Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода ( BECCS ) – это процесс извлечения биоэнергии из биомассы , а также улавливания и хранения углерода , тем самым удаляя его из атмосферы . [1] BECCS теоретически может быть « технологией отрицательных выбросов » (NET), [2] хотя ее внедрение в масштабах, рассматриваемых многими правительствами и отраслями промышленности, может «также создавать серьезные экономические, технологические и социальные проблемы осуществимости; угрожать продовольственной безопасности и права человека и риск пересечь многочисленные планетарные границы с потенциально необратимыми последствиями». [3] Углерод в биомассе поступает из углекислого газа, вызывающего парниковый эффект (CO 2 ), который извлекается из атмосферы биомассой при ее росте. Энергия («биоэнергия») извлекается в полезных формах (электричество, тепло, биотопливо и т. д.), поскольку биомасса используется посредством сжигания, ферментации, пиролиза или других методов преобразования.
Некоторая часть углерода в биомассе преобразуется в CO 2 или биоуголь , который затем может храниться путем геологической секвестрации или внесения в почву, соответственно, что позволяет удалять углекислый газ (CDR). [2]
Потенциальный диапазон отрицательных выбросов от BECCS оценивается от нуля до 22 гигатонн в год. [4] По состоянию на 2019 год пять объектов по всему миру активно использовали технологии BECCS и улавливали около 1,5 миллионов тонн CO 2 в год . [5] Широкое внедрение BECCS сдерживается стоимостью и доступностью биомассы. [6] [7] : 10 [обновлять]
Основная привлекательность BECCS заключается в ее способности приводить к отрицательным выбросам CO 2 . Улавливание углекислого газа из источников биоэнергии эффективно удаляет CO 2 из атмосферы. [8] [9]
Биоэнергия получается из биомассы, которая является возобновляемым источником энергии и служит поглотителем углерода во время своего роста. В ходе промышленных процессов сжигаемая или перерабатываемая биомасса повторно выбрасывает CO 2 в атмосферу. Технология улавливания и хранения углерода (CCS) служит для перехвата выброса CO 2 в атмосферу и перенаправления его в геологические места хранения, [10] [11] или бетон. [12] [13] Таким образом, этот процесс приводит к нулевым чистым выбросам CO 2 , хотя это может быть положительно или отрицательно изменено в зависимости от выбросов углерода, связанных с ростом биомассы, ее транспортировкой и переработкой, см. ниже, посвященные экологическим соображениям. [14] CO 2 происхождения из биомассы выделяется не только на электростанциях, работающих на биомассе, но также при производстве целлюлозы , используемой для изготовления бумаги, и при производстве биотоплива, такого как биогаз и биоэтанол . Технология BECCS также может применяться в подобных промышленных процессах [15] и производстве цемента. [16]
Технологии BECCS временно улавливают углекислый газ в геологических формациях, тогда как дерево сохраняет углерод только в течение своей жизни. В 2005 году было подсчитано, что более 99% углекислого газа, хранящегося в результате геологической секвестрации, вероятно, останется на месте более 1000 лет. [17] В 2005 году IPCC подсчитала, что технология BECCS обеспечит «лучшую устойчивость» за счет хранения CO 2 в геологических формациях под землей по сравнению с другими типами поглотителей углерода. Поглотители углерода, такие как океан, деревья и почва, сопряжены с риском негативных последствий изменения климата при повышении температуры. [18] [17]
Промышленные процессы выделяют слишком много CO 2 , чтобы его могли поглотить обычные поглотители, такие как деревья и почва, для достижения целей по снижению выбросов. [19] В дополнение к накопленным в настоящее время выбросам, в этом столетии произойдут значительные дополнительные выбросы, даже в самых амбициозных сценариях с низким уровнем выбросов. Поэтому BECCS была предложена в качестве технологии, позволяющей обратить вспять тенденцию выбросов и создать глобальную систему чистых отрицательных выбросов. [1] [20] [19] [21] [22] Это означает, что выбросы будут не только нулевыми, но и отрицательными, так что не только выбросы, но и абсолютное количество CO 2 в атмосфере будет сокращено.
