Θεσσαλονίκη,Ιούλιος 2010

2 2

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τον Επίκουρο καθηγητή κ.βασίλειο Χατζηαθανασίου για την ευκαιρία που µου έδωσε να ασχοληθώ µε αυτό το ενδιαφέρον και σύγχρονο θέµα καθώς και για την πολύτιµη βοήθεια που µου παρείχε κατά την πορεία της εκπόνησης της διπλωµατικής αυτής. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τη µητέρα µου που µε στήριξε καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών µου. Θεσσαλονίκη,Ιούλιος 2010 Ασπρούλη Παρασκευή 3

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διπλωµατική έχει ως θέµα την αναζήτηση και αξιολόγηση των σύγχρονων τεχνολογιών Ατµοηλεκτρικών σταθµών Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΑΗΣ). Συγκεκριµένα, οι σύγχρονες τεχνολογίες που την απασχολούν είναι οι τεχνολογίες συγκράτησης και αποθήκευσης του διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) και οι τεχνολογίες καθαρής καύσης άνθρακα. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή του ενεργειακού προβλήµατος. Ο βασικότερος παράγοντας που συντελεί σήµερα στην αύξηση της θερµοκρασίας της ατµόσφαιρας της γης είναι η αύξηση της συγκέντρωσης των αερίων του θερµοκηπίου, στα οποία συµπεριλαµβάνεται και το διοξείδιο του άνθρακα. Συγκεκριµένα, παρουσιάζεται η εξέλιξη των εκποµπών αερίων του θερµοκηπίου και ειδικότερα του διοξειδίου του άνθρακα από το 1990, που αναφέρεται και ως έτος βάσης, µέχρι σήµερα. Η σταθεροποίηση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα στην ατµόσφαιρα απαιτεί τη µείωση των εκποµπών αυτού σε επίπεδο αρκετά χαµηλότερο από αυτό που εκπέµπεται σήµερα. Για αυτό το λόγο, παρουσιάζονται οι διεθνείς και εθνικές δεσµεύσεις για τη σταθεροποίηση των εκποµπών του διοξειδίου του άνθρακα στα επίπεδα του έτους βάσης και τη µείωση των εκποµπών αερίων που συµβάλλουν στο φαινόµενο του θερµοκηπίου. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές τεχνολογίες δέσµευσης, µεταφοράς και αποθήκευσης του διοξειδίου του άνθρακα σε Ατµοηλεκτρικούς σταθµούς Ηλεκτρικής Ενέργειας. Οι τεχνολογίες δέσµευσης επικεντρώνονται στο διαχωρισµό του διοξειδίου του άνθρακα από το καυσαέριο, στην καύση σε συνθήκες καθαρού οξυγόνου και στην παραγωγή καυσίµου χωρίς άνθρακα. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται µια εφαρµογή των τεχνολογιών δέσµευσης σε Ελληνικό ΑΗΣ και γίνεται µια οικονοµική αξιολόγησή τους. Επίσης, αναλύονται οι υπάρχουσες τεχνολογίες µεταφοράς και αποθήκευσης του διοξειδίου του άνθρακα, καθώς και οι ερευνητικές δραστηριότητες στον τοµέα της αποθήκευσης. Τέλος, παρουσιάζονται οι πιθανοί χώροι αποθήκευσης στον ελληνικό χώρο. Στο τρίτο κεφάλαιο, αρχικά, παρουσιάζονται οι τεχνολογίες καθαρής καύσης άνθρακα. Αυτές είναι: η τεχνολογία ατµοπαραγωγών µε υπερκρίσιµα χαρακτηριστικά ατµού, η τεχνολογία καύσης ρευστοποιηµένης κλίνης και η τεχνολογία ολοκληρωµένου συνδυασµένου κύκλου αεριοποίησης άνθρακα. Για κάθε µία από αυτές γίνεται περιγραφή της τεχνολογίας, κατάταξή της σε κατηγορίες, εάν υπάρχουν, και ανάλυση του βαθµού απόδοσής της. Επίσης, παρουσιάζεται η περιβαλλοντική επίδοση των συγκεκριµένων τεχνολογιών, οι υπάρχουσες µονάδες και οι προοπτικές εξέλιξής τους καθώς και οι περιορισµοί εφαρµογής των συγκεκριµένων τεχνολογιών. Τέλος, περιγράφεται η εφαρµογή της κάθε τεχνολογίας στην Ελλάδα. Στο τέταρτο, και τελευταίο, κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συµπεράσµατα της µελέτης των σύγχρονων τεχνολογιών που αναφέρθηκαν παραπάνω καθώς και οι προοπτικές εξέλιξής τους. 4

5 ABSTRACT The purpose of this thesis is the exploration and evaluation of modern Thermal Power Stations (TPS). Specifically, the modern technologies, that are analysed, are the Carbon Capture and Storage (CCS) technologies and the clean coal technologies. In the first chapter, the world s energy problem is described. The main reason of global warming is the increasing concentration of greenhouse gases, including carbon dioxide. More specifically, the progress of greenhouse gas emissions is presented and, particularly, the carbon dioxide emissions since 1990, which is referred as the base year. In order to stabilize the concentration of carbon dioxide in the atmosphere, it is required to reduce emissions in a lower level than the one emitted nowadays. For this reason, we present the international and national commitments that have been made in order to stabilize the carbon dioxide emissions in the levels of the base year and reduce greenhouse gases that contribute to global warming. In the second chapter, the basic technologies of capture, transportation and storage of carbon dioxide in Thermoelectrical Power Plants are presented. The Capture technologies focus on the separation of the carbon dioxide from the exhausts, on the combustion under clear oxygen conditions and on the production of carbon free fuel. Moreover, an application of carbon capture technology in a Greek TPS is described and an economic evaluation is made. Furthermore, the existing carbon transfer and storage technologies are analysed and we present the research made in the carbon storage sector. Last, but not least, we present the potential storage sites in Greece. In the beginning of the third chapter, the Clean Coal Technologies are presented. These are: the Supercritical Steam Power Plants technology, the Fluidised Bed Combustion technology and the Integrated Gasification Combined Cycle technology. For each one of them, an analytical description and an analysis of their degree performance is made. We, also, present the environmental performance, the existing units and the prospects of development, as well as the constraints in implementing of those technologies. Finally, the applications of each technology in Greek level are described. In the fourth, and last, chapter the results of this study are reported, as well as the prospects of those modern technologies. 5

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ 1.1 Ενεργειακό Πρόβληµα Εξέλιξη Εκποµπών CO Παγκόσµια Εξέλιξη Αερίων του Θερµοκηπίου Εξέλιξη Αερίων του Θερµοκηπίου σε Ευρωπαϊκό Επίπεδο Εξέλιξη Εκποµπών CO 2 στην Ελλάδα. 1.3 Εθνικές εσµεύσεις Αντιµετώπιση Ενεργειακού Προβλήµατος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΕΣΜΕΥΣΗΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ CO Βασικές Τεχνολογίες έσµευσης CO 2 σε Ατµοηλεκτρικούς Σταθµους ιαχωρισµός CO 2 από το Καυσαέριο Καύση σε Συνθήκες Καθαρού Οξυγόνου (Οxy-Fuel) Παραγωγή Καυσίµου Χωρίς Άνθρακα 2.2 Εφαρµογή Τεχνολογιών έσµευσης CO 2 σε Ελληνικό ΑΗΣ Εκτίµηση Κόστους Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας Αποτελέσµατα της Μελέτης Συµπεράσµατα Μελέτης. 2.3 Τεχνολογίες Μεταφοράς. 2.4 Τεχνολογίες Αποθήκευσης Του CO Αποθήκευση σε Ενεργούς Ταµιευτήρες Πετρελαίου Αποθήκευση σε Κενούς Ταµιευτήρες Πετρελαίου/Φυσικού Αερίου & σε Αλατούχους Υδροφόρους Ορίζοντες Μεγάλου Βάθους Αποθήκευση σε Κοιτάσµατα µη Εξορυγµένου Γαιάθρακα (ECBMR) Αποθήκευση σε Ωκεανούς Αποθήκευση µέσω Ορυκτοποίησης Ερευνητικές ραστηριότητες στον Τοµέα Αποθήκευσης CO Το Πρόγραµµα Weyburn (Αποθήκευση σε Ενεργούς Ταµιευτήρες Πετρελαίου) Το Πρόγραµµα Sacs (Aποθήκευση σε Yδροφόρο Oρίζοντα) Το Πρόγραµµα Snohvit (Yποθαλάσσια Aποθήκευση CO 2 ) Συµµετοχή της Ελλάδας σε Ερευνητικά Προγράµµατα Αποθήκευσης CO Γεωλογική Αποθήκευση του CO 2 Το Πρόγραµµα Gestco Το Πρόγραµµα Nascent Πιθανοί Χώροι Αποθήκευσης στην Ελλάδα Οικονοµική Αξιολόγηση Τεχνολογιών έσµευσης & Αποθήκευσης CO 2 σε Ατµοηλεκτρικούς Σταθµούς

