CCS:n soveltaminen Suomessa Matti Nieminen, VTT ClimBus-ohjelman päätösseminaari 9.-10.06.2009 Finlandia-talo
Hiilidioksidipäästöjen rajoittaminen CO2-päästöjen rajoittamiseksi tarvitaan useita eri toimenpiteitä CO 2 -neutraalit polttoaineet (biopolttoaineet) CHP lauhdelaitokset: hyötysuhteen nosto energian säästötoimenpiteet hiilidioksidin talteenotto ja varastointi (CCS) ydinvoima 2
Carbon Capture and Storage CCS käsittää koko ketjun: CO 2 :n talteenotto suomalaiset mukana Kuljetus suomalaiset mahdollisesti mukana Varastointi suomalaisten rooli vähäinen (?) Varastojen monitorointi 3
ClimBus-ohjelman tutkimushanke: CCS:n soveltaminen Suomen olosuhteissa Hankkeen kesto: 2008-2010 Tutkimusosapuolet: VTT & GTK Osallistuvat yritykset Fortum Foster Wheeler Energia Metso Power Pohjolan Voima Ruukki Metals Vapo Suomen energiajärjestelmän kehitys (VTT) skenaariotarkastelut CO 2 :n talteenotto ja puhdistus (VTT) Eri talteenottoprosessivaihtoehdot 3 teollista case-study-kohdetta CO 2 :nkuljetus ja varastointi (VTT, GTK) varastointi ja hyötykäyttömahdollisuuksien arviointi) kuljetusvaihtoehtojen arviointi Talous- ja elinkaaritarkastelut (VTT) valittujen teknologisten ratkaisujen kasvihuonekaasu- päästöjen ja talouden arviointi Roadmap CCS:n käyttöönotolle Suomessa 4
Suurimmat päästölähteet -Suurimmat päästölähteet potentiaalisimpia sovelluskohteita -Energiantuotantolaitokset, terästeollisuus, öljynjalostamot -Sijaitsevat pääosin rannikolla 5
CCS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄSSÄ Skenaarioita Suomen energiajärjestelmän kehityksestä vuoteen 2050 Lähtökohta: Suomen nykyinen energiajärjestelmä ja laitosten oletettu poistuma TEM:n arvio energian kulutuksen kehityksestä IEA:n arviot fossiilisten polttoaineiden tuontihinnoista Maltillinen ydinvoimaskenaario (Loviisan tilalle uusi laitos) CCS:än liittyviä oletuksia: CCS-mahdollista integroida energiantuotantoon (myös bio- CCS) tai teollisuuteen Teknologia-, kuljetus- ja loppusijoitustiedot CCS-Suomihankkeen tuottamia 6
40 60 80 40 60 80 40 60 80 40 60 80 Mt CO 2 captured CCS Suomen energiajärjestelmässä (alustava) CCS-teknologiaoletukset perustuvat CCS-Suomi-hankkeeseen 18 16 2020 2030 2040 2050 14 12 10 Fuel conversion Industry 8 6 4 2 Bio-CCS electricity Fossil electricity 0 7
CO 2 :n talteenotto ja puhdistus - Sovelluskohteet Raportti CCS:n soveltamisesta eri tekniikoilla (PC, CFB, IGCC, etc.) Raportti suunnitteilla olevista demonstraatiokohteista ja CSS-tekniikan laitetoimittajista case-studyt PC CFB IGCC/GT Terästeollisuus Teollisuuden CCS-tekniikat Post-combustion Oxyfuel Pre-combustion CLC Demonstraatiot ja suunnitelmat Mongstad, Norja Tilbury, U.K. Hazelwood, Australia Schwarze Pumpe, Saksa Callide, Australia Lighthouse, Saksa Nuon Magnum, NL Zerogen, Australia Cerchard, Ranska Chalmers, Ruotsi CSIC, Espania Evaluointi Osatehtävä 3: CO 2 :n puhtausvaatimukset Osatehtävä 4: Lähtötietoja kustannus ja päästötaselaskentaan Simulointi evaluoinnin perusteella valitut konseptit (CCS ja "ei CCS") 8
CCS-tekniikat ja niiden soveltamisedellytykset Tarkasteluun valittiin 3 erilaista sovelluskohdetta: - Case 1 (lauhdevoimala rannikolla), post-combustion capture - Case 2 (CHP sisämaa/rannikko), post-combustion capture, oxyfuel - Case 3 (terästeollisuus rannikolla), post-combustion capture Prosessisimulointitarkasteluja varten osamallit: - lauhdevoimalaitos, - CHP-laitos, - happitehdas (ASU) - hiilidioksidin talteenottoyksikkö savukaasuista happipoltossa - hiilidioksidin talteenottoyksikkö savukaasuista (post-combustion capture, esim. MEA) 9
CO 2 regenerointienergia [MW th ] CO 2 massavirta savukaasussa [t/h] Example, Post-combustion capture - Amine-Based CO 2 Capture 1000 900 800 4350 kj/kg CO2 3500 kj/kg CO2 3000 kj/kg CO2 t CO2/h 1000 900 800 700 700 600 600 500 Case 3, Terästehdas 500 400 400 300 Case 1, Lauhdevoimalaitos 300 200 100 Case 2, CHP Yksittäisen talteenottolinjan maksimi koko ~230 t CO 2 /h 200 100 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Polttoaineteho [MW th ] 0 10
Hapentarve [TPD] Vuosikustannus [M ] Sähkön tuotannon hyötysuhde Esimerkki ASU Oletukset: hapen tarve 13.1 MWth/kgO2/s energian tarve 200 kwh/ton O2 energian hinta 0.1 /kwh Sähköntuotannon hyötysuhde 0.45-16000 14000 12000 10000 CCS-lauhdelaitokset Hapen kulutus [TPD] Kustannus vuodessa [M ] 120 100 80 46 % 45 % 44 % 43 % 42 % Hapen valmistuksen vaikutus sähköntuotannon hyötysuhteeseen 8000 6000 CCS-CHP-laitokset 60 40 41 % 40 % 39 % 4000 2000 Suurin yksittäinen ASU ~5000 TPD 20 38 % 37 % 0 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Polttoaineteho [MWth] 36 % Reference without ASU Typical ASU Advanced ASU Theoretical ASU 11
Case 1: Lauhdelaitos rannikolla; post-combustion (amiinipesu) CARBON DIOXIDE ELECTRICITY BOILER PARTICLE REMOVAL SULPHUR REMOVAL CO2 COMPRESSION STRIPPER CLUMN STEAM Höyryä regenerointiin COOLER AIR COAL FLY ASH SULPHUR ABSORPTION COLUMN RESTEAM CLCHNG B5 PRISTEAM 4 Boiler 3 TURBINE Case 1 (lauhdevoimala rannikolla) polttoaine hiili Case 1: Aspen malli AMINEW 12
Kuljetuskustannusmallien arviointi Snöhvit Melköya Malli laskee lähtöarvojen perusteella vaaditun laivojen vähimmäismäärän Paineennostoasemien määrän sekä tehontarpeet putkiosuuksilla Erikseen CAPEX & OPEX kuljetusketjun vaiheille Sleipner 13
Purku Laivat Lastaus Välivarasto Kuljetusketju Laiva Putki Oletukset laivakuljetukselle Välivarasto terässäiliöitä 1,5 x laivan kapasiteetin verran. Yhden laivan kapasiteetti n. 10 000 t. Lasti puretaan merellä. Oletukset putkilinjalle Teräsputki DN500 Paineennostot sähkökompressoreilla 15 MPa, 10 C Esikäsittely ja paineistus/nesteytys sekä loppusijoitus ovat rajattu pois. Putkilinja Väliasemat Pääte- kompressointi Olettaen 6 MtCO2/a ainevirtaa, 40 vuoden taloudellista käyttöikää, sekä 40 vuoden valvonta-aikaa injektoinnin lopettamisen jälkeen, voidaan offshore loppusijoituksen nykykustannuksina pitää 11-12 /tco2 (McKinsey & Co, 2008) 14
Suomen kallioperän sedimenttikivimuodostumat Muodostumien kivilajit ovat tiiviitä ja sedimenttikivikerrokset matalia Pintaosa rakoileva ja ruhjeinen Manner-Suomen sedimenttikivimuodostumien CCS-soveltuvuus on heikko Hailuodon ja Muhoksen muodostumat 15
Itämeren kallioperä Sedimenttikivialueiden teoreettinen CCS-potentiaali kasvaa Ahvenanmereltä etelään päin mentäessä Gotlannin eteläpuolella sedimenttikerrokset syvenevät 800-3600 m syvyyteen Perusvaatimukset CCS:ää varten täyttyvät, mutta tiedot eivät vielä riittäviä arvioimaan todellista potentiaalia Erlström(2008): 5 Mt muutamaa sataa Mt Ruotsin talousalueen puolella 16
CCS:n kustannukset? käytännön kokemuksia kustannuksista rajoitetusti olemassa paljon laskelmia perustuen hieman eri lähtökohtiin edullisimpina pidetään joko happipolttoon perustuvia tai IGCC-tekniikkaan perustuvia hankkeita Laitostyyppi $/t CO2 Post-Combustion SCPC 45 Oxyfuel-combustion SCPC 35 Pre-combustion IGCC 29 -suurin kustannuserä CO2-talteenotto (25...40 $/t CO2) -kuljetus (5...15 $/t CO2) -varastointi (5...10 $/t CO2) 17
18
CCS:n soveltaminen Suomen olosuhteissa Johtoryhmä Zero Emission Platform (Yritykset, VTT) 1. Energiajärjestelmät (VTT) 2. CO2:n talteenotto ja puhdistus sovelluskohteet (VTT) 3. Hiilidioksidin loppusijoitus- ja hyötykäyttöratkaisut sekä logistiikka (GTK, VTT) 4. Kustannus- ja päästötasetarkastelut (VTT) IEA GHG ExCo (VTT) Vuosittaiset seminaarit ja workshopit (Tekes, VTT) Suomalainen energiateollisuus (energian tuotanto, laitevalmistajat, viranomaiset, jne.) Roadmap CCS:n käyttöönotolle Suomessa 19
IEA GHG R&D -ohjelma 19 valtiojäsentä, lisäksi EU ja OPEC 21 yritysjäsentä 20
Vuosiseminaari Ensimmäinen seminaari järjestetään 28.10.2009 Hanasaari, Espoo CCS-tiedon levittäminen Hankkeesta ja sen tuloksista tiedottaminen Vuorovaikutus sidosryhmien kesken Suomenkieliset esitykset Kiitokset mielenkiinnosta! 21