CO 2 talteenotto ilmakehästä ja sivuvirroista

Transkriptio

1 CO 2 talteenotto ilmakehästä ja sivuvirroista Tero Tynjälä tukijaopettaja/dosentti, energiajärjestelmien termodynamiikka tero.tynjala@lut.fi ilmansuojelupäivät, Lappeenranta 2 1

2 Sisältö Hiilen kierto Hiilidioksidipäästöt ja jäljellä oleva päästöbudjetti Vaihtoehdot ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden vähentämiseksi Hiilidioksidin talteenotto ilmasta (Direct Air Capture, DAC) Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi kestävän biomassan käsittelyprosesseista (BECCS) Hiilidioksidin talteenotto energian tuotannon ja teollisuuden päästöistä Hiilidioksidin talteenoton vaatima työ Hiilidioksidin talteenoton vaatima pinta-ala Hiilidioksidin talteenoton kustannukset Talteen otetun hiilidioksidin käyttö Hiilidioksidin pitkäaikainen loppusijoitus Hiilidioksidin hyötykäyttö (CCU) Yhteenveto 3 Hiilen kierto Kuvan lähde: Pidwirny, M. (2006). "The Carbon Cycle". Fundamentals of Physical Geography, 2nd Edition. Date Viewed

3 Figueres et al., Nature, vol. 546, pp Energia Uusiutuvien osuus > 30% sähköntuotannosta (vuonna ,7 %) Hiilivoimalat poistetaan käytöstä Infrastruktuuri Kaupungit sitoutuneita tekemään rakennukset ja infra hiilivapaaksi 2050 mennessä vuotuiset investoinnit 300 miljardia $ 3 % rakennuskannasta muutetaan vuosittain 0- tai lähes 0-energiarakennuksiksi Liikenne Sähköautojen globaali markkinaosuus 15 % uusien autojen kaupasta (tällä hetkellä n. 1 %) Maankäyttö Maankäytön nykyiset päästöt 12 % kaikista päästöistä, tavoite päästä nollaan seuraavalla vuosikymmenellä ja sen jälkeen kasvattaa hiilinieluja. Teollisuus Raskaan teollisuuden päästöt vähenevät alle puoleen 2050 mennessä, strategia kuinka tähän päästään. Talous Vähintään 1000 miljardin $ pääoma vuosittain ilmastotoimiin, pääosin yksityiseltä sektorilta, hallitukset, pankit, World Bank laskee liikenteeseen vihreitä-bondeja mennessä vihreät-bondit yli kymmenkertaistuvat vuoden 2016 tasosta (81 miljrd.$) 5 Mitä nykyinen CO 2 päästötaso tarkoittaa? n. 40 Gt/a => n. 5 ppm kasvu ilmakehän CO 2 pitoisuudessa/vuosi Nykyisillä päästöillä vuonna 2050 CO 2 pitoisuus ~550 ppm ja vuonna 2100 ~800 ppm Suomessa hiilidioksidipitoisuuden ei pitäisi sisäilmassa ylittää 1500 ppm rajaa Vaikkei otettaisi kantaa ilmastonmuutokseen, siitä aiheutuvaan lämpötilan nousuun ja muihin seurauksiin, nykytrendin jatkuessa ei tulevaisuudessa voida enää puhua raittiista ulkoilmasta Muutosnopeus ei vaikuttaisi olevan riittävä edellä olevien tavoitteiden saavuttamiseksi Tarve sitoa hiilidioksidia ilmasta! Tarve hiilidioksidin talteenotolle ja varastoinnille vaikeasti dekarbonisoitavan teollisuuden päästöistä 6 3