Смета затрат на BECCS варьируется от 60 до 250 долларов США за тонну CO 2 . [23]
Было подсчитано, что электрогеохимические методы сочетания электролиза соленой воды с выветриванием минералов с использованием электроэнергии, получаемой из неископаемого топлива, могут в среднем увеличить как выработку энергии, так и удаление CO 2 более чем в 50 раз по сравнению с BECCS, при эквивалентной или даже меньшей стоимости. стоимость, но для разработки таких методов необходимы дальнейшие исследования. [24]
Основная технология улавливания CO 2 из биотических источников обычно использует ту же технологию, что и улавливание углекислого газа из традиционных источников ископаемого топлива. [25] В целом существуют три различных типа технологий: дожигание , предварительное сжигание и кислородно-топливное сжигание . [26]
Сжигание кислородно-топливного топлива является распространенным процессом в стекольной, цементной и сталелитейной промышленности. Это также многообещающий технологический подход для CCS. Основное отличие кислородно-топливного сжигания от обычного воздушного сжигания заключается в том, что топливо сжигается в смеси O 2 и рециркулируемых дымовых газов. O 2 производится установкой разделения воздуха (ВРУ), которая удаляет атмосферный N 2 из потока окислителя . За счет удаления N 2 перед процессом образуется дымовой газ с высокой концентрацией CO 2 и водяного пара, что устраняет необходимость в установке улавливания после сжигания. Водяной пар можно удалить путем конденсации, оставив поток продукта, представляющий собой CO 2 относительно высокой чистоты , который после последующей очистки и обезвоживания можно перекачивать в геологическое хранилище. [27]
Ключевые проблемы внедрения BECCS с использованием кислородного сжигания связаны с процессом горения. Для биомассы с высоким содержанием летучих необходимо поддерживать низкую температуру мельницы, чтобы снизить риск возгорания и взрыва. Кроме того, температура пламени ниже. Поэтому концентрацию кислорода необходимо увеличить до 27-30%. [27]
«Улавливание углерода перед сжиганием» описывает процессы, в которых улавливается CO 2 перед выработкой энергии. Часто это осуществляется в пять этапов: производство кислорода, производство синтез-газа, отделение CO 2 , сжатие CO 2 и выработка электроэнергии. Топливо сначала проходит процесс газификации путем реакции с кислородом с образованием потока CO и H 2 , который представляет собой синтез-газ. Затем продукты пройдут через реактор конверсии водяного газа с образованием CO 2 и H 2 . Произведенный CO 2 затем будет улавливаться, а H 2 , который является чистым источником, будет использоваться для сжигания с целью получения энергии. [28] Процесс газификации в сочетании с производством синтез-газа называется комбинированным циклом интегрированной газификации (IGCC). Источником кислорода может служить установка разделения воздуха (ВРУ), но некоторые исследования показали, что при том же дымовом газе газификация кислорода лишь немного лучше, чем газификация воздуха. Оба имеют термический КПД примерно 70% при использовании угля в качестве источника топлива. [27] Таким образом, использование ASU при предварительном сжигании не является необходимым.