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΘΑΡΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΑΝΘΡΑΚΑ 3.1 Ατµοπαραγωγοί µε Υπερκρίσιµα Χαρακτηριστικά Ατµού Περιγραφή Υπερκρίσιµου Κύκλου Ατµού Βαθµός Απόδοσης Περιβαλλοντική Επίδοση Σηµερινές Υπερκρίσιµες Μονάδες - Προοπτικές Εξέλιξης Περιορισµοί Εφαρµογής της Τεχνολογίας Οικονοµικά Στοιχεία Εφαρµογή της Τεχνολογίας στην Ελλάδα 3.2 Τεχνολογία Καύσης Ρευστοποιηµένης Κλίνης (Fluidised Bed Combustion FBC) Περιγραφή της Τεχνολογίας Καύσης Ρευστοποιηµένης Κλίνης Κατάταξη Ρευστοποιηµένων Κλινών Κυριότερα Είδη Ρευστοποιηµένων Κλινών Ρευστοποιηµένη Κλίνη Φυσαλίδων Ρευστοποιηµένη Κλίνη Ανακυκλοφορίας Ρευστοποιηµένη Κλίνη υπό Πίεση Βαθµός Απόδοσης Περιβαλλοντική Επίδοση Σηµερινές Μονάδες Ρευστοποιηµένης Κλίνης - Προοπτικές Εξέλιξης Περιορισµοί Εφαρµογής της Τεχνολογίας Οικονοµικά Στοιχεία Εφαρµογή της Τεχνολογίας στην Ελλάδα 3.3 Ολοκληρωµένος Συνδυασµένος Κύκλος Αεριοποίησης Άνθρακα (Integrated Gasification Combined Cycle IGCC) Περιγραφή της ιαδικασίας Αεριοποίησης Κατάταξη-Κατηγορίες Αεριοποιητής Σταθερής Κλίνης (Fixed Bed) Αεριοποιητής Ρευστοποιηµένης Κλίνης (Fluidised Bed) Αεριοποιητής Εξαναγκασµένης Ροής (Entrained Flow) Βαθµός Απόδοσης Περιβαλλοντική Συµπεριφορά Σηµερινές Μονάδες Ολοκληρωµένου Συνδυασµένου Κύκλου Αεριοποίησης - Προοπτικές Εξέλιξης Περιορισµοί Εφαρµογής της Τεχνολογίας Οικονοµικά Στοιχεία Εφαρµογή της Τεχνολογίας στην Ελλάδα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 o ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΓΙΑ ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ Κατάλογος Πινάκων. Κατάλογος Σχηµάτων... Βιβλιογραφία

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Σύγχρονες Τεχνολογίες Ατμοηλεκτρικών Σταθμών Ηλεκτρικής Ενέργειας ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ 8

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ 1.1 Ενεργειακό Πρόβληµα Σήµερα τα ορυκτά καύσιµα (άνθρακας, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) αποτελούν την κυρίαρχη παραγωγή πρωτογενούς ενέργειας, παρέχοντας το 80-85% αυτής. Μόνον ο άνθρακας (γαιάνθρακας, λιγνίτης, λιθάνθρακας κλπ.) καλύπτει το 25% αυτής, ενώ παράλληλα καλύπτει το 50% της ηλεκτροπαραγωγής των ΗΠΑ και το 30% της Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ). Κάθε εβδοµάδα τίθεται σε λειτουργία, κάπου στον κόσµο, µια νέα µονάδα ηλεκτροπαραγωγής που καταναλώνει άνθρακα. Η Ελλάδα βασιζόµενη στον εγχώριο λιγνίτη για ηλεκτροπαραγωγή, εξορύσσει 70 εκατοµµύρια τόνους λιγνίτη το χρόνο καλύπτοντας περίπου το 60% της παραγωγής της σε ηλεκτρική ενέργεια. Η πρόβλεψη είναι ότι παρά την όποια συµβολή και άλλων πηγών ενέργειας (πυρηνικής τεχνολογίας, ΑΠΕ κλπ.), η ηλεκτροπαραγωγή από άνθρακα θα έχει διπλασιαστεί σε διεθνές επίπεδο έως το 2030 και θα είναι διαρκώς αυξανόµενη, κατέχοντας σηµαντικό ποσοστό της παγκόσµιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας τουλάχιστον µέχρι το υστυχώς, η ηλεκτροπαραγωγή µε τη χρήση άνθρακα ευθύνεται, ως επί των πλείστων, για τις περισσότερες εκποµπές διοξειδίου του άνθρακα. Tα ορυκτά καύσιµα λοιπόν κάρβουνο, πετρέλαιο και φυσικό αέριο είναι σχεδόν σίγουρο πως θα συνεχίσουν να παίζουν σηµαντικό ρόλο στην παραγωγή ενέργειας κατά το πρώτο µισό αυτού του αιώνα, τόσο στην Ευρώπη όσο και στον υπόλοιπο κόσµο, και έτσι απαιτούνται νέες τεχνολογίες για τη µείωση των εκποµπών αερίων του θερµοκηπίου από αυτές τις πηγές. Στην τρίτη έκθεση αξιολόγησης του ιακυβερνητικού Συµβουλίου Κλιµατικών Μεταβολών (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) αναφέρεται ότι ο βασικότερος παράγοντας που συντελεί στην αύξηση της θερµοκρασίας της ατµόσφαιρας της γης είναι η αύξηση της συγκέντρωσης των αερίων του θερµοκηπίου, στα οποία συµπεριλαµβάνεται και το CO 2. Η σταθεροποίηση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα στην ατµόσφαιρα απαιτεί τη µείωση των εκποµπών αυτού σε επίπεδο αρκετά χαµηλότερο από αυτό που εκπέµπεται σήµερα. Τα µέτρα που εξετάσθηκαν είναι: µείωση της ζήτησης σε ενέργεια και αύξηση του βαθµού απόδοσης των ενεργειακών εγκαταστάσεων, αύξηση της χρήσης του φυσικού αερίου, αύξηση της χρήσης ανανεώσιµων πηγών ενέργειας και πυρηνικής ενέργειας, χρήση τεχνολογιών δέσµευσης διοξειδίου του άνθρακα και αναδάσωση. Αναλύοντας τα µέτρα που πρέπει να ληφθούν για την αντιµετώπιση του προβλήµατος, το ιακυβερνητικό Συµβούλιο Κλιµατικών Μεταβολών κατέληξε ότι κανένα µέτρο δεν είναι από µόνο του ικανό να οδηγήσει τελικά στη σταθεροποίηση της συγκέντρωσης του CO 2 στην ατµόσφαιρα. Συνεπώς, στην αναζήτηση στρατηγικής για την καταπολέµηση του προβλήµατος της αλλαγής του κλίµατος της γης προτείνεται ο συνδυασµός πολλών µέτρων. Οι επιστήµονες προειδοποιούν ότι προκειµένου να αποτρέψουµε τις κλιµατικές αλλαγές από το να λάβουν καταστροφικές διαστάσεις αυτόν τον αιώνα, οι παγκόσµιες εκποµπές διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) και άλλων αερίων του θερµοκηπίου θα πρέπει να µειωθούν κατά το ήµισυ τουλάχιστον των επιπέδων του 1990, έως το Το 1990 αναφέρεται και ως έτος βάσης, ενώ οι αντίστοιχες εκποµπές για το έτος αυτό αναφέρονται αµέσως παρακάτω. Στόχος λοιπόν αυτής της διπλωµατικής είναι η παρουσίαση των σύγχρονων τεχνολογιών που µπορούν να οδηγήσουν στην αντιµετώπιση αυτού του προβλήµατος. Αυτές είναι οι 9

10 τεχνολογίες συγκράτησης και αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα, γνωστές και ως CCS (Carbone Capture & Storage) και οι τεχνολογίες καθαρής καύσης άνθρακα (Clean Coal Technologies). 1.2 Εξέλιξη Εκποµπών CO Παγκόσµια Εξέλιξη Αερίων του Θερµοκηπίου Οι παγκόσµιες εκποµπές αερίων του θερµοκηπίου το 1990 ήταν περίπου 28 δις tco 2 eq 1, εκ των οποίων οι εκποµπές CO 2 αντιστοιχούσαν σε περισσότερο από 18,5 δις tco 2 eq. Η συγκέντρωση του CO 2 στην ατµόσφαιρα κατά την προβιοµηχανική περίοδο ήταν 280 ppmv 2 και το 2000 ήταν περίπου 370 ppmv (22,7 δις tco 2 eq). Τα αέρια του θερµοκηπίου αναµένεται να αυξηθούν σε 935 ppmv το 2100 και σύµφωνα µε τις υπάρχουσες εκτιµήσεις θα διαµορφωθεί απαίτηση µείωσης των αερίων του θερµοκηπίου στο επίπεδο των ppmv Εξέλιξη Αερίων του Θερµοκηπίου σε Ευρωπαϊκό Επίπεδο Σύµφωνα µε το στόχο του Κιότο η Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) οφείλει να µειώσει τις εκποµπές ρύπων κατά 8% σε σχέση µε τα επίπεδα του έτους βάσης (1990). Οι υφιστάµενες τάσεις, όµως, δείχνουν ότι θα επιτευχθεί µείωση µόνο 1% Εξέλιξη Εκποµπών CO 2 στην Ελλάδα εξής : Σύµφωνα µε το αναθεωρηµένο Σενάριο Αναµενόµενης Εξέλιξης για την Ελλάδα ισχύουν τα Oι συνολικές εκποµπές αερίων του θερµοκηπίου το έτος βάσης είναι 110,212 MtCO 2 eq. Το έτος 2005, οι εκποµπές αερίων του θερµοκηπίου είναι αυξηµένες κατά 29,4% ενώ οι εκποµπές CO 2 κατά 36% σε σχέση µε τα επίπεδα του έτους βάσης. Το 2010 οι εκποµπές αερίων του θερµοκηπίου αναµένεται να είναι αυξηµένες κατά 39,2% ενώ οι εκποµπές CO 2 κατά 48,1% σε σχέση µε τα επίπεδα του έτους βάσης. Το 2020 οι εκποµπές αερίων του θερµοκηπίου αναµένεται να είναι αυξηµένες κατά 57,6% ενώ οι εκποµπές CO 2 κατά 68,3% σε σχέση µε τα επίπεδα του έτους βάσης. Σύµφωνα µε έρευνα της Ρυθµιστικής Αρχής Ενέργειας (ΡΑΕ): Το έτος 2005, υπήρξε αύξηση των εκποµπών CO 2 κατά 37,5%, των εκποµπών CO 2 από τον ενεργειακό τοµέα κατά 55,4% και ειδικά των εκποµπών CO 2 από την παραγωγή ηλεκτρισµού και ατµού κατά 42,4% σε σχέση µε τα επίπεδα του έτους βάσης. Το 2010 αναµένεται αύξηση των εκποµπών CO 2 κατά 48,5%, των εκποµπών CO 2 από τον ενεργειακό τοµέα κατά 63,9% και ειδικά των εκποµπών CO 2 από την παραγωγή ηλεκτρισµού και ατµού κατά 52% σε σχέση µε τα επίπεδα του έτους βάσης. 1 tco 2eq: ισοδύναµοι τόνοι CO 2, ενιαία µονάδα µέτρησης των εκποµπών (π.χ. 1tCH 4=21 tco 2eq). 2 ppmv: µέρη ανά εκατοµµύριο κατ όγκο. Στην προκειµένη περίπτωση δείχνει τη µέση περιεκτικότητα της ατµόσφαιρας σε CO 2. 10

