Решение ли е улавянето и съхранението на въглерод по пътя към постигане на климатична неутралност?

Какво казва доклада на IPCC относно смекчаването за CCS?

Според доклада на Междуправителствения панел по климатичните промени, IPCC, „Климатични промени 2022 : Смекчаване на климатичните промени“, потенциалът за енергия от възобновяеми източници като слънце и вятър многократно надвишава настоящите и бъдещите енергийни нужди на света. В някои страни източниците на възобновяема енергия са изобилни, докато в други те са сравнително малки. Нивата на производство на енергия от възобновяеми източници са непостоянни и зависещи от промени във времето и други фактори, а енергията от ВЕИ носи със себе си както положителни ефекти, така и предизвикателства, за хората и околната среда. Поради всички тези причини, според IPCC е малко вероятно нисковъглеродните енергийни системи с ВЕИ да задоволят изцяло енергийните нужди на света в бъдещето. Други енергийни източници и практики, сред които е улавянето и съхранението на въглерод, са посочени като допълнителна възможност, но ключът е в детайлите.

Теоретичният глобален геоложки потенциал за съхранение на въглерод е около 10 000 Gt (1 Gt = 1 милиард тона), като повече от 80% от този капацитет се намира в солени водоносни пластове. Поради редица ограничения действителният капацитет за съхранение реално е с до 10 пъти по-малък, който все пак е по-голям от нужното, за да се ограничи глобалното затопляне до 1,5°C до края на 21 век (според доклада трябва да се уловят около 680 Gt до края на века в по-голямата част от техните сценарии за 1,5°C). За сравнение, по данни на IPCC, годишните емисии на CO2 през 2019 г. са около 45 Gt.

Понастоящем темповете на внедряване на CCS в световен мащаб са много по-ниски от тези в сценариите на доклада за ограничаване на глобалното затопляне до 1,5°C или 2°C. Въвеждането в експлоатация и развитието на технологиите за улавяне и съхранение на въглероден диоксид (с широкомащабно съхранение на уловения CO2) е много по-бавно, отколкото се е предвиждало в предишни оценки. По думите на доклада, за да се постигнат нулеви нетни емисии на CO2 или на вредни парникови газове, внедряването на такъв тип технологии за балансиране на определени, трудни за намаление остатъчни емисии, е неизбежно. В повечето от сценариите за постигане на ниски нива на парникови емисии се прилага значително количество CCS.

Предизвикателства и недостатъци на CCS и CDR

Широкото прилагане на CDR и CCS е възможно да засегне негативно, както водните и хранителните системи, така и изпълнението на целите за устойчиво развитие. Тези последици от CCS и CDR са свързани с Цел 6 на ООН за устойчиво развитие в областта на чистата вода. Според доклада, BECCS, или оборудването на електроцентрали за изгаряне на биомаса с технологии за CCS, би могло да повлияе на цените на храните, в зависимост от начините на стопанисването на земите.

Улавянето на въглерод увеличава значително разходите за ресурси и химикали, най-вече вода. Възможно е централи със CCS да се налага периодично да затварят поради недостиг на вода. Поради повишените разходи за енергия, както и от повишени нужди за охлаждане, породени от процеса на улавяне, в някои случаи централите със CCS се налага да потребяват от 25% до 200% повече вода (повече топлина се задържа, защото вместо да се изхвърли в атмосферата, повече пара се използва за процеса на CCS). В райони, уязвими на недостиг на вода, би могло да се налагат затваряния на централите през летните месеци. С повишаването на глобалната температура, този тип риск ще нарасне.

Производството на продукти и суровини (като потенциален заместител на изкопаемите) от уловен въглерод (CCU) представлява алтернативен метод за декарбонизация. Потенциалът за използването на въглерод в момента се оценява на не повече от 1-2 Gt CO2 годишно, но според IPCC той би могъл да бъде увеличен до 20 Gt.