4 Vaihtoehdot ilmakehän CO 2 pitoisuuden vähentämiseksi Hiilen kierron manipulointi Biomassan määrän kasvattaminen Bioenergian tuotantoon yhdistetty hiilidioksidin talteenotto ja pitkäaikaisvarastointi (BECCS) Merien ja maaperän hiilen sitomisen kiihdyttäminen Hiilidioksidin talteenotto suoraan ilmasta (Direct Air Capture, DAC) ja pitkäaikaisvarastointi (Smith et al., 2016) 7 Hiilidioksidin talteenotto ilmasta (DAC) Olemassa olevaa tekniikka - käytössä esim. CO 2 poistoon väestönsuojien/sukellusveneiden sisäilmasta. Ei kokemusta suuressa mittakaavassa eikä prosessin energiankulutukseen ole aiemmin kiinnitetty juuri huomiota. Äskettäin julkaistussa Chemistry Worldin artikkelissa esitetään että ilmaerotuksen hinta olisi Climeworks yrityksen mukaan alittanut hintatason 600 $/t,co 2 Samassa artikkelissa mainitaan myös Tekesin rahoittama Soletairhanke, Suomesta mukana ovat LUT ja VTT

5 Adsorptio-desorptioprosessiin perustuva CO 2 erotus ilmasta Sorbentin adsorptioisotermit patm, Tatm Kostea ilma Sorbentti CO2 vapaa kuiva ilma Lauhdutin CO2:a ja H2O:a sitonut sorbentti p < patm, T > Tatm CO2 Sorbentti Lämpöä Jäähdytys H2O 3-vaiheinen panosprosessi 1. CO 2 adsorpointi ilmasta 2. Sorbentin lämmitys ja paineen alennus CO 2 vapauttamiseksi 3. Sorbentin jäähdytys 9 Adsorptio-desorptioprosessiin perustuva CO 2 erotus ilmasta p atm, T atm DAC-prosessin kehitysmahdollisuudet ja tutkimustarpeet 1. Sorbenttimateriaalien kehittäminen Sitomiskapasiteetin suurentaminen Lämpötilanjohtavuuden suurentaminen 2. Prosessin virtaustekninen kehittäminen Painehäviön minimointi Reaktiopinta-alan maksimointi Aineen- ja lämmönsiirtovastuksen minimointi 3. Prosessin säätö- ja ohjausjärjestelmän kehitys Syklin optimointi Vaihtuvien ympäristöolosuhteiden ottaminen huomioon Kostea ilma Sorbentti CO2:a ja H2O:a sitonut sorbentti Sorbentti Lämpöä Jäähdytys CO2 vapaa kuiva ilma p < patm, T > Tatm Lauhdutin Hiilidioksidia sitovat sorbentit sitovat yleensä myös vettä. Vastaavaa teknologiaa onkin kaavailtu veden tuotantoon ilmasta kuivuudesta kärsivillä alueilla. Kuivahkossakin ilmassa tavallisesti enemmän vettä kuin hiilidioksidia. H2O CO2 10 5

6 Bioenergian tuotantoon yhdistetty hiilidioksidin talteenotto ja pitkäaikaisvarastointi (BECCS) DACin lisäksi toinen keino CO 2 sitomiseen ilmakehästä on yhdistää biomassan hyötykäyttöön hiilidioksidin talteenottoja varastointi. Käytetyn biomassan/jätteen tulisi olla kestävistä lähteistä ja varmistaa, ettei biomassaan sitoutunut hiili vähene keskipitkällä aikavälillä. 11 Bioenergian tuotantoon yhdistetty hiilidioksidin talteenotto ja pitkäaikaisvarastointi (BECCS) Bioperäisiä hiilidioksidilähteitä Suomessa ovat: 1. Puunjalostusteollisuuden päästöt Suuri kapasiteetti Tasainen tuotanto 2. Biomassaa polttavat CHP-laitokset Määrällisesti paljon Vaihteleva tuotanto 3. Biokaasulaitokset Korkea CO 2 -pitoisuus (~40% v ) Rajallinen määrä 4. Kaasuturbiinilaitokset (biomassa) Lyhyt huipunkäyttöaika Lähteet: 1) Holopainen, 2015 / Karjunen et al ) Child & Breyer, 2016 Suomen biogeeniset CO 2 lähteet Nykyiset 1 ) Mt/a Sellu- ja paperi 18.5 Voimalaitokset 8.9 Biokaasu 0.05 Total energiaskenaario 2 ) Sellu- ja paperi 6.9 Voimalaitokset 10.7 Biokaasu Total ~

7 Hiilidioksidin talteenotto energiantuotannon ja teollisuuden päästöistä Puunjalostusteollisuuden vuoksi pohjoismaiden CO 2 päästöistä suuri osa biogeenistä Öljy-, teräs, ja sementtiteollisuus ovat merkittävimpiä fossiilisten päästöjen aiheuttajia, joita on osin vaikea sähköistää Pohjoismaiden (Suomi, Ruotsi, Norja) CO 2 päästöt Mt CO2 / a Pulp and Paper 45.4 Oil and Chemicals 15.1 Steel 9.8 CHP 7.6 Cement and Lime 6.5 Waste Incineration 6.1 Aluminium 2.9 Wastewater Treatment* 0.04 * Contains data only from Finland 13 Hiilidioksidin talteenotto energiantuotannon ja teollisuuden päästöistä CLIC Innovation Oy:n hallinnoimaan ja Tekesin rahoittama Carbon Capture and Storage (CCSP)-tutkimusohjelmaan osallistui laaja joukko suomalaisia yrityksiä ja tutkimuslaitoksia ( ). Ohjelmassa käytiin kattavasti CCS(U) teknologiaketjun eri osa-alueita lainsäädännöstä, talteenottoteknologioihin, kuljetukseen, loppusijoitukseen ja päästöjen sekä varastojen monitorointiin. Ohjelman loppuraportti ja keskeisimmät tulokset on saatavilla graafisesta nettisovelluksesta

8 Hiilidioksidin talteenoton vaatima työ Talteenottomenetelmästä riippumatta CO 2 erotukselle voidaan määrittää teoreettinen minimityö CO 2 pitoisuuden funktiona Todellisten prosessien vaatima työ on aina tätä selvästi suurempi. Teoreettinen minimityö ilmaerotukselle noin 4- kertainen verrattuna CO 2 erotukseen savukaasuista. Ilma 0,04 % Jäteilma 0,1 % Savukaasut % Biokaasu % Etanoli 100 % 15 Hiilidioksidin talteenoton vaatima pinta-ala Boundary Damin voimalaitoksen CCSyksikön kapasiteetti noin 1 Mt CO 2 /vuosi ja pinta-ala noin 50 x 150 m. Vastaavan kapasiteetin DAC yksikön jalanjälki n. 100 kertainen (1 km x 1 km). (APS, 2011) 16 8

9 Hiilidioksidin talteenoton kustannukset Arvioituja CO 2 talteenottokustannuksia teollisuuden savukaasuista eri teknologioilla VOIMALAITOS (CLC) VOIMALAITOS (HAPPIOLTTO) VOIMALAITOS (MEA) SEMENTIN VALMISTUS (CAL) SEMENTIN VALMISTUS (MEA) TERÄSTEOLLISUUS BIOJALOSTAMO (MEA) BIOJALOSTAMO (HAPPIPOLTTO) AMMONIAKIN VALMISTUS BIOETANOLITUOTANTO BIOKAASUN KÄSITTELY /t,co 2 Maksimi Minimi Taulukon lähteet: Reiter & Lindorfer, 2015 Romano et al., 2013 Lyngfelt & Leckner, 2015 Ilmakaappauksen kustannusten on arvioitu olevan n. 7-9 kertaiset (APS, 2011) savukaasuista erotukseen verrattuna (~ /t,co 2 ) 17 Talteen otetun hiilidioksidin käsittely Talteen otettu hiilidioksidi tavallisimmin kuivataan ja paineistetaan varastointia/kuljetusta varten. Hiilidioksidi voidaan loppusijoittaa pitkäaikaisesti (Carbon Capture and Sequestration(Storage), CCS) tai käyttää uusien hiilivetytuotteiden valmistukseen Carbon Capture and Utilization, CCU). Ilmastovaikutus riippuu hiilidioksidin elinkaaresta CCS/CCU prosessissa. 18 9