11 Το 2020 αναµένεται αύξηση των εκποµπών CO 2 κατά 57,8%, των εκποµπών CO 2 από τον ενεργειακό τοµέα κατά 76,4% και ειδικά των εκποµπών CO 2 από την παραγωγή ηλεκτρισµού και ατµού κατά 70,2% σε σχέση µε τα επίπεδα του έτους βάσης [3]. 1.3 Εθνικές εσµεύσεις Η παγκόσµια κοινότητα έχει δεσµευτεί µέσω της σύµβασης πλαίσιο για τις κλιµατικές µεταβολές να σταθεροποιήσει τις εκποµπές CO 2 στα επίπεδα του 1990 και µέσω του Πρωτοκόλλου του Κιότο να µειώσει τις εκποµπές αερίων που συµβάλλουν στο φαινόµενο του θερµοκηπίου κατά 5,2% έως την περίοδο σε σχέση µε τις εκποµπές του Τα όρια εκποµπών ρυθµίζονται από τις οδηγίες 2001/80/ΕΚ για τις µεγάλες εγκαταστάσεις καύσεως και 96/61/ΕΚ για την ολοκληρωµένη πρόληψη και έλεγχο της ρύπανσης. Βάσει της πρώτης ρυθµίζονται ευθέως τα όρια εκποµπών. Π.χ. για τις υφιστάµενες µονάδες τα όρια εκποµπής σωµατιδίων ορίζονται σε 100 mg/nm 3 έναντι των 150 ή 100 mg/m 3 που ίσχυε για τη χώρα µας (Π..1180/1981). Όµως, η οδηγία 2001/81/ΕΚ στα «εκτιµώντας τα ακόλουθα» (εδάφιο 8) αναφέρει πως: «Η τήρηση των οριακών τιµών εκποµπών που καθορίζονται στην παρούσα οδηγία θα πρέπει να θεωρείται ως αναγκαία, αλλά όχι ικανή συνθήκη για την συµµόρφωση ως προς τις απαιτήσεις της οδηγίας 96/61/ΕΚ που σχετίζονται µε την χρήση των βέλτιστων διαθέσιµων τεχνικών. Η συµµόρφωση αυτή ενδέχεται να απαιτεί αυστηρότερες οριακές τιµές εκποµπών, οριακές τιµές για τις εκποµπές άλλων ουσιών και για άλλα στοιχεία του περιβάλλοντος και άλλους κατάλληλους όρους». Σύµφωνα µε το νέο εγχειρίδιο αναφοράς των Βέλτιστων ιαθέσιµων Τεχνικών (Β Τ) της Ευρωπαϊκής Επιτροπής, οι εκποµπές σκόνης από υφιστάµενους θερµοηλεκτρικούς σταθµούς µε στερεά καύσιµα ισχύος από 100 έως 300 MW θα πρέπει να κυµαίνονται µεταξύ 5 25 mg/nm 3. Το όριο αυτό είναι κατά πολύ χαµηλότερο από το ανωτέρω όριο των 100 mg/nm 3 της 2001/80/ΕΚ. Αντίστοιχα όρια τίθενται για το βαθµό απόδοσης και τις εκποµπές SO 2 και ΝΟ x. Π.χ. για υφιστάµενες λιγνιτικές µονάδες ισχύος 100 έως 300 MW τα όρια SO 2 και ΝΟ x ορίζονται σε 250 και 200 mg/nm 3 αντίστοιχα. Τα αυστηρά περιβαλλοντικά όρια επιταχύνουν τη διείσδυση των νέων καθαρών τεχνολογιών άνθρακα στην ηλεκτροπαραγωγή. Σήµερα, δεν είναι δυνατόν να κατασκευαστεί στη χώρα µας µια νέα ανθρακική ή λιγνιτική µονάδα ηλεκτροπαραγωγής χωρίς να διαθέτει τεχνολογίες αποκονίωσης (ηλεκτροστατικών φίλτρων-esp ή σακόφιλτρων), αποθείωσης (FGD - Flue Gas Desulphurisation) και απονίτρωσης (DeNO x ). Σηµαντικές επενδύσεις ελέγχου των εν λόγω εκποµπών γίνονται επίσης και στις υφιστάµενες µονάδες. Λόγω αυτών των αναγκαστικών επενδύσεων, αυξάνει σηµαντικά το τίµηµα της παραγόµενης κιλοβατώρας από στερεά καύσιµα, παρά τη σηµαντική αύξηση του βαθµού απόδοσης των νέων ανθρακικών και λιγνιτικών σταθµών. Τέλος, µονάδες οι οποίες δεν συµµορφώνονται έγκαιρα µε τις ανωτέρω απαιτήσεις, οδηγούνται σταδιακά προς περιορισµένη λειτουργία, όπως προβλέπεται από την οδηγία 2001/80/ΕΚ από το 2008 και µετά. Σύµφωνα µε τη Συνθήκη του Κιότο, η Ελλάδα έχει αναλάβει την υποχρέωση να µην υπερβεί το 2010 ένα ανώτατο όριο εκποµπών διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ), το οποίο έχει καθοριστεί στο 125% των εκποµπών του Σε αντίθετη περίπτωση, προβλέπεται πρόστιµο µε κόστος 10 ευρώ για κάθε τόνο CO 2 πάνω από το καθορισµένο όριο. Ωστόσο, ήδη από το 2004 οι εκποµπές έφθασαν στο +24% [3],[20],[21]. 11

12 1.4 Αντιµετώπιση Ενεργειακού Προβλήµατος Προκειµένου να µειωθούν οι εκπεµπόµενοι ρύποι από την καύση άνθρακα έχουν αναπτυχθεί οι εξής τεχνολογίες: 1. Τεχνολογίες έσµευσης και Αποθήκευσης CO 2 2. Τεχνολογίες Καθαρής Καύσης Άνθρακα: α) Σταθµοί Υπερκρίσιµων Χαρακτηριστικών Ατµού β) Τεχνολογίες Ρευστοποιηµένης Κλίνης γ) Τεχνολογίες Συνδυασµένου Κύκλου Αεριοποίησης Άνθρακα Οι παραπάνω τεχνολογίες περιγράφονται εκτενώς στα επόµενα κεφάλαια. 12

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Σύγχρονες Τεχνολογίες Ατμοηλεκτρικών Σταθμών Ηλεκτρικής Ενέργειας ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΕΣΜΕΥΣΗΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ CO 2 13

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΕΣΜΕΥΣΗΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ CO 2 Η δέσµευση και αποθήκευση του CO 2 (CCS - Carbon Capture and Storage) περιλαµβάνει τις ακόλουθες διαδικασίες: 1. ιαχωρισµό του CO 2 από βιοµηχανικές και ενεργειακές πηγές 2. Μεταφορά σε θέση αποθήκευσης του CO 2 3. Εισπίεση στην αποθήκη (ταµιευτήρα) του CO 2 και συνεχή παρακολούθηση (monitoring) του αποθηκευµένου CO Βασικές Τεχνολογίες έσµευσης CO 2 σε Ατµοηλεκτρικούς Σταθµους Οι τεχνολογίες δέσµευσης του CO 2 στους ατµοηλεκτρικούς σταθµούς (ΑΗΣ) αναµένεται να συνεισφέρουν σηµαντικά στη µείωση του φαινοµένου του θερµοκηπίου σε παγκόσµια κλίµακα, λαµβάνοντας υπόψη ότι το παραγόµενο CO 2 από ΑΗΣ αποτελεί περίπου το 1/3 των συνολικών εκποµπών CO 2 στην ατµόσφαιρα. Οι λόγοι που αναφέρθηκαν παραπάνω δικαιολογούν την έντονη ερευνητική δραστηριότητα προς την κατεύθυνση αποµόνωσης και δέσµευσης του CO 2 σε ΑΗΣ, εφόσον έχει κριθεί αναγκαία η εφαρµογή τεχνολογιών δέσµευσης CO 2 στο πλαίσιο που προαναφέρθηκε. Οι κυριότερες εµπορικές ή υπό ανάπτυξη τεχνολογίες δέσµευσης CO 2 σε ΑΗΣ µπορούν να ταξινοµηθούν σε τρεις κατηγορίες: 1. ιαχωρισµός CO 2 από το καυσαέριο 2. Καύση σε συνθήκες καθαρού οξυγόνου 3. Παραγωγή καυσίµου που δεν περιέχει άνθρακα ιαχωρισµός CO 2 από το Καυσαέριο Οι ακόλουθες βασικές διεργασίες µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την αποµάκρυνση του CO 2 από το καυσαέριο σε µεγάλη κλίµακα: 1. Απορρόφηση: ιαχωρισµός του CO 2 µε υγρό διάλυµα σε στήλη απορρόφησης 2. Προσρόφηση: ιαχωρισµός του CO 2 µε προσρόφηση αυτού σε κάποιο στερεό 3. Μεµβράνες: ιαχωρισµός του CO 2 βάση της αρχής της διαφορετικής διαπερατότητας των αερίων διαµέσου µεµβρανών 4. Κρυογενικές Τεχνολογίες: Ψύξη ή Συµπύκνωση του CO 2 Από τις τεχνολογίες που αναφέρθηκαν παραπάνω, η απορρόφηση είναι µια ώριµη εµπορικά διαθέσιµη τεχνολογία, ενώ οι υπόλοιπες διεργασίες δεν είναι ανεπτυγµένες αρκετά ώστε να αποτελέσουν ελκυστικές εναλλακτικές λύσεις. Ανάλογα µε το αν λαµβάνει χώρα χηµική αντίδραση κατά την απορρόφηση, οι µέθοδοι αυτές κατηγοριοποιούνται σε τεχνολογίες χηµικής και φυσικής απορρόφησης. Η χηµική απορρόφηση είναι κατάλληλη για υψηλές παροχές καυσαερίων (πάνω από 14

15 150 m 3 /s) και χαµηλή µερική πίεση CO 2 (<7 bar), ενώ η φυσική απορρόφηση είναι κατάλληλη για υψηλή µερική πίεση CO 2 στο καυσαέριο (>7 bar). Στην περίπτωση εφαρµογής σε υπάρχοντα θερµοηλεκτρικό σταθµό µε καύσιµο λιγνίτη, η χηµική απορρόφηση είναι η προτιµούµενη λύση. Οι πιο γνωστοί χηµικοί διαλύτες που χρησιµοποιούνται είναι οι αλκανοαµίνες, όπως Μονοεθανολαµίνη (ΜΕΑ), ι-γλυκολαµίνη (DGA), ι-εθανολαµίνη (DEA), ι-ισοπροπυλαµίνη (DIPA), Τρι-εθανολαµίνη (TEA), Μεθυλ-δι-εθανολαµίνη (MDEA). Άλλος χηµικός διαλύτης είναι η αµµωνία [6]. Είναι γενικώς αποδεκτό ότι η πιο επιτυχηµένη τεχνική δέσµευσης CO 2 από τα καυσαέρια σε θερµοηλεκτρικούς σταθµούς είναι η µέθοδος έκπλυσης µε χηµική απορρόφηση µε µονοεθανολαµίνη. Η µέθοδος αυτή είναι δυνατό να δεσµεύσει ακόµα και το 98% του διοξειδίου του άνθρακα από το καυσαέριο και να δώσει καθαρότητα τελικού προϊόντος πάνω από 99%. Τα περισσότερα συστήµατα χρησιµοποιούν διάλυµα ΜΕΑ σε νερό µε περιεκτικότητα µόλις 15-25% κ.β. για λόγους αποφυγής δηµιουργίας συνθηκών διάβρωσης. Κατά τη λειτουργία του συστήµατος απορρόφησης CO 2, το καυσαέριο που εισέρχεται στη στήλη απορρόφησης πρέπει να µην περιέχει SO 2, O 2, υδρογονάνθρακες ή σωµατίδια. Το CO 2 απορροφάται από το υγρό διάλυµα µέσα στη στήλη απορρόφησης που λειτουργεί σε θερµοκρασία 40-60ºC. Το καυσαέριο και το υγρό διάλυµα έρχονται σε επαφή κατ αντιρροή. Το καυσαέριο, πριν την είσοδό του στη στήλη, συµπιέζεται στα 1,3 bar και εισέρχεται από το κάτω µέρος. Το διάλυµα εισέρχεται στο άνω µέρος της στήλης απορρόφησης και κατευθύνεται προς τα κάτω. Το στάδιο της αναγέννησης του πλούσιου σε CO 2 διαλύµατος πραγµατοποιείται στους ºC και υπό χαµηλή πίεση και στόχο έχει την αποµάκρυνση του CO 2 από το διάλυµα απορρόφησης. Το διάλυµα, που δεν περιέχει πλέον CO 2 και που έχει θερµανθεί, επιστρέφει στη στήλη απορρόφησης αφού αποδώσει τη θερµότητά του στο πλούσιο σε CO 2 ρεύµα του διαλύµατος. Ο περιορισµός της θερµοκρασίας της διαδικασίας αναγέννησης οφείλεται στο γεγονός ότι σε θερµοκρασίες υψηλότερες των 125ºC δηµιουργούνται συνθήκες αποσύνθεσης του διαλύµατος αλκανοαµίνης. Η απαιτούµενη θερµότητα για την αναγέννηση του διαλύµατος είναι περίπου 4 MJ/kg δεσµευµένου CO 2 και στην περίπτωση ΑΗΣ προέρχεται από αποµάστευση ατµού χαµηλής πίεσης. Λαµβάνοντας υπόψη ότι η αναγέννηση του διαλύµατος απορρόφησης πραγµατοποιείται περίπου στους 150ºC, η αποµάστευση γίνεται στα 5 bar. Σε ό,τι αφορά την απαιτούµενη ενέργεια για τη συµπίεση του καυσαερίου πριν αυτό εισέλθει στη στήλη απορρόφησης και την απαιτούµενη ενέργεια για την κυκλοφορία του διαλύµατος στο σύστηµα, αυτή ανέρχεται στα 0,11 MJ/kg δεσµευµένου CO 2. Κατά την εφαρµογή της µεθόδου χηµικής απορρόφησης σε ατµοηλεκτρικό σταθµό, η παροχή ατµού στο στρόβιλο χαµηλής πίεσης µειώνεται κατά 2/3 περίπου. Η ενέργεια που καταναλώνεται αντιστοιχεί στο 80% της συνολικής ενέργειας που απαιτεί η διαδικασία της χηµικής απορρόφησης. Τελικά, η παραγωγή ενέργειας µειώνεται κατά 20% και ο βαθµός απόδοσης του σταθµού κατά 11-14%. Για έναν τυπικό σταθµό, το ποσοστό αποµάκρυνσης για οικονοµική λειτουργία του συστήµατος, όταν η περιεκτικότητα του καυσαερίου σε CO 2 είναι 3%, είναι 85%, ενώ για περιεκτικότητα 8% αυτό είναι 90-92% [5],[30] Καύση σε Συνθήκες Καθαρού Οξυγόνου (Οxy-Fuel) Η τεχνολογία καύσης σε συνθήκες καθαρού οξυγόνου βασίζεται στο γεγονός ότι όταν η καύση του λιγνίτη, των υδρογονανθράκων ή του συνθετικού αερίου πραγµατοποιείται µε καθαρό οξυγόνο, το παραγόµενο καυσαέριο περιέχει κυρίως διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Με ψύξη των 15

16 καυσαερίων, το Η 2 Ο που περιέχεται στο καυσαέριο συµπυκνώνεται και παράγεται σχεδόν καθαρό αέριο CO 2. Στη συνέχεια, αυτό συµπιέζεται και µεταφέρεται στην τοποθεσία αποθήκευσης. Η µέθοδος αυτή µπορεί να εφαρµοσθεί σε ατµοηλεκτρικούς σταθµούς, αεριοστρόβιλους και σταθµούς συνδυασµένου κύκλου µε καύσιµο φυσικό αέριο ή ακόµα και σε συστήµατα συνδυασµένου κύκλου µε αεριοποίηση 3. Επίσης, µπορεί να εφαρµοσθεί για οποιοδήποτε ορυκτό καύσιµο (λιγνίτη, πετρέλαιο ή φυσικό αέριο). Για την παραγωγή του οξυγόνου είναι απαραίτητη η µονάδα διαχωρισµού του αέρα (Air Separation Unit, ASU). Η κρυογενική µέθοδος είναι η πιο κατάλληλη τεχνολογία για το διαχωρισµό του αζώτου από τον αέρα. Τα στάδια της κρυογενικής µεθόδου διαχωρισµού του αέρα είναι τα ακόλουθα: 1. Συµπίεση του αέρα µε ενδιάµεσες ψύξεις. Το επίπεδο συµπίεσης είναι περίπου 5,5 bar και προτείνονται τα ακόλουθα στάδια συµπίεσης: 1,013-1,53 bar, 1,53-2,35 bar, 2,35-3,6 bar και 3,6-5,5 bar και οι ενδιάµεσες ψύξεις είναι στους 25 ºC. 2. Ψύξη του αέρα περίπου στους 11,5 ºC. 3. Αποµάκρυνση της υγρασίας και άλλων σωµατιδίων µε τη µέθοδο της προσρόφησης. 4. Υγροποίηση του αέρα (-180 ºC). 5. Αποµάκρυνση του αζώτου σε στήλη απόσταξης. Η διαδικασία διαχωρισµού του αέρα είναι δυνατό να καταναλώσει έως και το 15% της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας του σταθµού. Η καθαρότητα του οξυγόνου παρουσιάζει σηµαντική επίδραση όσον αφορά την κατανάλωση ισχύος από τη µονάδα διαχωρισµού του αέρα. Η καθαρότητα που µπορεί να επιτύχει η κρυογενική µονάδα διαχωρισµού του αέρα είναι έως και 99,7%. Για καθαρότητα οξυγόνου µικρότερη του 95%, η κατανάλωση ισχύος µειώνεται, καθώς το επίπεδο της απαιτούµενης συµπίεσης του αέρα µειώνεται. Από την άλλη µεριά, για καθαρότητα οξυγόνου πάνω από 97%, η κατανάλωση ισχύος αυξάνεται απότοµα, γιατί σε αυτή την περίπτωση πρέπει να διαχωριστεί και το αργό. Η βέλτιστη επιλογή για την καθαρότητα του οξυγόνου που παράγεται από τη µονάδα διαχωρισµού είναι 95%. Η καύση µε καθαρό οξυγόνο οδηγεί σε πολύ υψηλή θερµοκρασία καύσης στην εστία. Για να µειωθεί η θερµοκρασία αυτή, ένα µέρος του καυσαερίου ανακυκλοφορεί στο θάλαµο καύσης. Στην περίπτωση εφαρµογής της τεχνολογίας καύσης µε οξυγόνο σε ήδη υπάρχοντα σταθµό, τόσο η θερµοκρασία όσο και η παροχή του καυσαερίου πρέπει να κυµαίνονται στα επίπεδα της συµβατικής καύσης µε αέρα. Αναφέρεται ότι κατά την εφαρµογή της τεχνολογίας σε λέβητα µεγάλης εγκατάστασης παραγωγής ενέργειας, περίπου τα 2/3 της παροχής του καυσαερίου στην έξοδο της εστίας πρέπει να ανακυκλοφορούν. Η διαχείριση του ρεύµατος καυσαερίου που αποµακρύνεται από το λέβητα έχει τα ακόλουθα στάδια : 1. Ψύξη του καυσαερίου για αποµάκρυνση του µεγαλύτερου µέρους του νερού. 2. Συµπίεση, ώστε το καυσαέριο να µεταβεί στην υγρή φάση. 3. Αφύγρανση µε γλυκόλη τριεθυλενίου (TEG - Tri-Ethylene Glycol) για την αποµάκρυνση του νερού που έχει αποµείνει, µε σκοπό την αποφυγή της διάβρωσης κατά τη µεταφορά. 4. Περαιτέρω ψύξη του προϊόντος. 5. Αποµάκρυνση των συστατικών που δεν έχουν συµπυκνωθεί, όπως N 2, O 2 και Ar. 6. Συµπίεση µέχρι το σηµείο που απαιτείται για τη µεταφορά του προϊόντος. 3 Ο συνδυασµένος κύκλος µε αεριοποίηση περιγράφεται εκτενώς στο κεφάλαιο 3 16