В зависимост от продукта, въглеродният диоксид може да бъде извлечен от атмосферата за период от порядъка на векове (напр. втвърдяване на цимент, инертни материали), десетилетия (пластмаси) или само за няколко дена или месеца (при производство на горива). При изгарянето на богати на въглерод продукти, извлеченият по-рано CO2 се връща обратно в атмосферата.

Развитието на някои от технологиите за употреба на въглерод е все още в лабораторна, прототипна и пилотна фаза, докато други практики вече са напълно комерсиализирани (като производството на карбамид – вид азотен тор).

По оценка на доклада, прилагането на CCS технологии практически винаги добавя допълнителна цена. Цената на улавянето на CO2 остава над 50 щатски долара на тон в по-голямата си част. Капиталовите разходи за електроцентрали на въглища или изкопаем газ със CCS са почти два пъти по-високи от централи без (друг е въпросът, че не всички проекти достигат нулеви въглеродни емисии, например в Boundary Dam #3 в Канада е била заложена цел от 90%. Освен това, самото улавяне на въглерод в централите със CCS изискват допълнително използване на гориво – с 13-44%, отколкото в централа без, което води до допълнително оскъпяване.

Развитие на CCS през изминалите десетилетия

От 27-те проекта за улавяне и съхранение на CO2 в експлоатация в световен мащаб към края на 2021 г., само 6 са предназначени изцяло за геоложко складиране (Sleipner, Snøhvit, Quest, Illinois Basin, Qatar LNG, and Gorgon), докато повечето прилагат подобреното извличане на нефт (EOR, виж речника). Общо шестте проекта улавят 7 Mt от 40-те “спасени” Mt на година от всички видове проекти за съхранение.

Въпреки че от 1972 г. насам количеството на съхранението на CO2 се увеличава всяка година, бавният темп на растеж е ключово предизвикателство за постигането на целите за нетно-нулеви емисии. Прогнозираното съхранение през 2050 г. въз основа на исторически и в момента планирани проекти (както за съхранение, така и за EOR до 2025 г., е ∼718 Mt годишно, което е далеч от зададената от Международната агенция по енергетика (МАЕ, англ. IEA) през 2015 г. цел от 6 000 – 7 000 Mt годишно. На база темповете на нарастване на улавянето на въглерод през изминалите десетилетия, като се отчитат единствено проектите за съхранение, очакванията са още по-ниски. Въз основа на годишна степен на съхранение от ∼7 млн. тона годишно през 2020 г. се прогнозира, че през 2050 г., ако темпът на растеж остане същият, степента на съхранение ще бъде ∼75 млн. тона годишно. Ако обаче проектите, предвидени да влязат в експлоатация между 2020 г. и 2030 г., го направят, въз основа на този темп на растеж, той ще бъде ∼306 Mt на година (фиг. 1). Това все още не е достатъчно, за да се постигнат целите по сценариите на IPCC и IAE и би представлявало едва между 4 и 5 % от необходимата степен на съхранение.

Фигура 1. Очаквани нива на уловен и съхранен въглероден диоксид до 2050 г. Сива пунктирана линия – на база планове за периода 2020 – 2030. Червена пунктирана линия – на база изградените проекти през 1970 – 2035. Източник.

Сценарият от т. нар. синя пътна карта на Международната агенция по енергетика (IEA) от 2009 г. изразява оптимизъм по отношение на растежа и внедряването на съоръжения за улавяне и съхранение на въглероден диоксид. През следващите няколко години обаче се наблюдава значително забавяне на темповете на развитие на CCS. Въпреки обширните научни изследвания и разработки, много инициативи в областта на CCS са в застой и понастоящем изглежда, че няма реалистични признаци за развитие в близко бъдеще.

