Современное состояние и долгосрочные перспективы технологии улавливания и хранения двуокиси углерода

Подчеркивается целесобразность выделения ряда групп критически важных технологий или технологических систем, которые могут играть решающую роль в сокращении выбросов парниковых газов и снижении рисков глобального потепления в ожидаемой перспективе. Описываются «стабилизационные клинья», то есть технологические стратегии снижения выбросов углерода в атмосферу. Уделяется особое внимание технологии улавливания и хранения двуокиси углерода. Отмечается, что развитие данной технологии, как и многих других технологий в области энергетики, требует значительного времени на реализацию. Обосновывается, что в будущем есть настоятельная необходимость в технологиях, которые обеспечат низкоуглеродное производство энергии на базе ископаемых энергоресурсов. Делается вывод, что в перспективе промышленно развитые страны, использующие ископаемое топливо, должны обеспечить коммерческое применение технологии уловливания и хранения двуокиси углерода на угольных и газовых электростанциях, а также в промышленном секторе на заводах по производству цемента, стали и химических заводах.

Стратегия стабилизации выбросов парниковых газов (модель Пакалы – Соколова)

Среди научно-технических и технологических инноваций, направленных на снижение рисков и адаптацию отечественной экономики к глобальным климатическим изменениям, обращают на себя внимание прежде всего группы критических технологий. Профессора Принстонского университета (США) Р. Соколов и С. Пакала выделяют семь групп критически важных технологий или технологических систем, многие из которых уже разработаны и/или используются. По их мнению, эти группы технологий, которые они называют «стабилизационными клиньями», будут играть решающую роль в сокращении выбросов парниковых газов и снижении рисков глобального потепления в ожидаемой перспективе [1; 165].

На рис. 1 представлена упрощенная модель, разработанная С. Пакалой и Р. Соколовым, которая демонстрирует действия, необходимые в долгосрочной перспективе для стабилизации содержания углекислого газа (CO2) в атмосфере на уровне ниже, чем удвоенное значение концентрации этого газа в допромышленную эпоху. Данная модель имеет вид «стабилизационного треугольника», стороны которого ограничены: с одной стороны, линией горизонта прогнозирования (2054 г. - вертикальная линия); с другой - линией постоянного уровня выбросов от сжигания ископаемого топлива, сохраняющегося в течение 2004-2054 гг., равного 7 Гт углерода в год и необходимого для стабилизации концентрации С02 на уровне 500 частиц/млн (горизонтальная линия); с третьей стороны - трендом линейного роста указанных выбросов при условии сохранения современного характера производства, который означает игнорирование в мировой экономике проблемы глобального потепления и удвоение темпов роста содержания СО2 в атмосфере (наклонная линия).

Упомянутый треугольник разбит на семь сегментов («стабилизационных клиньев») снижения выбросов С02, каждый из которых предполагает их линейные темпы сокращения с 0 в 2004 г. до 1 Гт углерода в 2054 г. Содержательная часть этих сегментов, соответствующих технологическим стратегиям снижения выбросов СО2 (что важно, основанных на использовании уже существующих технологий), представлена в табл. 1.

Таблица 1 «Стабилизационные клинья»: технологические стратегии снижения выбросов углерода в атмосферу

(темпы снижения — 1 Гт в год, период снижения - с 2004 по 2054 г.)

Стратегия

Способы (сферы) реализации

Результативность каждой стратегии к 2054 г.

Комментарии, проблемы

1

2

3

4

1. Энергосбережение, энергоэффективность

1.1. Экономичные автомобили

Увеличение экономии

топлива 2 млрд

автомобилей с 3,3

галлонов/100 миль до 1,7 галлонов/100 миль

Варьирование размеров и мощности двигателя

автомобиля

1.2. Уменьшение

пользования

автомобилями

Уменьшение пробега 2 млрд автомобилей с 10 тыс. миль/год до 5 тыс. миль/год

Улучшение городской

планировки, развитие

общественного транспорта, работа на дому и

телекоммуникация

1.3. Энергоэффек-

Сокращение выбросов

Слабые экономические

98

 