Биомасса считается «не содержащей серы» топливом для улавливания перед сжиганием. Однако при сжигании биомассы присутствуют и другие микроэлементы, такие как К и Na, которые могут накапливаться в системе и в конечном итоге вызывать разрушение механических частей. [27] Таким образом, необходимы дальнейшие разработки методов разделения этих микроэлементов. А также после процесса газификации CO 2 занимает до 13% - 15,3% по массе в потоке синтез-газа для источников биомассы, тогда как для угля он составляет всего 1,7% - 4,4%. [27] Это ограничивает конверсию CO в CO 2 при конверсии водяного газа, и производительность по H 2 соответственно снизится. Однако термическая эффективность улавливания биомассы перед сжиганием аналогична тепловой эффективности угля, которая составляет около 62–100%. Некоторые исследования показали, что использование сухой системы вместо подачи топлива из биомассы/водной суспензии было более термически эффективным и практичным для биомассы. [27]
Помимо технологий предварительного сжигания и кислородно-топливного сжигания, пост-сжигание является многообещающей технологией, которая может быть использована для извлечения выбросов CO 2 из топливных ресурсов биомассы. В ходе этого процесса CO 2 отделяется от других газов в потоке дымовых газов после сгорания топлива из биомассы и подвергается процессу разделения. Поскольку существует возможность модернизации некоторых существующих электростанций, таких как паровые котлы или другие недавно построенные электростанции, технология дожигания считается лучшим вариантом, чем технология предварительного сжигания. Согласно информационным бюллетеням « ПОТРЕБЛЕНИЕ БИОЭНЕРГИИ В США С УДАЛЕНИЕМ И ХРАНЕНИЕМ УГЛЕРОДА», опубликованным в марте 2018 года, ожидается, что эффективность технологии дожигания составит 95%, в то время как предварительное сжигание и кислородное сжигание улавливают CO 2 с эффективной скоростью 85% и 87,5% соответственно. [29]
Разработка современных технологий дожигания не была полностью завершена из-за ряда проблем. Одной из основных проблем при использовании этой технологии для улавливания углекислого газа является паразитное потребление энергии. [30] Если мощность агрегата спроектирована небольшой, потери тепла в окружающую среду будут достаточно велики, чтобы вызвать слишком много негативных последствий. Еще одна проблема улавливания углерода после сжигания заключается в том, как обращаться с компонентами смеси в дымовых газах исходных материалов биомассы после сгорания. Смесь состоит из большого количества щелочных металлов, галогенов, кислотных элементов и переходных металлов, которые могут отрицательно повлиять на эффективность процесса. Таким образом, выбор конкретных растворителей и способы управления процессом растворения должны быть тщательно продуманы и реализованы.
Источники биомассы, используемые в BECCS, включают остатки и отходы сельского хозяйства, остатки и отходы лесного хозяйства, промышленные и муниципальные отходы, а также энергетические культуры, специально выращенные для использования в качестве топлива. [31] Текущие проекты BECCS улавливают CO 2 на заводах по биопереработке этанола и центрах по переработке твердых бытовых отходов (ТБО).
Чтобы гарантировать, что улавливание углерода на основе биомассы осуществимо и углеродно-нейтрально, необходимо решить целый ряд проблем. Запасы биомассы требуют наличия воды и удобрений, которые сами по себе существуют в сочетании с экологическими проблемами, такими как разрушение ресурсов, конфликты и сток удобрений. Вторая серьезная проблема связана с логистикой: громоздкие продукты биомассы требуют транспортировки в географические объекты, которые позволяют их секвестрацию. [32]
По состоянию на 2017 год в мире существовало 23 проекта BECCS, большинство из которых находились в Северной Америке и Европе. [27] [33]