Между 2010 и 2017, броят на съоръженията, предназначени за CCS, в това число тези в експлоатация, както и такива в процес на строеж или планиране, е намалял от 77 на 37. През последните няколко години обаче, броят на планираните проекти рязко нараства и към септември 2021 г. според Глобалния доклад за статута на CCS технологиите, изготвен от подкрепящия улавянето на въглерод австралийски аналитичен център Global CCS Institute, има общо 135 проекта, макар и 102 от тях да са в процес на планиране, а от останалите – едва 27 в експлоатация и 6 в строеж (фиг. 2). Според този доклад, в 79 от съоръженията в етап на развитие уловеният CO2 ще се съхранява, без да се използва за други цели (т.нар. специализирано геологично съхранение, англ.: dedicated geological storage).

Но въпреки това темпът на успешно внедряване остава много по-бавен от очакваното, особено ако вземем предвид единствено съоръженията в експлоатация и строеж.

Фигура 2. Обявени капацитети на улавяне на въглерод на година в милиони тонове на година за периода 2010 – 2021 г на действащи и планирани проекти.. В светло и тъмно синьо са представени проектите в процес на планиране, в лилаво – тези в строеж, а в червено са в експлоатация. Източник: Global CCS Institute.

Какъв е мащабът на настоящите проекти?

Според глобалния доклад на Global CCS Institute от 2021 г., през същата година в световен мащаб са уловени около 40 Mt въглероден диоксид, което е по-малко от годишните емисии на парникови газове (представени в еквивалент на CO2) на България. Това количество трябва да бъде увеличено 140 пъти, до 5600 Mt годишно до 2050 г., за да се ограничи глобалното затопляне до 2 градуса (според предвиденото в използвания от тях сценарий). За да се постигане целта инвестициите до средата на века трябва да възлизат на 650 млрд. – 1,28 трилиона долара.

През последните години има значително увеличение на броя на планираните проекти за CCS, макар резултатите на вече работещите съоръжения да не са задоволителни. Според базата данни на Global CCS Institute, към май 2022 г. има 7 проекта за улавяне в процес на строеж. Два от тях са в Норвегия, включващи улавяне на 0,4 Mt годишно в циментова фабрика, както и съоръжение за съхранение. В САЩ проектът ZEROS в Тексас е „предложен“ проект (за експлоатация през 2023 г.) и по план трябва да улавя 1,5 Mt годишно, а проектът Louisiana Clean Energy Complex в щата Луизиана се предвижда да улавя 5 Mt CO2 годишно от нисковъглеродно производство на водород и муниции. Sinopec Qili в Китай е химически завод и ще използва CO2 за подобрено извличане на нефт (EOR), в следствие на което ще се улавя и съхранява 1 Mt CO2 годишно, но при изгарянето на извлечения нефт ще се отделя сходно количество емисии от CO2. Guodian Taizhou, също в Китай, е 4000-мегаватова въглищна електроцентрала, от която 0,5 Mt CO2 по план трябва да бъдат улавяни и използвани главно за EOR. Santos Cooper Basin CCS Project в Австралия ще бъде изградена в рамките на централа за обработка на изкопаем газ (natural gas processing plant) и се очаква да улавя 1,7 Mt на година. В най-добрия случай всички проекти, класифицирани понастоящем в процес на изграждане, ще съхраняват 10,1 Mt годишно. Когато съберем това число с настоящото ниво на улавяне от 40 Mt на година, получаваме, че към средата на това десетилетие ще се улавят едва около 1/1000 от емисиите на въглероден диоксид, отделени в следствие на човешката дейност (ако те останат на нивата от 2019 г.). За сравнение, внедряването на нова възобновяема енергия между 2016 г. и 2020 г. включително е довело до общо 1348 Mt избегнати емисии (такива, които биха се отделили, ако вместо ВЕИ се използва енергия от изкопаеми горива) и до 440 Mt през 2020 г. според публикация на IEA. Само в Германия, през 2021 г. по данни на Немската агенция за околната среда, използването на ВЕИ е предотвратило 221 Mt емисии на CO2. А ако разгледаме общото ниво на генерирана енергия от ВЕИ в света през 2021 г. – по данни на IEA то възлиза на 8300 TWh (или 8,3 трилиона kWh) и ако приемем, че средно от потреблението на 1 kWh енергия се произвеждат 0,38 kg емисии на CO2 (оценка за САЩ през 2020 г.), след прости сметки се вижда, че през 2021 г. производството на енергия от възобновяеми източници е довело до избягването на 3175 Mt CO2, или към 80 пъти повече отколкото чрез настоящите съоръжения за CCS. Този пример, разбира се, не е напълно точен, но илюстрира огромната разлика на настоящите нива и на способността за намаляването на емисиите между ВЕИ и технологиите за улавяне на въглерод.

