Технологии улавливания и захоронения углерода

Изменение климата, обусловленное выбросами парниковых газов, становится все более острой глобальной проблемой. Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли в 2016 г. преодолела психологически значимую отметку в 400 ppm (parts per million — частицы СО₂ на миллион частиц воздуха). Ожидается, что к концу столетия концентрация СО₂ может увеличиться примерно в 2 раза. При этом, несмотря на устойчивый рост солнечной и ветровой энергетики, конкурентоспособной альтернативы традиционным технологиям сжигания углеводородов до сих пор не существует.
По данным Международного энергетического агентства, наибольшая доля выбросов углекислого газа приходится на предприятия черной металлургии (30%) и цементной промышленности (26%). Спрос на продукцию этих отраслей вырастет к 2050 г. на 30% и 22% соответственно. Технологии улавливания и захоронения углерода (carbon capture and storage technology — CCS) признаны критически важными для сдерживания роста температуры на планете в пределах 1,5–2 °С к 2050 г. Применение этих технологий — эффективный способ существенно снизить объем выбросов «грязных» предприятий.
Используемый метод аминовой очистки, в силу запретительной дороговизны, не нашел широкого применения в промышленности. Однако новые технологические решения (например, применение ферментов, мембран и хемосорбентов) будут способствовать удешевлению данного метода и его широкому внедрению.

Версия для печати: 

Технологии улавливания и захоронения углерода

ВЫДЕЛЕНИЕ СО₂ ИЗ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ В КАЛЬЦИЕВО-КАРБОНАТНОМ ЦИКЛЕ

Высокая стоимость промышленных установок, отсутствие универсальной инфраструктуры и значительная энерго- и ресурсоемкость сдерживают активное применение традиционных методов выделения СО₂ из дымовых газов. На фоне данных ограничений прорывной стала технология кальциево-карбонатного цикла (ККЦ), использующая в качестве хемосорбента (сорбент, образующий при взаимодействии с поглощаемым веществом химическое соединение) оксид кальция, который получают из дешевых и широко распространенных кальцийсодержащих известняков и доломитов.

Техническая реализация метода заключается в перемещении сорбента CaO между двумя реакторами с кипящим слоем, в одном из которых при пониженной температуре происходит поглощение СО₂, а в другом при более высокой температуре — разложение карбоната кальция. Применение данной технологии ориентировано, в первую очередь, на угольные электростанции с высокими выбросами СО₂ на единицу производимой мощности.
Использование ККЦ для выделения СО₂ из дымовых газов имеет ряд несомненных преимуществ, среди которых: относительная дешевизна метода, значительное сокращение количества требуемого для реакции кислорода, а также ускорение процесса поглощения углекислого газа благодаря высокой температуре проведения реакции.

---

---

 

Эффекты   Снижение удельной стоимости предотвращенного выброса СО2 в 2 раза (с 1800 руб./т (традиционная аминовая очистка) до 900 руб./т)  Сокращение энергопотерь до 6–8% (по сравнению с 13–15% в аминовых технологиях)  Коэффициент улавливания — около 90% от общего количества СО2  Возможность выделения СО2 при температурах свыше 600 °С

Оценки рынка $29 млрд  к 2020 г. составит удельная стоимость предотвращенного выброса СО2 с использованием технологии ККЦ в России  Рынок технологий улавливания СО2 только развивается, по всему миру действуют 22 проекта с использованием этих технологий, 14 проектов ожидают старта.  В 2015 г. объем мирового рынка улавливания СО2 в номинальном выражении составил 61,2 килотонны в 2015 г.  Вероятный срок максимального проявления технологического тренда: 2030–2040 гг.

Драйверы и барьеры   Удобство использования автомобильной техники на ТЭ (не требуют перезарядки, моментально поставляют электроэнергию, выработка энергии ТЭ не зависит от времени суток, погодных условий и др.)  В перспективе открытие более дешевых и эффективных катализаторов для получения водорода позволит значительно снизить стоимость производства водородных ТЭ  Высокие затраты на выработку водорода: от $4 до $12 за килограмм в разных странах (бензин-галлоновая эквивалентная стоимость составляет от $1,60 до $4,80)  Отсутствие автомобильной инфраструктуры  Сложность в эксплуатации: уязвимость к ударным нагрузкам и сотрясениям, взрывоопасность, при низких температурах ТЭ требуют внешнего подогрева из-за замерзающей воды  Отсутствие единых стандартов безопасности, хранения, транспортировки, распределения и применения водородных ТЭ

---

---

Международные научные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Заделы» – наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

---

ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЕ ВЫДЕЛЕНИЕ СО₂ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФЕРМЕНТОВ

При выборе метода CCS первостепенное значение имеют экологичность и рентабельность технологии. Одним из наиболее перспективных способов выделения СО₂ является использование ферментов — органических веществ белковой природы. Ключевая роль в ферментном разделении СО₂ отводится карбоангидразе, имитирующей природный фермент человеческих легких, который захватывает и выводит СО₂ из крови и тканей. Она катализирует химическую реакцию между диоксидом углерода и водой, преобразуя углекислый газ в бикарбонат, который затем может быть переработан в пищевую соду и мел.