Проект промышленного улавливания и хранения углерода в Иллинойсе (IL-CCS), начатый в начале 21 века, является первым проектом промышленного масштаба по биоэнергетике с улавливанием и хранением углерода (BECCS). Расположенная в Декейтере, штат Иллинойс, США, установка IL-CCS улавливает углекислый газ (CO2) с завода по производству этанола Archer Daniels Midland (ADM) и закачивает его в песчаник Маунт-Саймон, глубокую соляную формацию. Проект IL-CCS разделен на два этапа. Капитальные затраты на пилотный этап, продлившийся с ноября 2011 по ноябрь 2014 года, составили около 84 миллионов долларов. За этот период проект успешно уловил и изолировал 1 миллион тонн CO2 без каких-либо обнаруженных утечек из зоны закачки. Мониторинг продолжается для дальнейшего использования. Фаза 2 началась в ноябре 2017 года с использованием той же зоны закачки с капитальными затратами около 208 миллионов долларов, включая 141 миллион долларов на финансирование Министерства энергетики. Мощность улавливания на этом этапе в три раза превышает мощность пилотного проекта, что позволяет IL-CCS улавливать более 1 миллиона тонн CO2 в год. По состоянию на 2019 год IL-CCS был крупнейшим проектом BECCS в мире. [34] [35] [36]
Помимо IL-CCS, несколько других проектов улавливают CO2 на заводах по производству этанола в меньших масштабах. Примеры включают в себя:
В настоящее время [ когда? ] в Европе существует 2 модели, предназначенные для улавливания CO 2 при переработке твердых бытовых отходов. Завод Клеметсруд в Осло, Норвегия, использует биогенные твердые бытовые отходы для производства 175 ГВтч и улавливания 315 тыс. тонн CO 2 каждый год. В нем используется технология абсорбции с растворителем Aker Solution Advanced Amine в качестве устройства улавливания CO 2 . Аналогично, ARV Duiven в Нидерландах использует ту же технологию, но улавливает меньше CO 2 , чем предыдущая модель. ARV Duiven генерирует около 126 ГВтч и улавливает только 50 тыс. тонн CO 2 каждый год. [ нужна цитата ]
Начиная с 2021 года Европейский Союз профинансировал преобразование существующей когенерационной установки на биомассе стокгольмской энергетической компании Stockholm Exergi. [37] CO 2 улавливается путем смешивания горячего карбоната калия с дымовыми газами, выбрасываемыми электростанцией, что означает первое широкомасштабное применение этой технологии. Уловленный CO 2 сжижается для более эффективной транспортировки и хранится на глубине около 800 метров в подводных геологических водоносных горизонтах и на истощенных месторождениях нефти и газа. В 2024 году было объявлено, что Microsoft приобрела кредиты на удаление углекислого газа для окончательного удаления 3,3 миллиона метрических тонн CO 2 у компании Stockholm Exergi. [38]
В 2024 году британское правительство одобрило инвестиции в установку улавливания углерода на двух из четырех установок, работающих на биомассе, электростанции Дракс , которая потенциально способна улавливать около восьми миллионов тонн CO 2 в год. [39]
Некоторые экологические соображения и другие опасения по поводу широкого внедрения BECCS аналогичны соображениям CCS. Однако большая часть критики в адрес технологии CCS заключается в том, что она может усилить зависимость от истощаемых ископаемых видов топлива и экологически инвазивной добычи угля. Это не относится к BECCS, поскольку он опирается на возобновляемую биомассу. Однако существуют и другие соображения, связанные с BECCS, и эти опасения связаны с возможным увеличением использования биотоплива . Производство биомассы подвержено ряду ограничений устойчивости, таких как: нехватка пахотных земель и пресной воды, потеря биоразнообразия , конкуренция с производством продуктов питания и вырубка лесов . [40] [ устаревший источник ] Важно убедиться, что биомасса используется таким образом, чтобы максимизировать как энергетические, так и климатические выгоды. Некоторые предложенные сценарии развертывания BECCS, в которых будет очень сильно полагаться на увеличение ввода биомассы, подвергались критике. [41]
Для эксплуатации BECCS в промышленных масштабах потребуются большие площади земли. Чтобы удалить 10 миллиардов тонн CO 2 , потребуется более 300 миллионов гектаров земли (больше, чем в Индии). [23] В результате BECCS рискует использовать земли, которые могли бы лучше подходить для сельского хозяйства и производства продуктов питания, особенно в развивающихся странах. [ нужна цитата ]
Эти системы могут иметь и другие негативные побочные эффекты. Однако в настоящее время нет необходимости расширять использование биотоплива в энергетике или промышленности, чтобы обеспечить внедрение BECCS. Уже сегодня наблюдаются значительные выбросы из точечных источников CO 2 , полученного из биомассы , который можно было бы использовать для BECCS. Хотя в возможных будущих сценариях масштабирования биоэнергетических систем это может оказаться важным фактором. [ нужна цитата ]