Освен това, съществуват съмнения дали представените по план нива на улавяне в даден проект ще бъдат осъществени на практика. Два знакови примера са съоръжения PetraNova и Boundary Dam.

Проектът PetraNova, на стойност около 1 милиард щатски долара, включва оборудването на W.A. Parish Generating Station, въглищна и газова електроцентрала, със съоръжения за улавяне на въглерод след процеса на изгаряне на изкопаемите горива. По план е трябвало да се улавят 1,4 Mt на година. Но на практика е улавяно със 17% по-малко от целта, а през 2020 г. съоръжението е затворено, тъй като се счита за икономически неизгодно. Макар и изтъкнатите причини да са във връзка с пандемията от COVID-19, инсталацията не е възобновила дейност и до ден днешен.

Boundary Dam #3 в Саскачеван, Канада, на стойност 1,5 милиарда долара, е единственото работещо в момента съоръжение за CCS, разположено във въглищна електроцентрала. По план, проектът трябва да улавя до 90% от отделения при изгарянето в централата CO2, което съответства на 3200 тона на ден или на малко над 1 Mt годишно. От стартирането на работа на инсталацията през 2014 г. обаче, през нито една година не е достигната тази цел (фиг. 3), като през 2021 г. е уловено едва 37% от планираното. От 2014 г. насам нивото на улавяне на CO2 е значително по-ниско от 60% през повечето години.

Фигура 3. Уловени тонове CO2 в централата Boundary Dam за периода 2014-2021 г. Източник.

През 2018 г. SaskPower решава да не оборудва останалите реактори от въглищната централа със CCS, а вместо това да ги затвори, изтъквайки икономически причини. Част от извлечения в Boundary Dam #3 въглерод се използва за подобрено извличане на нефт (EOR), макар и точното количество да не е известно.

Подобрено извличане на нефт (EOR)

Подобреното извличане на нефт (enhanced oil recovery – EOR) включва група от методи за извличане на нефт от подземните резервоари, различни от стандартните т.нар. първични и вторични методи. Сред тях се причислява инжектирането на въглероден диоксид или други газове в нефтеното находище (фиг. 4), които, веднъж попаднали под земята, започват да се разширяват и водят до избутване на нефта към мястото на извличане. По този начин е възможно да се добие значително по-голямо количество нефт от находището отколкото чрез традиционните методи.

Фигура 4. Опростена схема на подобрено извличане на нефт. Източник.

Понастоящем по-голямата част от уловения CO2 в света се използва за EOR (фиг. 5). В краткосрочен план от 27-те действащи в момента проекта само 6 не използват уловения CO2 за EOR (газовият завод Gorgon в Австралия, съоръжението Quest в Канада, заводът за втечнен изкопаем газ в Катар, проектите Sleipner и Snøhvit на Equinor в Норвегия и индустриалният завод BECCS в Илинойс, САЩ). Съотношението между EOR и другите практики за съхранение показва, че кумулативно (през 2020 г.) ∼73 млн. тона са били съхранени в резервоари (без да се броят емисиите на новоизвлечения нефт), докато ∼487 млн. тона (което включва както уловения CO2, така и CO2, извлечен от природни резервоари) са били използвани в операции по EOR в световен мащаб, най-вече в САЩ. Ако планираните проекти след 2021 г. се осъществят (фиг. 5), прогнозираното количество за съхранение до 2035 г. ще нарасне до около 700 Mt, което ще възлиза на едва 10-12 % от очакваните до 2050 г. 6 000-7 000 Mt годишно. EOR се е превърнало в стимул за проектите за CCS и след инжектиране има висок коефициент на задържане.