17 Η καθαρότητα του οξυγόνου καθώς και η εισαγωγή αέρα στο λέβητα είναι δυνατό να µειώσουν την ικανότητα αποµάκρυνσης του διοξειδίου του άνθρακα που παράγεται κατά την καύση [6] Παραγωγή Καυσίµου Χωρίς Άνθρακα Σύµφωνα µε αυτή την τεχνολογία, ο άνθρακας αποµακρύνεται από το καύσιµο πριν αυτό οδηγηθεί για καύση. Στην τυπική διαδικασία του συνδυασµένου κύκλου µε αεριοποίηση (IGCC), που περιγράφεται αναλυτικά στο κεφάλαιο 3, το στερεό καύσιµο κονιορτοποιείται και διαλύεται σε νερό. Στη συνέχεια, το διάλυµα θερµαίνεται µε οξυγόνο ή αέρα στους 1300 Κ περίπου και παράγεται ένα αέριο µίγµα που αποτελείται κυρίως από υδρογονάνθρακες και µονοξείδιο του άνθρακα. Ακολουθεί αντίδραση µετατροπής του µονοξειδίου του άνθρακα σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Η αντίδραση αυτή είναι εξώθερµη. Το αέριο καύσιµο που τελικά παράγεται περιέχει Η 2 και CO 2. Λόγω της υψηλής µερικής πίεσης του CO 2 στο αέριο µίγµα, η µέθοδος της φυσικής απορρόφησης αποτελεί µια πιθανή λύση για το διαχωρισµό του CO 2 από το Η 2 στο αέριο καύσιµο. Μεµβράνες διαχωρισµού του Η 2 µπορούν επίσης να χρησιµοποιηθούν. Μια άλλη µέθοδος για την αποµάκρυνση του άνθρακα από το καύσιµο, που βασίζεται στην ίδια κύρια µεθοδολογία που προαναφέρθηκε, είναι η ταυτόχρονη πραγµατοποίηση των τριών αντιδράσεων, και συγκεκριµένα της αεριοποίησης, της µετατροπής του CO και της αποµάκρυνσης του CO 2. Οι αντιδράσεις αυτές πραγµατοποιούνται υπό τις ίδιες συνθήκες στον ίδιο αντιδραστήρα. Κατά τη συνήθη διαδικασία, η αεριοποίηση λαµβάνει χώρα στους 1273 Κ, ενώ η αντίδραση µετατροπής του CO σε CO 2 στους 673 Κ. Η δέσµευση CO 2 µε CaO είναι ενδεικνυόµενη µέθοδος και πραγµατοποιείται στους 1100 Κ. ύο κλίνες µπορούν να χρησιµοποιηθούν, η µία για την αεριοποίηση του καυσίµου, τη µετατροπή του CO και τη δέσµευση του CO 2 και η άλλη για την αναγέννηση του παραγόµενου CaCO 3 προς CaO. Το πλούσιο σε Η 2 παραγόµενο καύσιµο εξέρχεται από τον πρώτο αντιδραστήρα ενώ το CO 2 από τον δεύτερο. Σε αυτή τη διεργασία αναµένεται µείωση της κατανάλωσης ισχύος της τάξης του 20-25%, σε σχέση µε τη συνήθη διαδικασία παραγωγής καυσίµου χωρίς άνθρακα. Οι τεχνικές που προαναφέρθηκαν βρίσκουν εφαρµογή και για το φυσικό αέριο, µόνο που αντί για την αντίδραση της αεριοποίησης λαµβάνει χώρα η αντίδραση της διάσπασης του µεθανίου σε Η 2 και CO παρουσία Η 2 Ο. Συνεπώς, οι τεχνολογίες δέσµευσης CO 2 διακρίνονται ανάλογα µε το στάδιο της διεργασίας στο οποίο αποµονώνεται το CO 2 στις εξής τεχνολογίες: α) Τεχνολογίες δέσµευσης µετά την καύση: το CO 2 διαχωρίζεται από ένα αέριο µίγµα αζώτου Ν 2 και Ο 2. Η πρακτική που χρησιµοποιείται συνήθως είναι ο διαχωρισµός µε χηµική απορρόφηση µε χρήση αµινών σε στήλες απορρόφησης - αναγέννησης. Άλλες πρακτικές που µπορούν να χρησιµοποιηθούν (διαχωρισµός µε µεµβράνες) βρίσκονται στα πρώτα στάδια της ανάπτυξης τους. β) Τεχνολογίες δέσµευσης πριν από την καύση: εδώ το CO 2 αποµονώνεται από αέριο µίγµα πλούσιο σε Η 2, προϊόν αεριοποίησης άνθρακα ή αναµόρφωσης φυσικού αερίου σε υψηλή πίεση (15-40 bar). Εδώ, η επικρατέστερη τεχνική είναι ο διαχωρισµός από το κυρίως ρεύµα µε διάφορες εναλλακτικές, όπως φυσική απορρόφηση, απορρόφηση µε εναλλαγή πίεσης κ.τ.λ. γ) Καύση µε υψηλή συγκέντρωση O 2 / CO 2 : η τεχνολογία αυτή βασίζεται στο διαχωρισµό του N 2 από τον αέρα καύσης και στην καύση µε O 2 αντί για αέρα, έχοντας ως αποτέλεσµα καυσαέριο που αποτελείται από CO 2 και Η 2 Ο. Σηµαντική προσπάθεια καταβάλλεται στην ανάπτυξη καινοτόµων εφαρµογών δέσµευσης CO 2, όπως η καύση µε το Μηχανισµό Χηµικής Ανάδρασης (Chemical Looping Combustion), η οποία στηρίζεται στην χρήση οξειδίων διαφόρων µετάλλων τα οποία χρησιµοποιούνται ως φορείς 17

18 οξυγόνου και µεταφέρουν οξυγόνο από τον αέρα καύσης στο καύσιµο. Στο παρακάτω σχήµα φαίνονται οι τρεις µηχανισµοί δέσµευσης του διοξειδίου του άνθρακα [3],[4],[5],[6],[9]. Σχήµα 1:Μηχανισµοί δέσµευσης του του διοξειδίου του άνθρακα 2.2 Εφαρµογή Τεχνολογιών έσµευσης CO 2 σε Ελληνικό ΑΗΣ Σε µελέτη που έγινε µε θέµα τη δέσµευση CO 2 στον τοµέα της ηλεκτροπαραγωγής από λιγνίτη και φυσικό αέριο [5], προσοµοιώθηκε συµβατικός λιγνιτικός ατµοηλεκτρικός σταθµός µεικτής ισχύος 330 MW el καθώς και η δυνατότητα µετατροπής µε τεχνολογίες δέσµευσης µε αµίνη και καύσης σε συνθήκες καθαρού οξυγόνου. Ο ΑΗΣ αποτελείται από ατµολέβητα υπερκρίσιµων χαρακτηριστικών, ατµοστρόβιλο τριών σταδίων πίεσης και προθέρµανση του τροφοδοτικού νερού από 8 προθερµαντές ατµού. Το καυσαέριο κατά την έξοδό του από τον λέβητα διέρχεται από τον προθερµαντή αέρα και τα ηλεκτροστατικά φίλτρα και οδηγείται σε µονάδα αποθείωσης. Τα κύρια λειτουργικά χαρακτηριστικά του ατµοηλεκτρικού σταθµού καθώς και τα αποτελέσµατα των προσοµοιώσεων παρουσιάζονται στον ακόλουθο πίνακα. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα, το κόστος των τεχνολογιών δέσµευσης CO 2 σε ότι αφορά τη µείωση του βαθµού απόδοσης των µονάδων είναι σηµαντικό. Για την εξεταζόµενη διαµόρφωση του ΑΗΣ, η εφαρµογή της τεχνολογίας καύσης σε περιβάλλον οξυγόνου µειώνει το βαθµό απόδοσης κατά περίπου 10,3 εκατοστιαίες µονάδες, ενώ η έκπλυση του καυσαερίου µε αµίνες κατά 11,6. 18

19 Πίνακας 2.1: Αποτελέσµατα Προσοµοίωσης ΑΗΣ Εκτίµηση Κόστους Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας Στην ανάλυση που ακολουθεί γίνεται εκτίµηση του κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για τις ακόλουθες τεχνολογίες: 1. Συµβατικός σταθµός µε καύσιµο λιγνίτη 2. Συµβατικός σταθµός µε καύσιµο λιγνίτη και δέσµευση CO 2 µε έκπλυση µε αµίνες 3. Συµβατικός σταθµός µε καύσιµο λιγνίτη και δέσµευση CO 2 µε καύση µε καθαρό O 2 4. Σταθµός µε καθαρές τεχνολογίες άνθρακα 4 (υπερκριτικός) 5. Συνδυασµένος κύκλος µε φυσικό αέριο 6. Συνδυασµένος κύκλος µε αεριοποίηση λιγνίτη Οι παραδοχές που αφορούν κάθε είδος τεχνολογίας προς αξιολόγηση δίνονται στον ακόλουθο πίνακα. 4 Περιγράφονται εκτενώς στο Κεφάλαιο 3 19

20 Πίνακας 2.2: Ειδικές Παραδοχές Αποτελέσµατα της Μελέτης Για τις διάφορες τεχνολογίες εξετάσθηκε το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και η ανάλυση του κόστους αυτού. Σε ότι αφορά το σταθερό κόστος, σε αυτό συµπεριλαµβάνονται η απόσβεση του κεφαλαίου που επενδύθηκε για την κατασκευή της µονάδας καθώς και τα κόστη συντήρησης και λειτουργίας. Η µονάδα συνδυασµένου κύκλου µε φυσικό αέριο παρουσιάζει το χαµηλότερο σταθερό κόστος καθώς το απαιτούµενο κεφάλαιο για την κατασκευή της είναι χαµηλό. Αντίθετα, λόγω του υψηλού κόστους επένδυσης και του υψηλού κόστους συντήρησης και λειτουργίας των µονάδων που ενσωµατώνουν δέσµευση του διοξειδίου του άνθρακα, καθώς και των µονάδων συνδυασµένου κύκλου µε αεριοποίηση άνθρακα, το σταθερό κόστος επιβαρύνει σηµαντικά το κόστος της παραγόµενης kwh. Στο µεταβλητό κόστος έχει συµπεριληφθεί και το κόστος καυσίµου. Οι λιγνιτικές µονάδες, συµπεριλαµβανοµένης και της µονάδας συνδυασµένου κύκλου µε αεριοποίηση λιγνίτη, λόγω του χαµηλού κόστους καυσίµου, παρουσιάζουν και χαµηλότερο µεταβλητό κόστος παραγόµενης kwh σε σχέση µε µονάδες που χρησιµοποιούν φυσικό αέριο. Ωστόσο, λόγω του χαµηλού βαθµού απόδοσης των µονάδων µε δέσµευση CO 2, το µεταβλητό κόστος αυξάνει σηµαντικά. Η σηµαντική διακύµανση της τιµής του φυσικού αερίου που σήµερα εξαρτάται από την τιµή του πετρελαίου, συµβάλλει στην αβεβαιότητα του υπολογισµού του τελικού κόστος της ηλεκτροπαραγωγής. Αντίθετα, η εγχώρια αγορά του λιγνίτη είναι πρακτικά ανεξάρτητη από την τιµή του πετρελαίου, µε συνέπεια να µην υπεισέρχεται ο παράγοντας του ρίσκου στην εκτίµηση του κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το εύρος διακύµανσης της τιµής του φυσικού αερίου µπορεί να αποτελεί µέχρι και το 40 % του συνολικού κόστους της παραγόµενης kwh από µία µονάδα συνδυασµένου κύκλου. Για την εκτίµηση της επίδρασης του εκπεµπόµενου διοξειδίου του άνθρακα στην τιµή της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας οι διάφοροι τύποι µονάδων ηλεκτροπαραγωγής έχουν ταξινοµηθεί σε δύο κατηγορίες: τις µονάδες που είναι εµπορικές σήµερα και τις µονάδες που προβλέπεται να έχουν εφαρµογή στο µέλλον. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν: η συµβατική λιγνιτική µονάδα, οι καθαρές τεχνολογίες άνθρακα και ο συνδυασµένος κύκλος φυσικού αερίου. Στη δεύτερη κατηγορία µπορούν να συµπεριληφθούν ο συνδυασµένος κύκλος µε αεριοποίηση άνθρακα και φυσικού αερίου, οι καθαρές τεχνολογίες άνθρακα και οι µονάδες µε δέσµευση 20

21 διοξειδίου του άνθρακα. Επιπλέον, ως µονάδα αναφοράς για την πρώτη κατηγορία έχει θεωρηθεί η µονάδα συνδυασµένου κύκλου µε φυσικό αέριο, ενώ για τη δεύτερη, οι µονάδες που συµπεριλαµβάνουν δέσµευση CO 2, αντίστοιχα. Η διαφορά των ειδικών εκποµπών CO 2 από τις ειδικές εκποµπές της µονάδας αναφοράς επί το κόστος εκποµπής CO 2 µπορεί να θεωρηθεί ως εκτίµηση της αβεβαιότητας, εξαιτίας του εκπεµπόµενου CO 2, και συµπεριλαµβάνεται στο κόστος της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το κόστος αυτό είναι χαµηλό για τη µονάδα συνδυασµένου κύκλου µε φυσικό αέριο λόγω των χαµηλών ειδικών εκποµπών CO 2, σε αντίθεση µε τις µονάδες που χρησιµοποιούν λιγνίτη. Σε ό,τι αφορά το συνολικό κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, προκύπτει ότι η χρήση λιγνίτη συµβάλλει σηµαντικά στη µείωσή του. Έτσι, οι συµβατικές λιγνιτικές µονάδες, οι καθαρές τεχνολογίες άνθρακα και οι µονάδες συνδυασµένου κύκλου µε αεριοποίηση λιγνίτη δίνουν το χαµηλότερο κόστος kwh. Αντίθετα, οι µονάδες φυσικού αερίου λόγω της υψηλής τιµής του καυσίµου και της αβεβαιότητας που προέρχεται από τις µεγάλες διακυµάνσεις της, φαίνεται ότι έχουν µεγαλύτερο κόστος παραγωγής ενέργειας. Επιπλέον, η εφαρµογή των τεχνολογιών δέσµευσης του διοξειδίου του άνθρακα επιβαρύνει σηµαντικά το κόστος επένδυσης και επηρεάζει σηµαντικά το βαθµό απόδοσης της µονάδας και κατ επέκταση το κόστος της ηλεκτροπαραγωγής. Στα παρακάτω σχήµατα φαίνονται το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας µε εκτίµηση ρίσκου CO 2 ως προς τη µονάδα συνδυασµένου κύκλου φυσικού αερίου για παρούσες τεχνολογίες και ως προς συµβατικές µονάδες µε δέσµευση CO 2 για µελλοντικές τεχνολογίες. Σχήµα 2: Κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας µε εκτίµηση ρίσκου CO 2 ως προς τη µονάδα συνδυασµένου κύκλου φυσικού αερίου Παρούσες τεχνολογίες 21

22 Σχήµα 3: Κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας µε εκτίµηση ρίσκου CO 2 ως προς τις συµβατικές µονάδες µε δέσµευση CO 2 Μελλοντικές τεχνολογίες Στα διαγράµµατα που ακολουθούν παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα της ανάλυσης ευαισθησίας του κόστους της παραγόµενης kwh ως προς τις ώρες λειτουργίας ανά έτος της µονάδας για παρούσες και µελλοντικές τεχνολογίες. Η επίδραση των ωρών λειτουργίας στο συνδυασµένο κύκλο φυσικού αερίου είναι η µικρότερη λόγω του χαµηλού κόστους εγκατάστασης ενώ η µεγαλύτερη παρατηρείται στις µονάδες µε υψηλό κόστος εγκατάστασης (συµβατική µονάδα µε δέσµευση διοξειδίου του άνθρακα). Όσο οι ώρες λειτουργίας ετησίως µειώνονται, η µονάδα φυσικού αερίου τείνει να αποτελέσει το µικρότερο κόστος ανά kwh (όταν στο κόστος δεν συµπεριληφθεί και η αβεβαιότητα λόγω της διακύµανσης της τιµής του καυσίµου). 22

23 Σχήµα4: Παραµετρική ανάλυση του κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ως προς τις ώρες λειτουργίας της µονάδας ανά έτος - Παρούσες τεχνολογίες. Σχήµα 5: Παραµετρική ανάλυση κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ως προς τις ώρες λειτουργίας της µονάδας ανά έτος - Μελλοντικές τεχνολογίες 23

24 Στο διάγραµµα ευαισθησίας που ακολουθεί, δίνεται η µεταβολή του κόστους της kwh για µεταβολή ±10%, ±20%, ±30% επί της τιµής του καυσίµου, που χρησιµοποιήθηκε ως παραδοχή για την αξιολόγηση του κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τους διάφορους τύπους µονάδων. Ιδιαίτερα υψηλή ευαισθησία στη διακύµανση της τιµής του καυσίµου δίνουν οι µονάδες µε δέσµευση του διοξειδίου του άνθρακα. Αυτό οφείλεται στο χαµηλό βαθµό απόδοσης των µονάδων αυτών. Επίσης, υψηλή είναι και η επίδραση στη µονάδα φυσικού αερίου λόγω της υψηλής τιµής του καυσίµου. Σχήµα 6: Ανάλυση ευαισθησίας του κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ως προς την τιµή του καυσίµου Συµπεράσµατα Μελέτης Οι τεχνολογίες δέσµευσης διοξειδίου του άνθρακα µπορούν να συµβάλουν στη µείωση του εκπεµπόµενου CO 2 στην ατµόσφαιρα από τον τοµέα της ηλεκτροπαραγωγής. Ωστόσο, η επίδραση των τεχνολογιών αυτών στη µείωση του βαθµού απόδοσης είναι υψηλή µε αποτέλεσµα, σε συνδυασµό µε το υψηλό κόστος εγκατάστασης, να οδηγούν σε αυξηµένο κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, µε την αγορά δικαιωµάτων εκποµπής διοξειδίου του άνθρακα από την διαµορφόµενη αγορά εµπορίας CO 2, αναµένεται να επιβαρυνθεί το κόστος παραγωγής ενέργειας. Από την συγκριτική εξέταση των τεχνολογικών λύσεων προέκυψε ότι οι µονάδες εγχωρίου λιγνίτη µπορούν µε τις συνθήκες αυτές να παρέχουν κόστος kwh ανταγωνιστικό σε σχέση µε τις µονάδες φυσικού αερίου, οι οποίες παρουσιάζουν µεγαλύτερο ρίσκο λόγω διακύµανσης τιµών του καυσίµου. 24

25 2.3 Τεχνολογίες Μεταφοράς Για την µεταφορά του CO 2 από τους σταθµούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στους ταµιευτήρες αποθήκευσης υπάρχουν τέσσερα διαφορετικά συστήµατα: α) Μεταφορά µε φορτηγά µεγάλης χωρητικότητας: η πιο κοινή εναλλακτική λύση για µεταφορά προϊόντων µε βάρος λιγότερο των πέντε τόνων, εξαιτίας της αξιοπιστίας, της προσαρµογής και της ευελιξίας που παρέχει ο τρόπος αυτός. β) Μεταφορά µε τραίνα: ειδικά προσαρµοσµένα βαγόνια µπορούν να µεταφέρουν µεγάλες ποσότητες CO 2 σε µεγάλες αποστάσεις. γ) Μεταφορά µε βυτιοφόρα πλοία: κατάλληλος τρόπος για θαλάσσια µεταφορά σε µεγάλες αποστάσεις. Το µεγάλο πλεονέκτηµα εδώ είναι η οικονοµική αποδοτικότητα αφού έτσι µπορούν να µεταφερθούν πολύ µεγάλες ( m 3 ) ποσότητες CO 2. δ) Μεταφορά µε αγωγούς: µε τον τρόπο αυτό µεταφέρεται CO 2 από τις αρχές της δεκαετίας του Από πολλούς εµπειρογνώµονες θεωρείται ως η πιο αποδοτική οικονοµικά τεχνολογία για συνεχή µεταφορά µεγάλων ποσοτήτων CO 2. Κατά την µεταφορά σε αγωγούς πρέπει να πληρούνται οι απαιτούµενες προδιαγραφές, όπως: P=152 bar, σηµείο δρόσου -40 o C, καθώς και οι περιεκτικότητες σε Ν 2, Ο 2 και Ar να είναι < 300 ppmv, < 40 ppmv και < 10 ppmv αντίστοιχα.το CO 2 πρέπει να βρίσκεται σε υγρή ή σε υπερκρίσιµη κατάσταση (P>7.38 MPa και T>-60 C) κατά την µεταφορά του. Οι λόγοι για τους οποίους η στερεά ή αέρια κατάσταση δεν είναι κατάλληλη, στηρίζεται στο ότι στη στερεά κατάσταση χρειάζεται µεγαλύτερη ενέργεια για την µεταφορά του, ενώ στην αέρια κατάσταση το CO 2 έχει πάρα πολύ χαµηλή πυκνότητα [7]. 2.4 Τεχνολογίες Αποθήκευσης Του CO 2 Εισαγωγή CO 2 σε ταµιευτήρες πετρελαίου για την βελτίωση της ανάκτησης του, έλαβε χώρα για πρώτη φορά την δεκαετία του 70 στις Η.Π.Α. Οι πιο σηµαντικοί γεωλογικοί χώροι υπόγειας αποθήκευσης είναι: 1. Αποθήκευση σε ενεργούς ταµιευτήρες πετρελαίου (EOR). 2. Αποθήκευση σε ταµιευτήρες πετρελαίου / φυσικού αερίου που έχουν ήδη εκκενωθεί και σε αλατούχους υδροφόρους ορίζοντες µεγάλου βάθους. 3. Αποθήκευση σε κοιτάσµατα µη εξορυγµένου γαιάνθρακα (ECBMR). 4. Αποθήκευση σε ωκεανούς µέσω αγωγού ή µέσω βυτιοφόρου πλοίου. 5. Αποθήκευση µέσω ορυκτοποίησης (mineralization). Οι ταµιευτήρες αποθήκεύσης CO 2 θα πρέπει να διαθέτουν µεγάλη χωρητικότητα ενώ παράλληλα θα πρέπει να παρέχουν και ένα αποδεδειγµένα ασφαλές και σίγουρο περιβάλλον αποθήκευσης. Η ιδέα της υπόγειας αποθήκευσης σε ταµιευτήρες πετρελαίου και φυσικού αερίου ενισχύεται από το πλεονέκτηµα της γνωστής γεωλογικής µορφολογίας, αφού ήδη έχουν γίνει γεωτεχνικές µελέτες γι αυτούς. Συνήθως αποτελούνται από πορώδη πετρώµατα, έχουν σχήµα θόλου και περικλείονται από τέτοια πετρώµατα τα οποία απαγορεύουν την µετακίνηση του αερίου σε οποιαδήποτε κατεύθυνση, έτσι ώστε να µην υπάρχει διαρροή προς την ατµόσφαιρα. Στο παρακάτω σχήµα φαίνεται η απεικόνηση µερικών από τις γεωλογικές τοποθεσίες για υπόγεια αποθήκευση του CO 2 [10]. 25

26 Σχήµα 7: Απεικόνιση µερικών από τις γεωλογικές τοποθεσίες για υπόγεια αποθήκευση του CO 2 Η χωρητικότητα αυτών των ταµιευτήρων, παγκοσµίως, έχει εκτιµηθεί µε κατάλληλες προσοµοιώσεις από διάφορα ινστιτούτα και επιστηµονικά εργαστήρια. Έτσι, η χωρητικότητα για τους υδροφόρους ορίζοντες υπολογίστηκε περίπου στους Gt CO 2, για τους ταµιευτήρες πετρελαίου και φυσικού αερίου, περίπου στους Gt CO 2, ενώ για τα στρώµατα κοιτασµάτων µη εξορυγµένου γαιάνθρακα, περίπου στους Gt CO 2. Παράλληλα, οι εκποµπές του CO 2 στην ατµόσφαιρα παγκοσµίως, υπολογίζονται γύρω στους 24 Gt τον χρόνο, παρουσιάζοντας µάλιστα αυξανόµενη τάση. Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τη χωρητικότητα διάφορων γεωλογικών ταµιευτήρων [31],[7]. 26

27 Πίνακας 2.3: Χωρητικότητα γεωλογικών ταµιευτήρων για αποθήκευση του CO 2 παγκοσµίως (Gt CO 2) * *na :µη διαθέσιµα στοιχεία (not available) Αποθήκευση σε Ενεργούς Ταµιευτήρες Πετρελαίου Η τεχνική της βελτιωµένης ανάκτησης πετρελαίου (Enhanced Oil Recovery-ΕΟR) χρησιµοποιείται σε ταµιευτήρες που έχουν σχεδόν εκκενωθεί ή σε ταµιευτήρες πετρελαίου µε υψηλό ιξώδες. Αυτή η τεχνική έχει την δυνατότητα, όχι µόνο να αυξάνει την ανάκτηση του πετρελαίου, αλλά και να αποθηκεύει στον ταµιευτήρα την ποσότητα του CO 2 που χρησιµοποιείται. Το παρακάτω σχήµα δείχνει αυτή ακριβώς την τεχνική. Σχήµα 8: Βελτιωµένη ανάκτηση πετρελαίου χρησιµοποιώντας CO 2 27

28 Πρόκειται για εισαγωγή του CO 2 σε υπερκρίσιµη κατάσταση (P >7.38 MPa και T >-60 C ) σε ενεργούς ταµιευτήρες, η οποία προκαλεί αύξηση της κινητικότητας του πετρελαίου και έχει ως αποτέλεσµα την πιο εύκολη ανάκτηση του. Ένα ποσοστό του εισαγόµενου CO 2 θα ανακτηθεί πάλι µαζί µε το πετρέλαιο, θα διαχωριστεί απ αυτό µε την κατάλληλη διεργασία και θα εισαχθεί και πάλι στον ταµιευτήρα. Υπάρχουν διεργασίες EOR όπου το CO 2 µπορεί να είναι αναµείξιµο ή όχι. Αυτό εξαρτάται κυρίως από την πίεση µε την οποία το CO 2 θα εισαχθεί στον ταµιευτήρα. Στην πρώτη περίπτωση το CO 2 αναµειγνύεται µε το ακατέργαστο πετρέλαιο, το αναγκάζει να διογκωθεί και µειώνει το ιξώδες του ενώ παράλληλα αυξάνει ή διατηρεί την πίεση του ταµιευτήρα. Ο συνδυασµός αυτός επιτρέπει το πετρέλαιο να κυκλοφορήσει πιο ελεύθερα προς τον αγωγό απ όπου και θα γίνει η ανάκτηση του. Στην δεύτερη περίπτωση, το πεπιεσµένο CO 2 που εισάγεται, χρησιµοποιείται για να αυξήσει την πίεση του ταµιευτήρα στα αρχικά του στάδια και να παρασύρει το ακατέργαστο πετρέλαιο προς τον αγωγό, ώστε να ανακτηθεί µε µεγαλύτερη ευκολία. Με τη µέθοδο αυτή (CO 2 EOR), η οποία ονοµάζεται τριτογενής εξόρυξη, µπορεί να αυξηθεί η παραγωγή του πετρελαίου κατά προσέγγιση 10% µε 15% Αποθήκευση σε Κενούς Ταµιευτήρες Πετρελαίου/Φυσικού Αερίου & σε Αλατούχους Υδροφόρους Ορίζοντες Μεγάλου Βάθους Οι ταµιευτήρες πετρελαίου ή φυσικού αερίου που ήδη έχουν εκκενωθεί, παρουσιάζονται ως η πιο ελπιδοφόρα επιλογή αποθήκευσης στο προσεχές µέλλον. Αυτό γιατί οι ταµιευτήρες αυτοί έχουν αποδείξει την ικανότητα τους να διατηρούν υγρά ή αέρια σε υψηλές πιέσεις για µεγάλα διαστήµατα χρόνου. Εντούτοις, τα περισσότερα από τα φρεάτια θα έπρεπε να ανοιχτούν πάλι µε νέες γεωτρήσεις. Επίσης, η πραγµατική ικανότητα είναι αβέβαιη, λαµβάνοντας υπόψη τις αλλαγές στον ταµιευτήρα που µπορεί να έχουν εµφανιστεί λόγω εισβολής αλατούχου νερού ή λόγω της γεωδοµικής αλλαγής. Από την άλλη πλευρά, οι αλατούχοι υδροφόροι ορίζοντες έχουν τη µέγιστη δυνατότητα αποθήκευσης του CO 2, αφού οι ταµιευτήρες αυτοί είναι οι πιο διαδεδοµένοι και έχουν την µεγαλύτερη χωρητικότητα. Στο παρακάτω σχήµα φαίνεται η εισαγωγή CO 2 σε αλατούχο υδροφόρο ορίζοντα της Νορβηγίας. Σχήµα 9:Εισαγωγή CO 2 στον αλατούχο υδροφόρο ορίζοντα µεγάλου βάθους Utsira στη Νορβηγία 28

29 Αποθήκευση σε Κοιτάσµατα Μη Εξορυγµένου Γαιάθρακα Το CO 2 εισάγεται σε κοιτάσµατα άνθρακα και απορροφάται στις επιφάνειες των στρωµάτων άνθρακα ελευθερώνοντας µεθάνιο, το οποίο, µπορεί έπειτα να ανακτηθεί σαν ελεύθερο αέριο. Ένα ιδιαίτερο πλεονέκτηµα της τεχνικής αυτής, είναι ότι τα κοιτάσµατα αυτά µπορούν να αποθηκεύσουν πολύ µεγαλύτερες ποσότητες CO 2 από τον ισοδύναµο όγκο ενός συµβατικού ταµιευτήρα, λόγω του ότι ο άνθρακας έχει µεγαλύτερες περιοχές επιφάνειας. Υπάρχουν δύο τέτοια προγράµµατα (Enhanced Coal-bed Methane Recovery- ECBMR), στο βορειοδυτικό Μεξικό και στο νοτιοδυτικό Κολοράντο των Η.Π.Α. Η εµπειρία που έχει αποκτηθεί από την µελέτη των προγραµµάτων αυτών χρησιµοποιείται για να ελέγξει και να προτυποποιήσει τους µηχανισµούς αποθήκευσης του CO 2 σε τέτοιους ταµιευτήρες, όπως επίσης και για να αξιολογηθεί η δυνατότητα αποθήκευσης σε άλλες λεκάνες τέτοιου είδους. Μια τέτοια τεχνολογία παραουσιάζεται στο παρακάτω σχήµα. Σχήµα 10: Τεχνολογία ECBMR χρησιµοποιώντας CO Αποθήκευση σε Ωκεανούς Το CO 2 είναι διαλυµένο στο νερό των ωκεανών, ενώ οι ωκεανοί και απορροφούν αλλά και εκπέµπουν CO 2 µέσω φυσικών διαδικασιών. Το CO 2 µπορεί να εισαχθεί µέσω µίας συσκευής διάχυσης σε βάθη έως m. Από τα βάθη αυτά, το εισαγόµενο νέφος σταγονιδίων του CO 2 ανέρχεται προς την επιφάνεια και διαλύεται στο νερό, προτού φτάσει σε βάθος 500 m, όπου τα σταγονίδια παίρνουν πλέον µορφή φυσαλίδων, οι οποίες θα φτάσουν στην επιφάνεια. Πειράµατα σε εργαστήρια, έχουν δείξει ότι µία ταινία ένυδρων ουσιών (hydrate film) µπορεί να διαµορφωθεί γύρω από τα σταγονίδια του CO 2, καθιστώντας τα βαρύτερα από το νερό της θάλασσας, µε 29

30 αποτέλεσµα να τα ωθεί στον πυθµένα. Έτσι, το CO 2 µπορεί να εισαχθεί σε βάθη µεγαλύτερα από m, οπότε σε αυτή την περίπτωση, το υγρό CO 2 θα γίνει βαρύτερο από το νερό της θάλασσας και θα βυθιστεί στον πυθµένα δηµιουργώντας µία λίµνη, όπου και θα παραµείνει. Η αποθήκευση στους ωκεανούς είναι ακόµη σε αρχικά στάδια ανάπτυξης, σε σύγκριση µε τις άλλες τεχνολογίες. Οι ωκεανοί έχουν βέβαια τεράστια χωρητικότητα για την αποµόνωση του CO 2, αλλά το επιστηµονικό επίπεδο κατανόησης της τεχνολογίας αυτής, ώστε να υποστηριχθεί σαν την πιο σηµαντική εναλλακτική λύση, δεν είναι διαθέσιµο τουλάχιστον µέχρι σήµερα Αποθήκευση µέσω Ορυκτοποίησης Μία νέα πολλά υποσχόµενη µέθοδος, µε την οποία το CO 2 αποθηκεύεται υπό µορφή ανθρακικών ορυκτών είναι η αποθήκευση µέσω ορυκτοποίησης. Η αντίδραση του CO 2 µε οξείδια, ώστε να σχηµατιστούν ανθρακικά ορυκτά, όπως µαγνησίτης ή ασβεστίτης είναι εξώθερµη. Πετρώµατα που µπορούν να χρησιµοποιηθούν στην ορυκτοποίηση του CO 2 είναι υπερβασικά πετρώµατα πλούσια σε µαγνήσιο όπως δουνίτες, περιδοτίτες και σερπεντινίτες. Οι µελέτες επικεντρώνονται στην επιτάχυνση του φυσικού ποσοστού αντίδρασης, µε αποτέλεσµα την οικονοµικά βιώσιµη αποθήκευση CO 2 ως στερεό ορυκτό ανθρακικό άλας. Τα ανθρακικά άλατα είναι σταθερά θερµοδυναµικά και δεν µπορούν να απελευθερώσουν τις ποσότητες του CO 2. Υπάρχει η επιχειρηµατολογία, ότι η αποθήκευση του CO 2 στα ορυκτά είναι πιθανή και ασφαλέστερη από άλλες τεχνολογίες όπως αποθήκευση σε υπόγειους ταµιευτήρες ή σε ωκεανούς. Τα οξείδια ασβεστίου και µαγνησίου που απαιτούνται για τη διαµόρφωση των σταθερών ορυκτών ανθρακικών αλάτων είναι διαθέσιµα στη φύση σε µεγάλες ποσότητες. 2.5 Ερευνητικές ραστηριότητες στον Τοµέα Αποθήκευσης CO Το Πρόγραµµα Weyburn (Αποθήκευση σε Ενεργούς Ταµιευτήρες Πετρελαίου) Η περιοχή των κοιτασµάτων πετρελαίου στο Weyburn καλύπτει πάνω από 70 τετραγωνικά µίλια στο νοτιοανατολικό Saskatchewan και είναι ένας από τους µεγαλύτερους ταµιευτήρες ακατέργαστου πετρελαίου στον Καναδά. Περιέχει περίπου 1,4 δισεκατοµµύρια βαρέλια πετρελαίου. Η παραγωγή αποτελείται αρχικά από ακατέργαστο πετρέλαιο µέσης βαρύτητας µε χαµηλή αναλογία φυσικού αερίου - πετρελαίου. Χρησιµοποιείται η τεχνική της βελτιωµένης ανάκτησης πετρελαίου (EOR), όπου το CO 2 εισάγεται στον ταµιευτήρα µε αποτέλεσµα να διαστέλλει και να ωθεί το πετρέλαιο στις οπές παραγωγής, αυξάνοντας έτσι την παραγωγικότητα. Το πρόγραµµα Weyburn θα συµβάλλει στην κατανόηση των διαδικασιών µε τις οποίες αποµονώνεται το CO Το Πρόγραµµα Sacs (Aποθήκευση σε Yδροφόρο Oρίζοντα) Το πρόγραµµα Sleipner (που φιλοξενεί το πρόγραµµα Sacs) είναι παγκοσµίως το πρώτο σε εµπορικό επίπεδο στο οποίο χρησιµοποιείται η αποθήκευση του CO 2 για τη µείωση των αερίων του θερµοκηπίου. Το CO 2 είναι ένα ανεπιθύµητο υποπροϊόν από την παραγωγή φυσικού αερίου στο δυτικό Sleipner. Το CO 2 εισάγεται σε αλατούχο υδροφόρο ορίζοντα στο σχηµατισµό Utsira και σε βάθος 800µ. κάτω από τον πυθµένα της Βόρειας Θάλασσας. Ένα ειδικό χαρακτηριστικό γνώρισµα του φυσικού αερίου από το δυτικό Sleipner είναι το υψηλό περιεχόµενο του CO 2 (περίπου 9%). Η περιεκτικότητα σε CO 2 πρέπει να µειωθεί σε 2,5% προτού το φυσικό αέριο µπορέσει να 30