В Шестом оценочном докладе МГЭИК говорится : «Широкое внедрение биоэнергетики с улавливанием и хранением углерода (BECCS) и облесение потребует большего количества ресурсов пресной воды, чем использовалось предыдущей растительностью, изменяя водный цикл в региональных масштабах (высокая степень достоверности) с потенциальными последствиями. для использования ниже по течению, биоразнообразия и регионального климата, в зависимости от предшествующего растительного покрова, фоновых климатических условий и масштаба развертывания (высокая степень достоверности)». [42]
Задача применения технологии BECCS, как и других технологий улавливания и хранения углерода, заключается в поиске подходящих географических мест для строительства установки сжигания и улавливания уловленного CO 2 . Если источники биомассы не находятся рядом с установкой сжигания, при транспортировке биомассы выделяются выбросы CO 2 , компенсирующие количество CO 2 , улавливаемое системой BECCS. BECCS также сталкивается с техническими проблемами по поводу эффективности сжигания биомассы. Хотя каждый тип биомассы имеет разную теплотворную способность, биомасса в целом является топливом низкого качества. Термическая конверсия биомассы обычно имеет эффективность 20-27%. [43] Для сравнения, угольные электростанции имеют КПД около 37%. [44]
BECCS также сталкивается с вопросом, действительно ли этот процесс является энергетически положительным. Низкая эффективность преобразования энергии , энергоемкая подача биомассы в сочетании с энергией, необходимой для питания устройства улавливания и хранения CO 2 , налагают на систему энергетические потери. Это может привести к снижению эффективности выработки электроэнергии. [45]
Ежегодно во всем мире образуется 14 Гт отходов лесного хозяйства и 4,4 Гт отходов растениеводства (в основном ячменя, пшеницы, кукурузы, сахарного тростника и риса). Это значительное количество биомассы, которое можно сжечь для получения 26 ЭДж/год и достижения 2,8 Гт отрицательных выбросов CO 2 посредством BECCS. Использование отходов для улавливания углерода принесет социальные и экономические выгоды сельским общинам. Использование отходов растениеводства и лесного хозяйства — это способ избежать экологических и социальных проблем, связанных с BECCS. [46]
Среди пропагандируемых стратегий лесной биоэнергетики газификация лесных отходов для производства электроэнергии получила политическое распространение во многих развивающихся странах из-за обилия лесной биомассы и ее доступности, учитывая, что она является побочным продуктом обычного функционирования лесного хозяйства. [47] Кроме того, в отличие от спорадического характера ветровой и солнечной энергии, газификация лесных отходов для производства электроэнергии может быть непрерывной и модифицироваться для удовлетворения изменения спроса на энергию. Лесная промышленность имеет все возможности для того, чтобы сыграть заметную роль в содействии принятию и расширению масштабов стратегий лесной биоэнергетики в ответ на проблемы энергетической безопасности и изменения климата. [47] Однако экономические затраты на использование лесных отходов для производства биоэлектричества и их потенциальное финансовое влияние на традиционные лесохозяйственные операции плохо представлены в исследованиях лесной биоэнергетики. Изучение этих возможностей, особенно в контексте развивающихся стран, может быть подкреплено исследованиями, оценивающими финансовую осуществимость совместного производства древесины и биоэлектричества. [47]
Несмотря на растущее количество политических директив и мандатов на производство электроэнергии из древесной биомассы, неопределенность в отношении финансовой осуществимости и рисков для инвесторов продолжают препятствовать переходу на этот путь использования возобновляемых источников энергии, особенно в развивающихся странах, где спрос является самым высоким. Это связано с тем, что инвестиции в проекты лесной биоэнергетики подвержены высокому уровню финансовых рисков. Высокие капитальные затраты, эксплуатационные затраты и затраты на техническое обслуживание установки газификации на основе лесоматериалов и связанные с ними риски могут удержать потенциального инвестора от инвестиций в проект по производству биоэлектричества на основе леса. [47]