Фигура 5. Областна диаграма с исторически и планирани (към 2021 г.) до 2035 г. количества на уловен Mt въглероден диоксид. В черно – делът на уловен CO2 чрез EOR, зелено – делът, уловен чрез технологии за улавяне и складиране на въглерод. Източник.

По-голямата част от въглеродния диоксид, използван в процеса на EOR, се улавя от природни подземни източници или като страничен продукт от добива на изкопаем газ, и следователно не допринася за намаляване на емисиите, свързани с използването на изкопаеми горива. Според глобалната база данни на IEA за свързаните с EOR проекти ∼500 000 барела нефт се добиват дневно с помощта на методите за EOR. Прогнозите са, че до 2040 г. този брой ще нарасне до над 4,5 милиона барела на ден. Поради тези причини EOR се разглежда като контрапродуктивна мярка за смекчаване на последиците от изменението на климата. В най-добрия случай, той би могъл отчасти да компенсира емисиите от добития нефт (по оценка нa IEA, с около 37%), с уговорката, че използваният СО2 за ЕОR е уловен и транспортиран антропогенен СО2 от съществуващи емисионни съоръжения, например от трудни за декарбонизиране промишлени източници на емисии като циментовото производство и черната металургия.

Речник

Улавяне и съхранение на въглероден диоксид/ въглерод (англ.: carbon dioxide capture and storage, CCS) – Процес, при който въглероден диоксид (CO2) от промишлени и свързани с енергетиката източници, се улавя преди навлизането си в атмосферата, а в след това се пречиства, компресира и транспортира до място за съхранение с цел дългосрочно изолиране от атмосферата. За да се улови CO2, той трябва да се „отдели“ от въздуха чрез определен метод, например химична реакция.
Улавяне и използване на въглероден диоксид/ въглерод (англ.: carbon dioxide capture and utilisation, CCU) – Процес, при който CO2 се улавя и въглеродът се използва в продукт. Въздействието на CCU върху климата зависи от времето на живот на продукта и от продукта, на мястото на който се използва и от източникът на CO2 (изгаряне на изкопаеми горива, биомаса или директно улавяне от атмосферата).
Отстраняване на въглероден диоксид (англ.: carbon dioxide removal, CDR) – Това са методи възникнали от човешки дейности, които премахват от атмосферата CO2 и трайно го съхраняват в геоложки, сухоземни или океански резервоари, а също така и в продукти. Те включват съществуващи или потенциални антропогенни усилвания на биологични или геохимични въглеродни поглътители (например засаждане на допълнителни площи гори), както и директно улавяне и последващо съхранение на въглероден диоксид от въздуха, но не включва естествени процеси на поглъщане, които не са директно причинени от човешката дейност.
Директно улавяне и съхранение на въглероден диоксид (англ.: direct air carbon dioxide capture and storage, DACCS) – Химически процес, при който CO2 се улавя директно от околния въздух, с последващо съхранение.
Биоенергия в комбинация с улавяне и съхранение на въглероден диоксид (BECCS) – Приложение на технологиите за улавяне и съхранение на въглерод (CCS) в централа за производство на енергия от биомаса. В зависимост от общите емисии на снабдяващата верига, процесът може да доведе до нетно извличане на въглероден диоксид от атмосферата, т.е. до отрицателни емисии.
Подобрено извличане на нефт (англ.: enhanced oil recovery, EOR) – Извличане на нефт, който не може да бъде добит по традиционни начини. Това се случва чрез различни методи, сред които е и инжектирането на въглероден диоксид в нефтеното находище, при който CO2 се запечатва под земята.

Източник заглавна снимка: Adobe Stock Images

Използвани източници: