ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ «ΑΝΘΡΩΠΙΝΑ ΙΚΤΥΑ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΙΜΟΡΦΩΣΗΣ-Β ΚΥΚΛΟΣ» ΕΡΓΟ «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΥΝΑΜΙΚΟ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΕΙΩΣΗ ΤΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ ΙΟΞΕΙ ΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΤΩΝ ΕΛΛΗΝΙΚΩΝ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ» Τεχνολογίες δέσµευσης CO2 ρ. Ν. Κούκουζας Φ. Ζιώγου Αθήνα, Ιούλιος 2008
Περιεχόµενα Σηµειακές πηγές εκποµπών CO2 Χαρακτηριστικά στοιχεία των τεχνολογιών δέσµευσης CO2 Κόστος τεχνολογιών δέσµευσης CO2 Κυριότερα R&D projects Συµπεράσµατα
έσµευση Μεταφορά Γεωλογική αποθήκευση
Σηµειακές πηγές εκποµπών CO 2 για δέσµευση (> 0.1 MtCO2 yr-1) ECOFYS 2004
Schematic diagram of possible CCS systems Overview of CO2 capture processes and systems SRCCS Figure TS-3
ΑΥΞΗΣΗ ΤΟΥ ΒΑΘΜΟΥ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΙΚΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ Η δέσµευση CO2 συνεπάγεται υψηλή ενεργειακή κατανάλωση και σηµαντική µείωση του βαθµού απόδοσης Απαραίτητη προϋπόθεση για εφαρµογή των τεχνολογιών δέσµευσης η αύξηση α του βαθµού απόδοσης για Ατµοηλεκτρικούς σταθµούς απόδοση> 50% (σηµερινή 40-46 46 % για PC) Μονάδες συνδυασµένου κύκλου φυσικού αερίου - απόδοση> 60% (σηµερινή 55-58 58 %)
Lignite-fired steam power plant 43% Hard coal-fired steam power plant 47% Combined cycle power plant 58% Niederaußem, 965 MW Reference STPP NRW, 600 MW Mainz-Wiesbaden 400 MW Development of efficiency and corresponding reduction of CO 2 emissions CO 2 - Efficiency emissions 1992: 36 % Basis 2006: 43 % -16% 2020 target: >50 %* >-28% * Using lignite pre-drying technology CO 2 - Efficiencyemissions 1992: 42 % Basis 2006: 47 % -11% 2020 target: > 50 % >-16% Efficiency 1992: 52 % 2006: 58 % 2020 target: > 60 % CO 2 - emissions Basis -10% >-13%
Μέθοδοι διαχωρισµού CO2 από απαέρια
Εθνικό Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης Εθνικό Ινστιτούτο Κέντρο Τεχνολογίας Έρευνας & και Εφαρµογών Τεχνολογικής Στερεών Ανάπτυξης Καυσίµων/ Τεχνολογία δέσµευσης µετά την καύση - Post-combustion capture Το CO 2 αποµονώνεται από τα καυσαέρια (3-20% κ.ο. CO 2 ) συνήθως σε χαµηλή πίεση (1 bar). H διεργασία στηρίζεται στον διαχωρισµό του CO 2 από ένα αέριο µίγµα αζώτου και οξυγόνου. Η επικρατέστερη πρακτική είναι ο διαχωρισµός µε χηµική απορρόφηση µε χρήση αµίνων σε στήλες απορρόφησης - αναγέννησης. Άλλες πρακτικές αφορούν στις τεχνολογίες πολυµερικών και κεραµικών µεµβρανών, άλλα είναι ακόµη σε πρώιµο στάδιο ανάπτυξης Απαέρια Αναγεννηµένος διαλύτης CO 2 Στήλη Απορρόφησης Στήλη Αναγέννησης ατµός χαµηλής πίεσης καυσαέρια ιάλυµαπλούσιο σε CO 2
Τεχνολογία δέσµευσης µετά την καύση - Post-combustion capture Κύρια επιλογή αποτελεί η MEA: - Η πιο φτηνή αλκανο-αµίνη - Καλή κινητική αντίδρασης - Κατάλληλη για χαµηλές πιέσεις και συγκεντρώσεις CO2 Μειονεκτήµατα: - Υψηλή θερµότητα αντίδρασης και άρα υψηλή ενεργειακή κατανάλωση - Όχι υψηλή απορρόφηση CO2 - Χαµηλή συγκέντρωση της MEA στο υδατικό διάλυµα (20% κ.β. παρουσίας O2) - Υψηλή διάβρωση λόγω του διαλελυµένου CO2 -Παράπλευρες αντιδράσεις: : SO 2, NO 2, καρβοξυλικά οξέα αντιδρούν µε την MEA παράγοντας άλατα
Τεχνολογία δέσµευσης µετά την καύση - Post-combustion capture Ώριµη τεχνολογικά µέθοδος δέσµευσης λόγω εφαρµογής σε εµπορική κλίµακα για το διαχωρισµό CO2 and H2S στην κατεργασία φ. αερίου. Παραµένει ακόµη ακριβή, µε υψηλές απαιτήσεις σε ενέργεια και χώρο. Μεγάλες ποσότητες αµινών απαιτούνται για την κατεργασία των απαερίων Μπορεί να εφαρµοστεί σε συµβατικούς σταθµούς (retrofitting) άνθρακα, αερίου, πετρελαίου καθώς και σε νέους Αποδοτική η εφαρµογή σε Supercritical pulverized coal fired plants και natural gas combined cycle (NGCC) plants λόγω υψηλής απόδοσης Από τη διαδικασία απορρόφησης µε αµίνες προκύπτει καθαρότητα CO2 99.9% κ.ο. και πίεση 50 kpa
CASTOR from capture to storage Εθνικό Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης / CO 2 Esbjerg power plant Capacity: 1 t CO 2 / h 5000 Nm3/h fluegas (coal combustion) In operation since early 2006 Official inauguration 15th March, 2006
Εθνικό Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης Εθνικό Ινστιτούτο Κέντρο Τεχνολογίας Έρευνας & και Εφαρµογών Τεχνολογικής Στερεών Ανάπτυξης Καυσίµων/ Εξανθράκωση καυσίµου - Pre-combustion capture Το CO 2 αποµονώνεται από αέριο µίγµα πλούσιοσεη 2 προϊόν εξαερίωσης άνθρακα ή αναµόρφωσης φυσικού αερίου σε υψηλή πίεση (15-40 bar). Η επικρατέστερη πρακτική είναι η απορρόφηση CO 2 µε διάφορες εναλλακτικές όπως φυσική απορρόφηση (Rectisol, Selexol), απορρόφηση µε εναλλαγή πίεσης (Pressure Swing Adsorption), απορρόφηση µε χρήση CaO (carbonation calcination cycle) CO2 Mechanical Energy Low Temperature Heat Coal Natural gas Air Gasifier Pre- Reformer Air Air separatio separatio n n Unit Unit Synthesis gas Shift Shift Steam electricity Air CO2 separation Gas turbine Hydrogen CO2 compression HRSG CO2 to transport and storage Water vapour (and excess air) Steam turbine electricit y Energy Nitrogen
Εξανθράκωση καυσίµου Επικρατέστερο σενάριο είναι η δέσµευση µε φυσική απορρόφηση (Selexol - polyethylene glycol, Rectisol -cold methanol) δεδοµένης της τεχνολογικής ωριµότητας και της εµπορικής διαθεσιµότητας Κρίσιµο σηµείο της τεχνολογίας είναι ανάπτυξη αεριοστρόβιλων ικανών να λειτουργήσουν µε καύσιµα υψηλής περιεκτικότητας σε Η 2, λόγω των υψηλών θερµοκρασιών που αναπτύσσονται κατά την καύση τέτοιων µιγµάτων Η ανάπτυξη καινοτόµων τεχνολογιών στον τοµέα διαχωρισµού οξυγόνου (PSA, κεραµικές µεµβράνες) µε χαµηλότερες ενεργειακές απαιτήσεις θα παίξει καθοριστικό ρόλο στην βελτίωση της απόδοσης ενός τέτοιου συστήµατος.
Εξανθράκωση καυσίµου - Pre-combustion capture Λόγω των υψηλών µερικών πιέσεων CO2 (15-40% σε 15-40 bar), ο διαχωρισµός CO2 από το H2 είναι πιο οικονοµικός και µε µικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις Χαµηλές εκποµπές SOx και NOx Οι διαδικασίες IGCC/IRCC είναι εµπορικά διαθέσιµες Μεγάλη ευελιξία καυσίµου και προιόντων
The RWE project of a 450 MW power plant IGCC - CCS
Εθνικό Κέντρο Έρευνας Τεχνολογικής Ανάπτυξης Ανάπτυξης / Εθνικό Κέντρο Έρευνας καικαιτεχνολογικής Ινστιτούτο Τεχνολογίας & Εφαρµογών Στερεών Καυσίµων Καύση µε υψηλή συγκέντρωση Ο2/CO2 (oxy-fuel combustion) steam turbine electricity carbon dioxide boiler cooling water steam condenser mechanical energy carbon dioxide compression sulphur cooler & removal condenser cooler and compressor particle removal nitrogen heat water air separation energy air fly ash fuel oxygen bottom ash Recycle (mainly CO2, water vapour water sulphur heat
Καύση µε υψηλή συγκέντρωση Ο2/CO2 (oxy-fuel combustion) Η τεχνολογία είναι ακόµη σε επιδεικτική φάση Πλεονεκτήµατα αποτελούν οι ελάχιστες ενεργειακές απώλειες των απαερίων, µηδαµινές εκποµπές NOx (<1 ppmv) και ο εύκολος διαχωρισµός CO2 µέσω συµπίεσης του περιεχοµένου ύδατος Η τεχνολογία επιτρέπει ανάκτηση 100% CO2 ενώ οι λοιπές το µέγιστο 95% Μειονεκτήµατα αποτελούν το µέγεθος του εξοπλισµού και οι ενεργειακές απαιτήσεις λόγω εγκατάστασης της µονάδας κρυογενικού διαχωρισµού του αέρα
Προεπισκόπηση χαρακτηριστικών των τεχνολογιών δέσµευσης CO2 Post-combustion capture: διαχωρισµός CO 2 -N 2 Pre-combustion capture: διαχωρισµός CO 2 -H 2 Oxyfuel combustion: διαχωρισµός O 2 -N 2 Post-comb. (flue gas) Pre-comb. (shifted syngas) Oxyfuel comb. (exhaust) p (bar) ~1 bar 10-80 ~1 bar [CO 2 ] (%) 3-15% 20-40% 75-95%
Capture method Principle of separation Membranes Adsorption Absorption Post-combustion decarbonisation Membrane gas absorption Polymeric membranes Ceramic membranes Facilitated transport membranes Carbon molecular sieve membranes Lime carbonation/calcinations Carbon based sorbents Improved absorption liquids Novel contacting equipment Improved design of processes Pre-combustion decarbonisation CO 2 /H 2 separation based on: Ceramic membranes Polymeric membranes Palladium membranes Membrane gas absorption Dolomite, hydrotalcites and other carbonates Zirconates Improved absorption liquids Improved design of processes Denitrogenated conversion O 2 -conducting membranes Facilitated transport membranes Solid oxide fuel cells Adsorbents for O 2 /N 2 separation, perovskites Chemical looping Absorbents for O 2 /N 2 separation Cryogenic Improved liquefaction CO 2 /H 2 separations Improved distillation for air separation
Χαλυβουργία Το αέριο ρεύµα στην υψικάµινο περιέχει 20% CO2 κ.ο. σε πίεση 2-3 bar Η δέσµευση CO2 µπορεί να γίνει πριν ή µετά την καύση Τα απαέρια περιέχουν περίπου 27% CO2 κ.ο. Παρόλο που η µερική πίεση CO2 είναι υψηλότερη της αντίστοιχης από ηλ. σταθµό η χηµικά απορρόφηση κρίνεται ως καταλληλότερη µέθοδος
