Технология CCS (Carbon capture and storage). Захоронение CO2

Углерод, как и вода, является одним из важнейших компонентов всего живого. Благодаря его исключительным физическим свойствам стало возможным огромное разнообразие химических соединений, составляющих живые организмы.

Двуокись углерода — один из главных продуктов жизнедеятельности большинства живых организмов. Он образуется, главным образом,  в процессе аэробного дыхания, механизме получения энергии, используемого всеми, за редким исключением, животными и растениями.

Для осуществления этого процесса необходим кислород воздуха, но более 4 млрд. лет назад наша атмосфера была практически лишена кислорода. Примитивные микроорганизмы, древние бактерии и археи тогда еще не умели использовать кислород в процессе дыхания. Более того, он является ядом для подобных организмов, частью живущих и по сегодняшний день.

Цианобактерии, положившие начало наиболее эффективному типу фотосинтеза, известные также как сине-зелёные водоросли, научились производить глюкозу из диоксида углерода посредством энергии солнечного света, используя в качестве донора протонов воду, образуя, таким образом, кислород в качестве побочного продукта.

Цианобактерии, большая часть водорослей и почти все высшие растения осуществляют этот тип фотосинтеза или его модификацию.

Диоксид углерода играет уникальную роль в биосфере Земли. И важно понимать, что эта роль связана не только с фотосинтезом. Около 20% потока энергии Солнца падающего на нашу планету сразу же отражается обратно в космическое пространство. Около 9% излучения отражается от поверхности планеты. Оставшаяся же часть поглощается атмосферой, земной поверхностью, океаном и растительным покровом.

Почти вся, в виде теплового излучения, эта энергия повторно рассеивается в атмосфере, нагревая ее. Небольшая часть этой энергии затрачивается на испарение воды. И лишь только малая часть, менее 0,1% энергии достигшей поверхности Земли расходуется растениями на фотосинтез, запасается ими в виде соединений углерода, составляющих тела почти всех живых организмов на Земле.

Атмосфера, являясь сравнительно прозрачной для видимого света, хорошо поглощает тепловое излучение. Это обусловлено наличием в ней парниковых газов: водяных паров, диоксида углерода, метана, озона и некоторых других. Естественный парниковый эффект за сотни миллионов лет сформировал современный климат нашей планеты.

Человек своей деятельностью поставил под угрозу естественный тепловой баланс. Бесконтрольное сжигание полезных ископаемых и их продуктов привело к росту концентрации диоксида углерода. Высшие растения без вреда для себя могут утилизировать диоксид углерода при концентрациях в разы больших его современного среднего содержания в атмосфере. Опасность состоит в том, что леса, поглощающие избыток углекислого газа, подвергаются варварской вырубке.

В каменноугольный период, более 300 млн. лет назад, концентрация углекислого газа была выше современного уровня. Единственный суперконтинент Пангея был сплошь покрыт лесами. Теплый влажный климат, высокая концентрация кислорода, способствовали бурному рассвету наземных форм жизни. Именно в этот период сформировались основные запасы горючих полезных ископаемых. Современный облик планеты, сложившийся к концу четвертичного периода, совершенно иной, но человек за пару веков изменил его до неузнаваемости.

Необходимо понимать, что диоксид углерода - не единственный парниковый газ, образующийся при сжигании полезных ископаемых. Тот же метан обладает большей способностью задерживать тепловое излучение. Меры по снижению темпов выброса углекислого газа в атмосферу важны, но не единственны.

181 страна мира ратифицировали в декабре 1997 года Киотский протокол, обязывающий развитые страны сократить к 2012 году выброс 6-ти типов парниковых газов в атмосферу в среднем на 5,2% по сравнению с уровнем 1990 года. К этим газам относятся: диоксид углерода, метан, гидрофторуглеводороды, перфторуглеводороды, гексафторид серы и закись азота.

Одной из стратегий по уменьшению выброса парниковых газов стала CCS (Carbon capture and storage) — фиксация и хранение диоксида углерода.

80 % потребляемой электроэнергии производится при сжигании нефти, газа и каменного угля. 54% углекислого газа в промышленности образуется в качестве основного продукта их горения только лишь для производства электроэнергии. Возможно фиксировать его и переводить в форму, недоступную для атмосферы Земли. Однако сейчас не существует единой технологии в рамках стратегии CCS.

Выделяют три важнейших этапа в процессе CCS:

• фиксация диоксида углерода;
• его транспортировка и
• последующее захоронение.