Для работы в промышленных условиях фермент иммобилизуется с растворителем внутри реактора. При прохождении дымового газа через растворитель фермент превращает углекислый газ в бикарбонат.

---

---

Эффекты   Ускорение процесса выделения СО2 из промышленных выбросов с использованием мембран на ферментах в 100 раз по сравнению с традиционными полимерными мембранами   В 10–100 раз увеличится эффективность выделения СО2 из дымовых газов с использованием ферментов в мембранах по сравнению с использованием в них азота   Получение экологически чистого (на 90–99%) углекислого газа   Сокращение выбросов СО2 на 1,2 Мт в год на одной угольной электростанции мощностью 1000 МВт

Оценки рынка   $7,8 млрд в 2019 г. составит объем глобального рынка промышленных ферментов (темпы ежегодного роста — 8%).   $300 млн к 2019 г. достигнет российский рынок промышленных ферментов (в 2012 г. — $173 млн, темпы роста — 10% в год) Вероятный срок максимального проявления тренда: 2040–2050 гг.

Драйверы и барьеры   Увеличение выплат предприятий за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу    Развитие биотехнологий и признание ферментов эффективным катализатором в энергетике    Относительно низкие капитальные затраты на установку и эксплуатацию систем очистки выбросов с использованием ферментов    Отсутствие стимулов по использованию ферментов в промышленном производстве в связи с наличием менее затратных технологий     Высокая конкуренция на мировом рынке ферментов и ферментных препаратов

---

---

Международные научные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Белые пятна» – существенное отставание от мирового уровня, отсутствие (или утрата) научных школ

МЕМБРАННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЗАХВАТА СО₂ ДО СЖИГАНИЯ

Существенная роль в сокращении эмиссии углекислого газа и уменьшении негативных последствий глобального изменения климата принадлежит технологиям захвата СО₂ до сжигания. Однако использование традиционных аминовых технологий увеличивает стоимость электроэнергии на 80% и ее расход на 25–40% от показателей без применения технологий CCS.

Среди доступных альтернатив наиболее перспективно использование мембранных систем, не требующих серьезных инвестиций по установке. Мембрана пропускает конденсирующиеся пары (C3+ углеводороды и тяжелее; ароматические углеводороды; воду), но не пропускает неконденсируемые газы (метан, этан, азот и водород). Данный метод позволит существенно снизить негативное влияние выбросов углекислого газа на экологию, сократит затраты на электроэнергию.

---

---

Эффекты   Достижение уровня чистоты продуктов СО2 в 95–98%   Снижение стоимости предотвращенного выброса до 62–100 $/т   Сокращение затрат на улавливание и захоронение углерода на 15% по сравнению с абсорбционными и адсорбционными методами CCS

Оценки рынка   $15 млрд  к 2023 г. достигнет мировой рынок улавливания и хранения углерода (2015 г. — $2,2 млрд). Темпы ежегодного роста 2016-2023 гг. — 25%   $2,3 млрд составит объем мирового рынка мембран к 2021 г. (темпы ежегодного роста – 7,7%) До 12 млрд руб. к 2020 г. может вырасти рынок мембран в России (в 2016 г. — 5 млрд руб.), однако, мембраны для улавливания парниковых газов пока на рынке представлены мало Вероятный срок максимального проявления тренда: 2030–2035 гг.

Драйверы и барьеры   Простота эксплуатации, отсутствие необходимости часто менять или промывать элементы    Минимальный расход воды и материалов    Низкие капитальные затраты на установку мембранных систем    Возможность применения мембранных систем в удаленных и труднодоступных районах, в зоне децентрализованной энергетики, для микро-ТЭЦ и дизель-генераторных электростанций    Недостаточность инвестиций в научные исследования мембранных технологий для CCS     Недостаточный уровень компетенций по разработке и производству мембранных систем

---

---

Международные научные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России   «Заделы» – наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

---