Твердые бытовые отходы (ТБО) являются одним из новых источников биомассы. [48] Два нынешних завода BECCS используют ТБО в качестве сырья. Отходы, собранные в результате повседневной жизни, перерабатываются посредством процесса сжигания отходов. Отходы проходят высокотемпературную термическую обработку, а тепло, образующееся при сжигании органической части отходов, используется для выработки электроэнергии. CO 2 , выделяющийся в результате этого процесса, улавливается путем абсорбции с использованием МЭА . [ нужны разъяснения ] На каждый 1 кг сжигаемых отходов достигается 0,7 кг отрицательных выбросов CO 2 . Утилизация твердых отходов также имеет и другие экологические преимущества. [46]
По состоянию на 2017 год в мире насчитывалось около 250 заводов по совместному сжиганию, в том числе 40 в США. [49] Совместное сжигание биомассы с углем имеет эффективность, близкую к эффективности сжигания угля. [44] Вместо совместного сжигания может быть предпочтительным полный перевод угля в биомассу на одном или нескольких энергоблоках электростанции. [50]
В соответствии с соглашением Киотского протокола проекты по улавливанию и хранению углерода не могли применяться в качестве инструмента сокращения выбросов для использования в рамках Механизма чистого развития (МЧР) или проектов совместного осуществления (СО). [51] С 2006 года растет поддержка включения ископаемых CCS и BECCS в протокол и Парижское соглашение. Также были проведены бухгалтерские исследования о том, как это можно реализовать, включая BECCS. [52]
Существовали политики, стимулирующие использование биоэнергии, такие как Директива о возобновляемых источниках энергии (RED) и Директива о качестве топлива (FQD), которые требуют, чтобы к 2020 году 20% общего потребления энергии было основано на биомассе, биожидкостях и биогазе. [53]
Швеция
Правительство Швеции поручило Шведскому энергетическому агентству разработать шведскую систему поддержки BECCS, которая должна быть внедрена к 2022 году. [54]
В 2018 году Комитет по изменению климата рекомендовал, чтобы авиационное биотопливо обеспечивало до 10% общего спроса на авиационное топливо к 2050 году и чтобы все авиационное биотопливо производилось с использованием CCS, как только технология станет доступной. [55] : 159
В 2018 году Конгресс США увеличил и продлил налоговую льготу по разделу 45Q на секвестрацию оксидов углерода , что является главным приоритетом сторонников улавливания и секвестрации углерода (CCS) в течение нескольких лет. Он увеличил налоговую льготу с 25,70 до 50 долларов США на тонну CO 2 для безопасного геологического хранения и налоговую льготу с 15,30 до 35 долларов США на тонну CO 2 , используемую при повышении нефтеотдачи. [56]
Ограниченные исследования изучали общественное восприятие BECCS. [ нужна цитата ] Из этих исследований большинство происходит из развитых стран северного полушария и, следовательно, не может отражать мировую точку зрения.
В исследовании 2018 года с участием онлайн-респондентов из Великобритании, США, Австралии и Новой Зеландии респонденты продемонстрировали низкую осведомленность о технологиях BECCS. Измерения восприятия респондентов позволяют предположить, что общественность ассоциирует BECCS с балансом как положительных, так и отрицательных качеств. В четырех странах 45% респондентов заявили, что поддержат мелкомасштабные испытания BECCS, тогда как только 21% выступили против. BECCS был умеренно предпочтителен среди других методов удаления углекислого газа, таких как прямой захват воздуха или усиленное выветривание , и значительно предпочтительнее методов управления солнечной радиацией . [57]
Исследование, проведенное в 2019 году в Оксфордшире, Великобритания, показало, что на общественное восприятие BECCS существенно повлияла политика, используемая для поддержки этой практики. Участники в целом одобрили налоги и стандарты, но у них были смешанные чувства по поводу финансовой поддержки со стороны правительства. [58]
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )