CCS teknologiat Antti Tourunen & Toni Pikkarainen VTT CCS-seminaari, Hanasaari, 28.10.2009
Sisältö CCS teknologiat Johdanto Mitä tarkoittaa hiilidioksidin talteenotto? Teknologiat toimintaperiaate edut kehityskohteet Kustannukset, suorituskyky, kypsyysaste Talteenoton demonstraatioita Yhteenveto 2
Mitä tarkoittaa hiilidioksidin (CO 2 ) talteenotto? Talteenotto Teknologiat tarkoituksena on tuottaa mahdollisimman puhdasta hiilidioksidia, joka sopii kuljetettavaksi ja varastoitavaksi CO2 Hiilidioksidin varastointi 3
Johdanto - Hiilidioksidin talteenottotekniikat Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi (carbon capture and storage, CCS) on tärkein yksittäinen uusi tekniikka CO 2 päästöjen vähentämisessä energiantuotannossa Tekniikka perustuu osittain kemianteollisuudessa sekä öljy- ja kaasuteollisuudessa käytössä olevaan teknologiaan CCS-sovellutusten kehittäminen on keskittynyt pääasiassa fossiilisia polttoaineita käyttäville voimalaitoksille Talteenoton jälkeen hiilidioksidi puhdistetaan, puristetaan kokoon (nesteytetään) ja kuljetetaan pitkäaikaiseen säilytykseen 4
Johdanto - Hiilidioksidin talteenottotekniikat Nykytekniikalla hiilidioksidia voidaan erottaa kolmella eri tavalla riippuen prosessista tai voimalaitossovellutuksesta 1) talteenotto savukaasuista, 2) talteenotto ennen polttoa tai 3) talteenotto happipolton avulla Näiden lisäksi on kehitteillä uusia, erityisesti CCS-tarkoituksiin suunniteltuja menetelmiä, kuten hapen kantajiin perustuva poltto (CLC) 5
Toimintaperiaate - Hiilidioksidin talteenotto savukaasuista (post-combustion capture) Talteenotossa savukaasuista (post-combustion capture) hiilidioksidi erotetaan polton jälkeen savukaasuista, joissa CO 2 -pitoisuus on luokkaa 3-15 vol-% Erottaminen kemiallisilla liuottimilla (esim. MEA), jotka absorboivat ja myöhemmin prosessissa vapauttavat CO 2 :a tuottaen puhtaan CO 2 -virran Höyryä regenerointiin 6
Edut ja kehityskohteet - Hiilidioksidin talteenotto savukaasuista Soveltuu suurimpaan osaan voimalaitoksista Tekniikka on kaupalliseesti käytössä hiilidioksidituotannossa ja maakaasun valmistuksessa Vaatii merkittävää kokoluokan kasvattamista soveltuakseen käytettäväksi sähkön tuotannon mittakaavassa (500 MWe) Nykyisin käytössä olevien liuottimien regenerointi vaatii paljon lämpöä, mikä huonontaa merkittävästi voimalaitoksen hyötysuhdetta Tärkein haaste on kehittää liuottimia, jotka ovat edullisia, kestäviä ja joiden energiantarve regeneroinnissa on mahdollisimman alhainen 7
Toimintaperiaate - Hiilidioksidin talteenotto polttoaineena käytettävästä kaasusta (pre-combustion capture) Polttoaine kaasutetaan Tuotekaasu käsitellään vesikaasun siirtoreaktion avulla, jolloin saadaan lähinnä vedystä ja hiilidioksidista koostuvaa kaasua CO 2 voidaan erottaa kaasuvirrasta liuoksilla, jotka perustuvat joko fysikaaliseen absorptioon tai seosabsorptioon Vetyrikas polttokaasu johdetaan kaasuturbiinille polttoa varten (esim. IGCC) Siirtoreaktori CO 2 talteenotto Happitehdas 8
Edut ja kehityskohteet - Hiilidioksidin talteenotto polttokaasusta Soveltuu maakaasuvoimalaitoksiin tai kiinteiden ja nestemäisten polttoaineiden kaasutukseen Tekniikkaa hyödynnetään vedyn laajamittaisessa teollisessa valmistuksessa (esim. Neste Oilin Kilpilahden jalostamo) CO 2 :n erotus edullisempaa, kun erotettavan CO 2 :n pitoisuus on suurempi (15-60 vol-%) ja kaasu paineinen Polttoaineen käsittelyvaiheet ovat monimutkaisempia ja kalliimpia kuin suorassa CO 2 :n erotuksessa savukaasusta Kaupallistumisen esteenä ovat samat ongelmat kuin kaasutustekniikassakin (IGCC), kuten alhainen käytettävyys ja korkeat kustannukset 9
Toimintaperiaate - Hiilidioksidin talteenotto happipolton avulla (oxyfuel / oxygen firing / oxycombustion) Polttoaine poltetaan lähes puhtaan hapen ja kierrätetyn savukaasun seoksessa, jolloin savukaasuissa ei ole polttoilman mukana tullutta typpeä Tuottaa korkean savukaasun CO 2 -pitoisuuden (80-95 vol-%, kuiva), joka yksinkertaistaa talteenottoa Savukaasun kierrätys Kryogeeninen happitehdas 10
Edut ja kehityskohteet - Happipoltto Soveltuu erityisesti uusiin voimalaitoksiin Korkean savukaasun CO 2 -pitoisuuden vuoksi talteenottoprosessi on yksinkertaisempi ja vähemmän energiaa kuluttavaa Happitehdas lisää merkittävästi voimalaitoksen omakäyttötehoa, mikä huonontaa sähköntuotannon hyötysuhdetta Tärkein haaste on kehittää vähemmän energiaa kuluttavia hapentuotantoprosesseja (esim. membraanit) Mahdollisuuksia myös prosessi-integrointiin ja -optimointiin hyötysuhteen parantamiseksi 11
Hapen kantajiin perustuva poltto (CLC, chemical looping combustion) Voisi tulla huomattavasti edullisemmaksi verrattuna nykyisiin CO 2 :n talteenottomenetelmiin Verrattavissa happipolttoon, jossa kryogeeninen happitehdas korvataan hapenkantajapartikkeleita sisältävällä hapetusreaktorilla CLC-prosessin hapetus- ja pelkistysreaktorit voisivat olla rakenteeltaan leijupetireaktoreita CLC-prosessi muodostuu erillisestä ilma- ja polttoainereaktorista. Ilmareaktorissa hapenkuljettimena käytettävä metalli hapettuu ja polttoainereaktorissa metallioksidi pelkistyy. Pelkistymisreaktio on tavallisesti endoterminen, hapettumisreaktio on aina eksoterminen. 12
Talteenottotekniikoiden vertailua Talteenotto savukaasuista + Lähimpänä kaupallisen kokoluokan sovelluksia + Soveltuu olemassa oleviin laitoksiin + Riippumaton CO 2 hiilidioksidin lähteestä (ei vaikutusta palamisprosessin) - Suuri pudotus laitoksen hyötysuhteeseen - Vaatii paljon kemikaaleja Teknologian valinta on aina tapauskohtainen! Talteenotto ennen polttoa + Kehityspotentiaalia + CO 2 :n pitoisuus on suurempi ja kaasu paineinen - Kohtalainen pudotus laitoksen hyötysuhteeseen - IGCC tekniikkaan liittyvät ongelmat (esim. monimutkaisuus, käytettävyys) Talteenotto happipolton avulla + Kehityspotentiaalia + Varsinainen talteenottoprosessi on yksinkertaisempi ja vähemmän energiaa kuluttavaa - Kohtalainen pudotus laitoksen hyötysuhteeseen - Vaatii hapentuotannon ja käsittelyn laitoksella 13
Talteenoton kustannukset, suorituskyky ja kypsyysaste Polttoaineen kulutus kasvaa noin 10-40 % verrattuna perinteiseen voimalaitokseen Sähkötuotantokustannukset on noin 40-90 % suuremmat kuin vastaavalla voimalaitoksella ilman CCS:ää CCS voimalaitosten investointikustannukset nousisivat noin 40-80 % On arvioitu, että demonstrointivaiheen jälkeen (2020 ) kokonaiskustannukset CCS:lle olisivat noin 30-60 / vältetty CO 2 -tonni, Suomessa noin 60 / vältetty CO 2 -tonni Noin 70% kokonaiskustannuksista tulee talteenotosta ja paineistamisesta Markkinoiden kypsyessä kustannukset voisivat laskea 10 % (2030 ) Talteenotto voimalaitosprosessista ei ole vielä kypsää teknologiaa 14
talteenotto savukaasuista Talteenoton demonstraatioita Vuonna 2005 otettiin käyttöön Tanskassa Dong Energyn Esbjergin 400 MWe:n hiilivoimalaitoksen yhteyteen rakennettu CO 2 :n erottamisen pilot-laitos Laitoksella on testattu CO 2 :n erottamista voimalaitoksen savukaasujen sivuvirrasta (5000 Nm 3 /tunti, CO 2 :n erotus noin 1000 kg/tunti) erilaisilla amiinipohjaisilla solventeilla (EU:n 6. puiteohjelman CASTOR-hanke) Esimerkki CASTOR 2 solventin toiminnasta 500 tunnin testissä ja yleiskuva pilotlaitteesta (etualalla absorptiokolonni, jonka korkeus on 34.5 m ja halkaisija 1.1 m). 15
talteenotto savukaasuista Talteenoton demonstraatioita EO.N:n Karlshamin (Ruotsissa) hiilivoimalaitoksen yhteyteen rakennettu CO2:n erottamisen pilot-laitos käynnistyi heinäkuussa 2008 Laitteella testataan CO 2 :n erottamista (kapasiteetti 15 kt/vuosi) voimalan savukaasujen sivuvirrasta Alstomin ammoniakkipohjaisella solventilla ( chilled ammonium ). Testausta on tarkoitus jatkaa ainakin vuoden 2009 loppuun asti 3D-kuva pilot-laitteesta Karshamin voimalaitoksella. 16
talteenotto ennen polttoa Talteenoton demonstraatioita RWE:n Lighthouse-projektissa suunnitellaan 450 MWth/360 MWe IGCC/CCSlaitosta 40%:n hyötysuhteella (netto). Laitoksen on tarkoitus käynnistyä vuonna 2014 Erotettu CO 2 (2.6 Mt/vuosi) varastoidaan tyhjenevään kaasulähteeseen (EGR) tai suolavesikerrostumaan. Laitoksen sijaintipaikaksi on valittu Hürth, lähellä Colognea RWE:n IGCC/CCS-laitoksen prosessikuvaus 17
talteenotto happipolton avulla Talteenoton demonstraatioita Vattenfallin pilottilaitos (PC, 30 MWth) avattiin Schwarze Pumpella syyskuussa 2008 Pilotoinnin jatkoksi on suunnitteilla 250-300 MW:n happipolttodemonstrointi Jänschwalden laitoksella vuosina 2012-2015 sekä 1 000 MW:n happipolttolaitos vuosina 2015-2020) Schwarze Pumpen happipoltto-pilotin layout 18
Yhteenveto - Hiilidioksidin talteenottotekniikat Suurin tekninen haaste on vähentää talteenottoprosessien energian käyttöä, joka muodostaa suurimman osan CCS-ketjun kustannuksista CCS tekniikan soveltamisessa on eduksi suuri laitoskoko ja korkea hyötysuhde Talteenoton erityisinä haasteina ovat suuret hiilidioksidimäärät Energiantuotannon lisäksi hiilidioksidin talteenottotekniikat ovat sovellettavissa myös muille teollisuuden aloille, joissa korkeat hiilidioksidipäästöt suurina pitoisuuksina (teräs, sementti, polttoainejalostus jne) Mahdollisuus suomalaiselle teollisuudelle kehittää ja viedä teknologiaa Vuotuiset investoinnit 50-200 miljardia 2020-2050 Talteenottotekniikoiden murtautuminen markkinoille riippuu suurelta osin ilmastopolitiikasta kansainvälisten säännöstöjen kehittämistä CCS:n laajamittaista soveltamista varten hiilidioksidin kuljetukseen pitkäaikaiseen varastointiin liittyvät epävarmuudet ja vastuukysymykset 19
VTT creates business from technology Kiitos! 20