Смесь газов, образующаяся при сжигании органического топлива, в основном состоит из азота, углекислого газа и паров воды. Сегодня рассматривают три основных промышленных цикла фиксации диоксида углерода: post-combustion capture, pre-combustion capture и oxyfuel combustion capture.

При использовании подхода post-combustion capture, диоксид углерода, образующийся при сжигании топлива в воздухе, отделяют от азота уже после сжигания.

В случае pre-combustion capture нефтепродукты подвергают предварительно неокислительному пиролизу. Образующийся синтез-газ состоит в основном из углекислоты и водорода. После их разделения водород используют для производства электроэнергии.

При oxyfuel combustion capture топливо сжигают в чистом кислороде, и в таком случае продукты горения содержат только диоксид углерода и воду без азота.

Отделение диоксида углерода технически возможно осуществить несколькими средствами, это: адсорбция, абсорбция, криогенная дистилляция и разделение на мембранах с избирательной проницаемостью.

Для транспорта диоксида углерода не требуется создания отдельной инфраструктуры, поскольку развитые страны уже достаточно оснащены сетью трубопроводов.

Сжижение и перевозка не требуют повышения энергозатрат.

Риски же, связанные с авариями при транспортировке и хранении, сопоставимы с рисками работы, например, с природным газом. Более того, углекислота - негорючий газ.

Рассматривают несколько возможностей в рамках концепции CCS. В основе этих вариантов лежат простые физико-химические свойства диоксида углерода. Он (в отличие, например, от кислорода) отлично растворяется в воде. При его взаимодействии с оксидами металлов или щелочами образуются соответствующие карбонаты.

Практически отказались от идеи растворять углекислый газ в глубинных слоях океана. Морские живые организмы чрезвычайно чувствительны к изменениям кислотности. Уже сегодня остро стоит проблема закисления Мирового океана.

Привлекательна идея образования карбонатов магния и кальция из их оксидов, включённых в распространенные в земной коре минералы.

Эти соединения имеют существенно более низкий термодинамический потенциал, чем диоксид углерода, т.е. без затрат энергии их можно хранить неопределённо долгое время.

Промышленное получение карбонатов магния и кальция с целью захоронения диоксида углерода требует значительных расходов.

Экономически оправдано захоронение диоксида углерода в глубинных водоносных или газо-нефтеносных пластах. Закачивание диоксида углерода можно использовать для повышения отдачи нефти и газа.

Диоксид углерода в промышленности также можно использовать повторно для синтеза метана и других углеводородов.

Использование стратегии CCS повышает стоимость производимой энергии. Это требует от промышленников и обывателей формирования нового отношения к потребляемым ресурсам.

Европейская комиссия учредила специальный проект CO2NET, в рамках которого обсуждается и продвигается развитие технологий CCS. Сегодня, благодаря этому проекту, существуют уже промышленные действующие установки по фиксации и захоронению диоксида углерода.

Старейшим из четырёх самых масштабных действующих или практически готовых к промышленной эксплуатации проектов по захоронению диоксида углерода является проект норвежской компании Statoil, работающий с 1996 года. Природный газ, добываемый из недр, до очистки содержит около 9% углекислоты по объёму. Компания захоранивает ежегодно около миллиона тонн диоксида углерода в глубинные водоносные слои. Это позволяет ей экономить сотни миллионов евро на торговле квотами согласно Киотскому протоколу.

Второй по величине проект принадлежит норвежской же компании Snøhvit. Объёмы захораниваемого ею диоксида углерода, отделяемого от природного газа,  составляют порядка 700 000 тонн в год.

В Вейбурне (Канада) с 2000-го года внедряется проект по захоронению диоксида углерода, выделяемого Dakota Gasification Company, производителя синтетического «природного» газа. В конце 2009-го года планируется запуск проекта в промышленном масштабе. Предполагаемый объём ежегодного захоронения углекислого газа составляет 1,5 млн. тонн в год.

В Ин-Салах алжирской компанией Sonatrach, международной British Petroleum, при содействии Snøhvit готовится к запуску в эксплуатацию проект захоронения диоксида углерода, отбираемого из добываемого природного газа, в расчете на 1,2 млн. тонн в год.

http://www.statoil.com/statoilcom/svg00990.nsf/web/sleipneren?opendocument

http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_capture_and_storage

http://www.norvegia.ru/policy/environment/ccs.htm

Копирайтер: Абрамов Евгений