10 Hiilidioksidin pitkäaikaisen loppusijoituksen vaihtoehdot Loppusijoitus geologisiin muodostumiin Loppusijoitus mereen/meren pohjalle (ei tällä hetkellä sallittua. Mineralisointi esim. kalsium/magnesium pohjaiseen kiviainekseen CaO + CO 2 -> CaCO 3 MgO + CO 2 -> MgCO 3 19 CO 2 varastointikapasiteetti ja sijainti (IPCC, 2005) 20 10

11 Hiilidioksidin hyötykäyttö (CCU) CO 2 loppusijoituksen lisäksi CO 2 :a voidaan käyttää uusien hiilivetytuotteiden valmistukseen (Carbon Capture and Utilization, CCU) CCU:n tapauksessa ei päästä negatiivisiin CO 2 päästöihin mutta sillä voidaan korvata fossiilista hiiltä kaasu- ja nestemäisten polttoaineiden, kemikaalien ja materiaalien valmistuksessa. Metaani CO/CO 2 Synteesi H 2 (uusiutuvalla energialla tuotettu) Metanoli Kerosiini, Diesel Muovit 21 Hiilidioksidin hyötykäyttö (CCU) Esimerkki CO 2 hyötykäyttöpoluista metaanin valmistukseen (Karjunen et al., 2016, Karjunen et al., 2017) 22 11

12 Yhteenveto Fossiilisia päästöjä vastaava CO 2 määrä on sidottava ilmasta ja varastoitava pitkäaikaisesti Biomassan määrän kasvattaminen Biomassan käyttöön yhdistetty hiilidioksidin talteenotto ja varastointi Hiilidioksidin kaappaus suoraan ilmasta (DAC) Hiilidioksidin hyötykäyttö (CCU) esim. synteettisten hiilivetypolttoaineiden valmistukseen on sallittua vain hiilineutraaleista lähteistä: ilma, biomassa ja jätteet (tietyin varauksin) Fossiiliset + CCU vaatii rinnalleen vastaavan määrän CO 2 sitomista ilmasta 23 Yhteenveto Hiilidioksidin talteenottoon vaadittava teknologia ja varastointikapasiteetti ovat olemassa. Teknologian käyttöön ottoon ei ole kannustimia ja varastoinnin lainsäädäntöön liittyvät haasteet on ratkaistava Kyse ei ole siitä onko nykyinen talteenotto- ja varastointikustannus liian suuri maksettavaksi vaan siitä siirrämmekö kustannukset moninkertaisina seuraaville sukupolville! Hiilidioksidipitoisuuden noustessa DAC tulee välttämättömäksi osaksi rakennusten iv-järjestelmiä käydään sisällä haukkaamassa raitista ilmaa! 24 12

13 Lähteitä APS, 2011 Direct Air Capture of CO2 with Chemicals - A Technology Assesment for the APS Panel for Public Affairs. Child & Breyer, Vision and initial feasibility analysis of a recarbonised Finnish energy system for Renew Sustain Energy Rev, vol. 66, pp Figueres et al., Three years to safeguard our climate. Nature, vol. 546, pp Holopainen, Diplomityö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Carbon sources for Power-to-Gas applications in the Finnish energy system. IPCC, IPCC Special report on Carbon Capture and Storage. Karjunen, Tynjälä & Hyppänen, A method for assessing infrastructure for CO2 utilization: A case study of Finland. Applied Energy, vol. 205, pp Karjunen, Inkeri, Tynjälä & Hyppänen, Sustainable carbon sources for biofuel production in renewable energy future. In: Proceedings, 10th international renewable energy storage conference, Düsseldorf, Germany; Lyngfelt & Leckner, A 1000 MWth Boiler for Chemical-Looping Combustion of Solid Fuels Discussion of Design and Costs. Applied Energy, vol. 157, pp Reiter & Lindorfer, Journal of CO2 Utilization, vol. 10, pp Romano et al., The Calcium Looping Process for Low CO2 Emission Cement and Power Smith et al., Biophysical and economic limits to negative CO2 emissions. Nature Climate Change, vol. 6, pp Osa esitetyistä tutkimuksista on tehty Tekesin rahoittamassa NeoCarbonEnergy tutkimusohjelmassa, jonka kotisivuilta saatavissa yksityiskohtaisempia tietoa aihepiiristä