тивные здания

углерода зданиями и домашним оборудованием в 2054 г. на 25%

стимулы

1.4. Эффективные

угольные ТЭС

Удвоение нынешнего

объема производства

энергии при КПД

сжигания 60% вместо планируемых 40% (в 2004 г. – 32%)

Использование технологий высокотемпературного сжигания топлива

2. Переход с угольного на газовое топливо

2.1. Переход от угольной энергетики к

газовой

Замена угольных ТЭС мощностью 1400 ГВт с 50-процентной эффективностью газовыми с увеличением производства электроэнергии ТЭС на газе в четыре раза

Конкуренция за природный газ со стороны других производителей (пользователей)

3. Использование технологий улавливания и хранения углекислого газа (OOS)

3.1. Улавливание

C02 на базовой

ТЭС

Использование технологий CCS на

угольных ТЭС

мощностью 800 ГВт или газовых ТЭС мощностью 1600 ГВт (по сравнению с угольными ТЭС

мощностью 1060 ГВт в 1999 г.)

Технология уже

используется при

производстве водорода (Н2)

3.2. Улавливание С02 на

предприятиях по производству водорода (Н2)

Использование технологий CCS на

предприятиях, производящих Н2 в

объеме 250 т/год из угля или 500 т/год из

природного газа (против 40 т/год в из всех источников в 2004 г.)

Обеспечение безопасности производства Н2 и

инфраструктуры

 

3.3. Улавливание СО2 на

предприятиях по производству синтетического топлива из угля

Использование технологий CCS на

предприятиях, производящих 30 млн. баррелей синтетического топлива в сутки из угля при условии улавливания 50% объема СО2

Увеличение выбросов СО2 в случае производства

синтетического топлива без применения технологий CCS

 

3.4. Хранение СОв геологических структурах

Организация 3500 геологических хранилищ

Надежность хранения и процедуры выдачи

разрешений

4. Использование ядерных технологий

(АЭС)

4.1. Переход от угольной энергетики к

атомной

Приращение мощности

700 ГВт (удвоение по сравнению с 2004 г.)

Нераспространение радиоактивных материалов и ядерных технологий,

терроризм, радиоактивные отходы

5. Использование возобновляемых источников энергии

5.1. Переход от угольной энергетики к ветровой

Сооружение на 30 млн. га побережья или

территорий в глубине материка новых 2 млн. ветровых установок

пиковой мощностью 1 МВт (в 50 раз больше, чем в 2004 г.)

Конкуренция за земельные участки со стороны других землепользователей

5.2. Переход от угольной энергетики к

солнечной

Приращение 2000 ГВт пиковой мощности (в 700 раз больше по сравнению с 2004 г.) (общая площадь панелей 2 млн га)

Высокие издержки

производства

¯¯5Ā

Использование водородного топлива в

автомобилях с

гибридным двигателем

Сооружение новых 4 млн. ветровых установок

пиковой мощностью 1 МВт (в 100 раз больше, чем в 2004 г.) для

производства водорода

Обеспечение безопасности производства Н2 и

инфраструктуры

5.4. Переход от ископаемого топлива к биотопливу

Увеличение уровня

производства биоэтанола в Бразилии или США в 2004 г. в 100 раз за счет использования 250 млн. га сельхозугодий (17%

мировой пашни)

Сохранение биоразнообразия, конкуренция со стороны других землепользователей

6. Использова-ние лесных ресурсов

6.1. Сокращение темпов сведения лесов, увеличение темпов восстановления и новых посадок

лесов

Сокращение темпов

сведения тропических

лесов до нуля (вместо их уничтожения, эквивалентного выбросам 0,5 Гт С/год) и посадка 300 млн. га лесов (вдвое больше, чем в 2004 г.)

Конкуренция за землю со стороны сельскохозяй

ственных производителей, выгоды увеличения биоразнообразия за счет

сокращения темпов сведения лесов

7. Использова-ние ресурсов земель

сельскохозяйственного

7.1. Использование агротехнологий, сберегающих плодородие почв

Применение агротехнологий, сберегающих плодородие почв при выращивании всех сельхозкультур

Возможный возврат к существующим технологиям обработки, трудность

контроля

Примечание - данные работы [1; 167-168]

Как видно из табл. 1, важная роль отводится в мире технологии улавливания и хранения двуокиси углерода (УХУ) как единственному способу, позволяющему значительно сократить эмиссию СО2 (двуокись углерода), источником которой являются ископаемые виды топлива, и дать возможность, таким образом, пользоваться выгодой от их применения в условиях отсутствия негативного воздействия на климат.

Проблема промышленного использования системы УХУ

Известно, что технологии, обеспечивающие высокую эффективность (низкие выбросы СО2) и низкие выбросы стандартных загрязняющих веществ

(твёрдых частиц, SO2, NOx), доступны на сегодняшний день для применения в промышленных масштабах по приемлемой стоимости. В частности, на сегодняшний день все необходимые элементы системы УХУ доведены до промышленного использования. Однако пока не существует отрасли УХУ, так как элементы системы не функционируют совместно в том виде, как это необходимо для эффективного масштабного сокращения отрицательного воздействия СО2. Проблема промышленного использования системы УХУ состоит в том, чтобы обеспечить интеграцию этих элементов и увеличение до промышленных масштабов [2; 597-604].

Улавливание С02 с использованием аминов было внедрено в 1930-х годах. На сегодня ряд компаний эксплуатируют промышленные системы улавливания двуокиси углерода на газоперерабатывающих заводах или тангенциального потока на угольных электростанциях [3; 630-671].

Как показывает мировой опыт, в течение нескольких десятилетий доведена до промышленного использования крупномасштабная система транспортировки С02. Например, в США проложено на данный момент 3600 миль трубопроводов, по которым транспортируется ежегодно около 50 млн. т С02 из природных источников с целью повышения нефтеотдачи (EOR) там, где двуокись углерода нагнетается в нефтяной пласт. Массированное нагнетание С02 (около 1 млн. т в год) в другие геологические формации осуществляется в настоящее время в мире всего в нескольких местах, в том числе на месторождениях Айн-Салах (Алжир), Снёвит и Слейпнер (Норвегия) [4, 10-11].

Тем не менее, все еще есть неопределенность в отношении возможностей технологии УХУ в качестве основной технологии минимизации отрицательного воздействия на окружающую среду. В научной литературе [5-6] высказывались сомнения относительно эффективности использования крупномасштабных хранилищ С02. Хотя многие специалисты в ответ утверждали, что эти сомнения преувеличены, лишь долгосрочные крупномасштабные демонстрационные хранилища помогут получить определенный ответ. Опыт улавливания двуокиси углерода на промышленной основе, полученный на действующих электростанциях, поставил под сомнение вопросы расширения масштабов и интеграции существующих технологий. Более того, издержки остаются высокими, требуются значительные усилия в области НИОКР для того, чтобы их снизить. Если в будущем общественная политика поставит вопрос о крупномасштабном сокращении эмиссии, то уже сегодня важно повышать готовность технологии УХУ и определить, какую роль эта технология сможет сыграть в системе инструментов защиты климата.

Развитие технологии УХУ, как и многих других технологий в области энергетики, требует значительного времени на реализацию. Опыт прошлых лет, касающийся разработки чистых технологий в энергетике, показывает, что от разработки новой концепции до ее промышленной реализации зачастую проходит несколько десятилетий [3; 630-671]. Несмотря на то, что в будущем значительные ограничения на эмиссию СОмогут отсутствовать, есть смысл именно сейчас безотлагательно решать задачу развития технологий с низким уровнем эмиссии, таких как УХУ.

В условиях жестких ограничений на выбросы в мире единственный вариант для угля без технологии УХУ - это вообще не использовать его. Поэтому, если технология УХУ должна использоваться в целях крупномасштабного смягчения последствий изменения климата, то становится очевидным, что развитие технологии должно быть сосредоточено на применении технологии УХУ на электростанциях, особенно на угольных электростанциях.

Долгосрочные перспективы технологии УХУ

В долгосрочной перспективе сохраняется настоятельная потребность в технологии УХУ. Изменение климата продолжает оставаться негативным фактором и последние исследования подтверждают, что проблема будет становиться более, а не менее, серьезной. Одновременно в мире продолжается быстрый рост спроса на энергию, особенно в развивающихся странах. Значительная часть текущей и будущей потребности в энергии будет покрываться за счет ископаемых видов топлива, способствуя дальнейшему росту концентрации СО2 в атмосфере. Соответственно есть настоятельная необходимость в технологиях, которые обеспечат низкоуглеродное производство энергии на базе ископаемых энергоресурсов. В своем сценарии Blue Map Международноеэнергетическое агентство (IAE) прогнозирует, что, если следовать намерению сократить эмиссию СО2 к 2050 г. вдвое, то к 2050 г. технологии улавливания и хранения двуокиси углерода (УХУ) могут помочь добиться снижения выбросов парниковых газов (ПГ) на 19%. Это необходимо для ограничения повышения глобальной температуры на 2°С [7; 92].

Что же можно сделать сегодня для того, чтобы обеспечить в будущем жизнеспособность УХУ в качестве технологии смягчения отрицательного воздействия на климат? Прежде всего, важно ясно представлять себе и принимать во внимание новые реалии, а также понимать, что они создают серьезные препятствия на пути развития систем УХУ. Серьезную угрозу для будущего УХУ представляет недоучет политических и экономических реалий, нежелание соотнести с ними свои амбиции.

Отсюда в перспективе промышленно развитые страны, использующие ископаемое топливо, должны продемонстрировать и обеспечить коммерческое применение технологии УХУ на угольных и газовых электростанциях, а также в промышленном секторе на заводах по производству цемента, стали и химических заводах. Весьма важно в дальнейшем укрепление международного сотрудничества по развитию технологий УХУ путём вовлечения основных заинтересованных сторон в государственном секторе, бизнесе и неправительственных организациях.

Для того чтобы двигаться вперед в современных неоднозначных условиях, сообщество заинтересованных в технологии УХУ сторон должно сосредоточить свои усилия на критических вопросах, найти способы усиления координации, а также изыскать инструменты для финансирования необходимых научно-исследовательских и проектноконструкторских работ. В конечном итоге, передовая технология обеспечит решение проблемы изменения климата. При этом технология УХУ - это один из возможных технологических вариантов. Значит, необходимо обязательно продолжить движение вперед.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Инновационное развитие: экономика, интеллектуальные ресурсы, управление знаниями / Под редакцией Б. З. Мильнера. - М.: ИНФРА - М, 2010. - 624 с.
  2. Herzog, H.: Scaling up carbon dioxide capture and storage: From megatons to gigatons. Energ. Econ. 33 (2011), No. 4, pp. 597-604.
  3. Rubin, E., Mantripragada, H., Marks, A., Versteeg, P., Kitchin, J.: The outlook for improved carbon capture technology. Prog. Energy Combust. Sci. 38 (2012), No. 5, pp. 630-671.
  4. Говард Херцог, Ян Айде. Переосмысление технологии улавливания и хранения двуокиси углерода (УХУ) - движение вперед в условиях неопределенности // Глюкауф Майнинг Репорт. - 2014. - № 1. - С. 10-16.
  5. Ehlig-Economides, С, Economides, М.: Sequestering carbon dioxide in a closed underground volume J. Petrol. Sci. Eng. 70 (2010), No. 1-2, pp. 118125.
  6. Zoback, M.D., Gorelick, S.M.: Earthquake triggering and large-scale geologic storage of carbon dioxide. Proc. Natl. Acad. Sci. (2012) 109, 1016410168.
  7. Международный семинар по энергоэффективности и чистым технологиям угля // Горная промышленность. – 2010. – № 5 (93). – С. 9192.
Год: 2015
Город: Костанай