Tσιµεντοβιοµηχανίες Οι εκποµπές CO2 από την τσιµεντοβιοµηχανία ανέρχονται στο 6% των συνολικών εκποµπών CO2 από µεγάλες σηµειακές πηγές εκποµπών Η συγκέντρωση CO2 στα απαέρια κυµαίνεται µεταξύ 15-30% κ.ο. ανάλογα µε τη µέθοδο παραγωγής και τον τύπο τσιµέντου και είναι υψηλότερη της αντίστοιχης από ηλ. σταθµό (3-15% κ.ο.). Η χηµικά απορρόφηση CO2 θα µπορούσε να εφαρµοστεί στην παραγωγή τσιµέντου αλλά υπάρχουν απαιτήσεις για πρόσθετη παραγωγή ατµού για αναγέννηση του διαλύτη Η δέσµευση σε ατµόσφαιρα πλούσια σε οξυγόνο αποτελεί επίσης πολλά υποσχόµενη τεχνολογία για την ανάκτηση CO2 αλλά η επίδραση της αυξηµένης συγκέντρωσης CO2 στην περαιτέρω παραγωγική διαδικασία πρέπει να διερευνηθεί
Κατεργασία φυσικού αερίου Συγκεντώσεις CO2 στο φυσικό αέριο µέχρι 80% Λόγω προδιαγραφών για βέλτιστη µεταφορά η συγκέντρωση CO2 πρέπει να µειωθεί στο 2% Ανάλογα µε την µερική πίεση CO2 ο διαχωρισµός γίνεται είτε µε χηµική απορρόφηση και φυσική απορρόφηση, κρυογενικά ή µέσω µεµβρανών για υψηλές συγκεντρώσεις CO2
Οι τεχνολογίες CCS περισσότερο οικονοµικά αποδοτικές για σταθµούς µε άνθρακα: Υψηλότερες συγκεντρώσεις CO2 υψηλότερη απόδοση δέσµευσης Efficiency penalty (6 10 % points)
Source: WG1, ZEP Technology Platform Εθνικό Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης / EUR/t CO2 100 80 60 40 20 0 Note: CO 2 Avoidance cost without transport and storage cost Pre-combustion Post-combustion Oxyfuel Power plant and CCStechnology improvement potential Hard coal Lignite Natural Gas Avoidance costs for large-scale power plants in operation by 2020 Με εντατικές προσπάθειες Ε&Α, εµπειρία και βελτιστοποίηση οι τρεις τεχνολογικές επιλογές θα µπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια «µηδενικών εκποµπών σε τιµές της τάξης 45 55/MWh για τον άνθρακα και 70/MWh για το αέριο, µε κόστος αποφυγής CO2 περίπου 15 25/t CO2 για τον άνθρακα και 60/t - 80/t CO2 για το φυσικό αέριο
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΕΣΜΕΥΣΗΣ Η δέσµευση CO2 από απαέρια µε προσρόφηση είναι αποδεδειγµένη τεχνολογία για εφαρµογές µικρής κλίµακας Απαιτείται η επίδειξη της σε εµπορική κλίµακα και η βελτιστοποίηση της διαδικασίας Η δέσµευση CO2 από µίγµατα µε H2 µε τεχνολογίες απορρόφησης είναι τεχνικά ώριµη στις χηµικές βιοµηχανίες Απαιτείται η επίδειξη της σε εµπορική κλίµακα και η ανάπτυξη τεχνολογιών ανάφλεξης για τουρµπίνες αερίου υδρογόνου Η δέσµευση CO2 σε ατµόσφαιρα πλούσια σε οξυγόνο µπορεί να εφαρµοστεί µε τις ώριµες κρυογενικές τεχνολογίες για παραγωγή οξυγόνου Απαιτείται η επίδειξη της σε εµπορική κλίµακα και η ανάπτυξη τεχνολογιών ανάφλεξης ιάφορες καινοτόµες µέθοδοι που στηρίζονται σε τεχνολογίες διαχωρισµού CO2 και O2 (µεµβράνες και προσρόφηση) έχουν το δυναµικό για πιο αποδοτικές τεχνολογίες δέσµευσης
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σύµφωνα µε ZEP TP: α) Απαιτείται η περαιτέρω ανάπτυξη των τεχνολογιών δέσµευσης CO2 ώστε να µειωθεί η ενεργειακή κατανάλωση για την παραγωγή οξυγόνου και την κατεργασία CO2 β) Αύξηση του βαθµού απόδοσης της δέσµευσης CO2 και του σταθµού για µείωση των ενεργειακών απαιτήσεων που συνεπάγονται οι τεχνολογίες δέσµευσης ANAΓΚΑΙΟΤΗΤΑ ΓΙΑ 10-12 ΕΠΙ ΕΙΚΤΙΚΑ ΕΡΓΑ CCS ΜΕΧΡΙ ΤΟ 2015