Bioenergi med avskiljning och lagring av kol
Bioenergi med avskiljning och lagring av koldioxid ( BECCS ) är processen att utvinna bioenergi från biomassa och fånga upp och lagra kolet och därigenom avlägsna det från atmosfären . BECCS kan vara en " negativ utsläppsteknik " (NET). Kolet i biomassan kommer från växthusgasen koldioxid (CO 2 ) som utvinns ur atmosfären av biomassan när den växer. Energi ("bioenergi") utvinns i användbara former (el, värme, biobränslen etc.) då biomassan utnyttjas genom förbränning, jäsning, pyrolys eller andra omvandlingsmetoder.
En del av kolet i biomassan omvandlas till CO 2 eller biokol som sedan kan lagras genom geologisk lagring respektive landapplikation, vilket möjliggör avlägsnande av koldioxid (CDR).
Det potentiella intervallet för negativa utsläpp från BECCS uppskattades vara noll till 22 gigaton per år . Från och med 2019 använde fem anläggningar runt om i världen aktivt BECCS-teknik och fångar upp cirka 1,5 miljoner ton CO 2 per år . En bred utbyggnad av BECCS begränsas av kostnaden och tillgången på biomassa.
Negativ emission
BECCS främsta överklagande är dess förmåga att resultera i negativa utsläpp av CO 2 . Avskiljningen av koldioxid från bioenergikällor avlägsnar effektivt CO 2 från atmosfären.
Bioenergi härrör från biomassa som är en förnybar energikälla och fungerar som en kolsänka under dess tillväxt. Under industriella processer återsläpper den biomassa som förbränns eller bearbetas CO 2 till atmosfären. Tekniken för avskiljning och lagring av koldioxid (CCS) tjänar till att fånga upp utsläpp av CO 2 till atmosfären och omdirigera den till geologiska lagringsplatser eller betong. Processen resulterar således i ett nettonollutsläpp av CO 2 , även om detta kan förändras positivt eller negativt beroende på de koldioxidutsläpp som är förknippade med biomassatillväxt, transport och bearbetning, se nedan under miljöhänsyn. CO 2 av biomassa släpps inte bara ut från biobränsledrivna kraftverk, utan även vid produktion av massa som används för att tillverka papper och vid produktion av biobränslen som biogas och bioetanol . BECCS-tekniken kan även användas på industriella processer som dessa och tillverkning av cement.
BECCS-teknik fångar koldioxid i geologiska formationer på ett semipermanent sätt, medan ett träd lagrar sitt kol endast under sin livstid. År 2005 uppskattades det att mer än 99 % av koldioxiden som lagras genom geologisk lagring sannolikt kommer att stanna kvar i mer än 1000 år. Medan andra typer av kolsänkor som havet, träd och mark kan innebära risk för negativa återkopplingsslingor vid ökade temperaturer, kommer BECCS-teknik sannolikt att ge en bättre beständighet genom att lagra CO 2 i geologiska formationer.
Industriella processer har släppt ut för mycket CO 2 för att kunna absorberas av konventionella sänkor som träd och jord för att nå låga utsläppsmål. Utöver de nu ackumulerade utsläppen kommer det att ske betydande ytterligare utsläpp under detta århundrade, även i de mest ambitiösa lågutsläppsscenarierna. BECCS har därför föreslagits som en teknik för att vända utsläppstrenden och skapa ett globalt system med negativa nettoutsläpp. Detta innebär att utsläppen inte bara skulle vara noll, utan negativa, så att inte bara utsläppen utan den absoluta mängden CO 2 i atmosfären skulle minska.
Ansökan
| Källa | CO 2 Källa | Sektor |
|---|---|---|
| Etanolproduktion | Jäsning av biomassa som sockerrör, vete eller majs frigör CO 2 som en biprodukt. | Industri |
|
Massa- och pappersbruk
Cementproduktion |
|
Industri |
| Biogasproduktion | I biogasuppgraderingsprocessen separeras CO 2 från metanen för att producera en gas av högre kvalitet. | Industri |
| Elektriska kraftverk | Förbränning av biomassa eller biobränsle i ång- eller gasdrivna generatorer frigör CO 2 som en biprodukt. | Energi |
| Värmekraftverk | Förbränning av biobränsle för värmeproduktion frigör CO 2 som en biprodukt. Används vanligtvis för fjärrvärme. | Energi |
Kosta
Kostnadsuppskattningar för BECCS sträcker sig från $60-$250 per ton CO 2 .
Det uppskattades att elektrogeokemiska metoder för att kombinera saltvattenelektrolys med mineralvittring som drivs av el som härrör från icke-fossilt bränsle i genomsnitt skulle kunna öka både energigenerering och CO 2 -avlägsnande med mer än 50 gånger jämfört med BECCS, vid motsvarande eller till och med lägre kostnad, men ytterligare forskning behövs för att utveckla sådana metoder.
Teknologi
Den huvudsakliga tekniken för CO 2 -avskiljning från biotiska källor använder i allmänhet samma teknik som koldioxidavskiljning från konventionella fossila bränslen. I stort förbränning av sett finns det tre olika typer av teknologier: efterförbränning , förbränning och syrebränsle .
Oxy-förbränning
Syrebränsleförbränning har varit en vanlig process inom glas-, cement- och stålindustrin. Det är också ett lovande tekniskt tillvägagångssätt för CCS. Vid förbränning av oxy‐fuel är den största skillnaden från konventionell lufteldning att bränslet förbränns i en blandning av O 2 och återvunnen rökgas. O 2 produceras av en luftseparationsenhet (ASU), som avlägsnar atmosfäriskt N 2 från oxidationsmedelsströmmen . Genom att ta bort N 2 uppströms processen produceras en rökgas med hög koncentration av CO 2 och vattenånga, vilket eliminerar behovet av en efterförbränningsanläggning. Vattenångan kan avlägsnas genom kondensering, vilket ger en produktström av relativt hög ren CO 2 som efter efterföljande rening och uttorkning kan pumpas till en geologisk lagringsplats.
Nyckelutmaningar med BECCS-implementering med oxy-combustion är förknippade med förbränningsprocessen. För biomassan med högt flyktigt innehåll måste kvarntemperaturen hållas vid en låg temperatur för att minska risken för brand och explosion. Dessutom är lågtemperaturen lägre. Därför måste koncentrationen av syre ökas upp till 27-30%.
Förbränning
"Pre-combustion carbon capture" beskriver processer som fångar upp CO 2 innan energi genereras. Detta åstadkommes ofta i fem driftssteg: syrealstring, syngasgenerering, CO 2 -separering, CO 2 -komprimering och kraftgenerering. Bränslet går först igenom en förgasningsprocess genom att reagera med syre för att bilda en ström av CO och H 2 , som är syngas. Produkterna kommer sedan att gå genom en vatten-gas-skiftreaktor för att bilda CO 2 och H 2 . Den CO 2 som produceras kommer sedan att fångas upp och H 2 , som är en ren källa, kommer att användas för förbränning för att generera energi. Processen för förgasning i kombination med syngasproduktion kallas Integrated Gasification Combined Cycle ( IGCC). En Air Separation Unit (ASU) kan fungera som syrekälla, men viss forskning har funnit att med samma rökgas är syrgasförgasning bara något bättre än luftförgasning. Båda har en termisk verkningsgrad på ungefär 70 % med kol som bränslekälla. Därför är användningen av en ASU egentligen inte nödvändig vid förbränning.
Biomassa anses vara "svavelfri" som bränsle för infångning före förbränning. Det finns dock andra spårämnen i biomassaförbränning som K och Na som kan ackumuleras i systemet och slutligen orsaka nedbrytning av de mekaniska delarna. Således behövs ytterligare utvecklingar av separationsteknikerna för dessa spårämnen. Och även, efter förgasningsprocessen, tar CO 2 upp till 13 % - 15,3 % i massa i syngasströmmen för biomassakällor, medan den bara är 1,7 % - 4,4 % för kol. Detta begränsar omvandlingen av CO till CO 2 i vattengasskiftet, och produktionshastigheten för H 2 kommer att minska i enlighet därmed. Emellertid liknar den termiska effektiviteten för förbränningsavskiljningen med biomassa den för kol som är omkring 62 % - 100 %. Viss forskning fann att användningen av ett torrt system istället för ett bränsletillförsel av biomassa/vattenslam var mer termiskt effektivt och praktiskt för biomassa.
Efterförbränning
Förutom teknik för förbränning och förbränning av syrebränsle är efterförbränning en lovande teknik som kan användas för att utvinna CO 2 -utsläpp från biobränsleresurser. Under processen separeras CO 2 från de andra gaserna i rökgasströmmen efter att biobränslet har förbränts och genomgår separationsprocess. Eftersom den har förmågan att eftermonteras till vissa befintliga kraftverk såsom ångpannor eller andra nybyggda kraftverk, anses efterförbränningsteknik som ett bättre alternativ än förförbränningsteknik. Enligt faktabladen US CONSUMPTION OF BIO-ENERGY WITH CARBON CAPTURE AND LAGRING som släpptes i mars 2018, förväntas effektiviteten hos efterförbränningstekniken vara 95 % medan förförbränning och oxyförbränning fångar upp CO 2 med en effektiv hastighet av 85 % respektive 87,5 %.
Utvecklingen för nuvarande efterförbränningsteknik har inte gjorts helt på grund av flera problem. En av de största problemen med att använda denna teknik för att fånga upp koldioxid är den parasitiska energiförbrukningen. Om enhetens kapacitet är designad för att vara liten är värmeförlusten till omgivningen stor nog att orsaka för många negativa konsekvenser. En annan utmaning med kolavskiljning efter förbränning är hur man hanterar blandningens komponenter i rökgaserna från initiala biomassamaterial efter förbränning. Blandningen består av en stor mängd alkalimetaller, halogener, sura grundämnen och övergångsmetaller som kan ha negativ inverkan på processens effektivitet. Därför bör valet av specifika lösningsmedel och hur man hanterar lösningsmedelsprocessen vara noggrant utformad och driven.
Biomassaråvaror
Biomassakällor som används i BECCS inkluderar jordbruksrester och avfall, skogsbruksrester och avfall, industri- och kommunalt avfall och energigrödor som odlas specifikt för användning som bränsle. Pågående BECCS-projekt fångar upp CO 2 från bioraffinaderianläggningar för etanol och återvinningscentraler för kommunalt fast avfall (MSW).
En mängd olika utmaningar måste mötas för att säkerställa att biomassabaserad kolavskiljning är genomförbar och koldioxidneutral. Biomassabestånd kräver tillgång till vatten och gödningsmedel, som i sig existerar vid en koppling av miljöutmaningar i form av resursavbrott, konflikter och avrinning av gödselmedel. En andra stor utmaning är logistiken: skrymmande biomassaprodukter kräver transport till geografiska särdrag som möjliggör sekvestrering.
Nuvarande projekt
Hittills har det funnits 23 BECCS-projekt runt om i världen, med majoriteten i Nordamerika och Europa. Idag finns det bara 6 projekt i drift, som fångar upp CO 2 från bioraffinaderianläggningar för etanol och återvinningscentraler för MSW.
På etanolfabriker
Illinois Industrial Carbon Capture and Storage (IL-CCS) är en av milstolparna, eftersom det var det första BECCS-projektet i industriell skala i början av 2000-talet. Beläget i Decatur, Illinois, USA, fångar IL-CCS CO 2 från Archer Daniels Midland (ADM) etanolfabrik. Den fångade CO 2 injiceras sedan under den djupa saltlösningen vid Mount Simon Sandstone. IL-CCS består av 2 faser. Det första var ett pilotprojekt som genomfördes från 11/2011 till 11/2014. Fas 1 har en kapitalkostnad på cirka 84 miljoner US-dollar. Under 3-årsperioden lyckades tekniken fånga upp och binda 1 miljon ton CO 2 från ADM-anläggningen till akvifären. Inget läckage av CO 2 från injektionszonen påträffades under denna period. Projektet övervakas fortfarande för framtida referens. Framgången med fas 1 motiverade utbyggnaden av fas 2, vilket förde IL-CCS (och BECCS) till industriell skala. Fas 2 har varit i drift sedan 11/2017 och använder även samma injektionszon vid Mount Simon Sandstone som fas 1. Kapitalkostnaden för andra fasen är cirka 208 miljoner US-dollar inklusive 141 miljoner US-dollarfond från Department of Energy. Fas 2 har fångstkapacitet cirka 3 gånger större än pilotprojektet (fas 1). IL-CCS kan årligen fånga upp mer än 1 miljon ton CO 2 . Med den största fångstkapaciteten är IL-CCS för närvarande det största BECCS-projektet i världen.
Utöver IL-CCS-projektet finns ytterligare cirka tre projekt som fångar upp CO 2 från etanolfabriken i mindre skala. Till exempel kan Arkalon i Kansas, USA fånga upp 0,18-0,29 MtCO 2 /år, OCAP i Nederländerna kan fånga upp cirka 0,1-0,3 MtCO 2 /år och Husky Energy i Kanada kan fånga 0,09-0,1 MtCO 2 /år.
På MSW återvinningscentraler
Förutom att fånga upp CO 2 från etanolfabrikerna, finns det för närvarande 2 modeller i Europa som är utformade för att fånga upp CO 2 från bearbetning av kommunalt fast avfall. Klemetsrud-anläggningen i Oslo, Norge använder biogent kommunalt fast avfall för att generera 175 GWh och fånga upp 315 Kton CO 2 varje år. Den använder absorptionsteknik med Aker Solution Advanced Amine-lösningsmedel som en CO 2 -fångningsenhet. På samma sätt använder ARV Duiven i Nederländerna samma teknik, men den fångar upp mindre CO 2 än den tidigare modellen. ARV Duiven genererar cirka 126 GWh och fångar bara upp 50 Kton CO 2 varje år.
Teknoekonomi för BECCS och TESBiC-projektet
Den största och mest detaljerade teknisk-ekonomiska bedömningen av BECCS genomfördes av cmcl innovationer och TESBiC-gruppen (Techno-Economic Study of Biomass to CCS) 2012. Detta projekt rekommenderade den mest lovande uppsättningen av biomassadrivna kraftgenereringstekniker i kombination med kol capture and storage (CCS). Projektets resultat leder till en detaljerad "biomassa CCS-färdplan" för Storbritannien.
Utmaningar
Miljöhänsyn
En del av miljöhänsynen och andra farhågor kring den utbredda implementeringen av BECCS liknar dem för CCS. Mycket av kritiken mot CCS är dock att det kan stärka beroendet av utarmade fossila bränslen och miljöinvasiv kolbrytning. Detta är inte fallet med BECCS, eftersom det är beroende av förnybar biomassa. Det finns dock andra överväganden som involverar BECCS och dessa farhågor är relaterade till den möjliga ökade användningen av biobränslen . Biomassaproduktion är föremål för en rad hållbarhetsbegränsningar, såsom: brist på åkermark och sötvatten, förlust av biologisk mångfald , konkurrens med livsmedelsproduktion, avskogning och brist på fosfor. Det är viktigt att se till att biomassa används på ett sätt som maximerar både energi- och klimatnyttan. Det har funnits kritik mot några föreslagna BECCS-utbyggnadsscenarier, där det skulle vara ett mycket stort beroende av ökad biomassainsats.
Stora markområden skulle krävas för att driva BECCS i industriell skala. För att ta bort 10 miljarder ton CO 2 skulle det krävas uppemot 300 miljoner hektar landyta (större än Indien). Som ett resultat riskerar BECCS att använda mark som skulle kunna vara bättre lämpad för jordbruk och livsmedelsproduktion, särskilt i utvecklingsländer.
Dessa system kan ha andra negativa biverkningar. Det finns dock för närvarande inget behov av att utöka användningen av biobränslen i energi- eller industritillämpningar för att möjliggöra BECCS-utbyggnad. Det finns redan idag betydande utsläpp från punktkällor av biomassa härledd CO 2 , som skulle kunna utnyttjas för BECCS. Även om detta kan vara ett viktigt övervägande i möjliga framtida scenarier för uppskalning av bioenergisystem.
Uppskalning av BECCS skulle kräva en hållbar tillgång på biomassa - en som inte utmanar mark, vatten eller livsmedelssäkerhet. Att använda bioenergigrödor som råvara kommer inte bara att orsaka hållbarhetsproblem utan kräver också användning av mer gödningsmedel som leder till markförorening och vattenförorening . [ citat behövs ] Dessutom är skörden i allmänhet utsatt för klimatförhållanden, dvs tillgången på denna bio-råvara kan vara svår att kontrollera. Bioenergisektorn måste också expandera för att möta utbudet av biomassa. En utbyggnad av bioenergi skulle kräva teknisk och ekonomisk utveckling i enlighet därmed.
Tekniska utmaningar
En utmaning för att tillämpa BECCS-teknik, som med andra tekniker för avskiljning och lagring av koldioxid, är att hitta lämpliga geografiska platser för att bygga förbränningsanläggningar och för att binda upp fångad CO 2 . Om biomassakällor inte är nära förbränningsenheten, släpper transport av biomassa ut CO 2 som kompenserar för mängden CO 2 som fångas upp av BECCS. BECCS står också inför tekniska farhågor om effektiviteten av förbränning av biomassa. Medan varje typ av biomassa har olika värmevärde, är biomassa i allmänhet ett lågkvalitativt bränsle. Termisk omvandling av biomassa har typiskt en effektivitet på 20-27%. Som jämförelse har koleldade anläggningar en verkningsgrad på cirka 37 %.
BECCS ställs också inför en fråga om processen verkligen är energipositiv. Låg energiomvandlingseffektivitet , energikrävande biomassaförsörjning, i kombination med den energi som krävs för att driva CO 2 -avskiljnings- och lagringsenheten, innebär energistraff för systemet. Detta kan leda till en låg energiproduktionseffektivitet.
Potentiella lösningar
Alternativa biomassakällor
Jord- och skogsbruksrester
Globalt genereras 14 Gt skogsrester och 4,4 Gt rester från växtodling (främst korn, vete, majs, sockerrör och ris) varje år. Detta är en betydande mängd biomassa som kan förbrännas för att generera 26 EJ/år och uppnå 2,8 Gt negativt CO 2 -utsläpp genom BECCS. Att använda rester för kolavskiljning kommer att ge sociala och ekonomiska fördelar för landsbygdssamhällen. Att använda avfall från grödor och skogsbruk är ett sätt att undvika de ekologiska och sociala utmaningarna med BECCS.
Kommunalt fast avfall
Kommunalt fast avfall (MSW) är en av de nyutvecklade källorna till biomassa. Två nuvarande BECCS-anläggningar använder MSW som råmaterial. Avfall som samlas in från det dagliga livet återvinns genom förbränningsprocess för avfallsbehandling. Avfall genomgår värmebehandling vid hög temperatur och värmen som genereras från förbrännande organisk del av avfallet används för att generera el. CO 2 som släpps ut från denna process fångas upp genom absorption med hjälp av MEA . [ förtydligande behövs ] För varje kg avfall som förbränns uppnås 0,7 kg negativt CO 2 -utsläpp. Att använda fast avfall har också andra miljöfördelar.
Sameldning av kol med biomassa
Från och med 2017 fanns det ungefär 250 sameldningsanläggningar i världen, inklusive 40 i USA. Sameldning av biomassa med kol har en effektivitet nära den för kolförbränning. Istället för sameldning kan full konvertering från kol till biomassa av en eller flera produktionsenheter i en anläggning vara att föredra.
Politik
Baserat på Kyotoprotokollet var projekt för avskiljning och lagring av kol inte tillämpliga som ett utsläppsminskningsverktyg som skulle användas för mekanismen för ren utveckling (CDM) eller för projekt för gemensamt genomförande (JI). Att erkänna CCS-teknik som ett utsläppsminskningsverktyg är avgörande för implementeringen av sådana anläggningar eftersom det inte finns någon annan ekonomisk motivation för implementeringen av sådana system. Det har funnits ett växande stöd för att ha fossila CCS och BECCS inkluderade i protokollet såväl som det nuvarande Parisavtalet. Redovisningsstudier om hur detta kan genomföras, inklusive BECCS, har också gjorts.
europeiska unionen
Det finns några framtida policyer som ger incitament att använda bioenergi, såsom direktivet om förnybar energi (RED) och direktivet om bränslekvalitet (FQD), som kräver att 20 % av den totala energiförbrukningen ska baseras på biomassa, biovätskor och biogas till 2020.
Sverige
Energimyndigheten har fått i uppdrag av den svenska regeringen att utforma ett svenskt stödsystem för BECCS som ska implementeras 2022.
Storbritannien
År 2018 rekommenderade kommittén för klimatförändringar att flygets biobränslen ska tillhandahålla upp till 10 % av den totala efterfrågan på flygbränsle till 2050, och att alla flygbiobränslen ska produceras med CCS så snart tekniken är tillgänglig .
Förenta staterna
Under 2018 ökade och förlängde den amerikanska kongressen avsevärt skatteavdraget enligt § 45Q för lagring av koloxider . Detta har varit en högsta prioritet för anhängare av kolavskiljning och -bindning (CCS) i flera år. Den ökade 25,70 till 50 USD skattelättnad per ton CO 2 för säker geologisk lagring och 15,30 till 35 USD skattelättnad per ton CO 2 som används för förbättrad oljeutvinning.
Allmänhetens uppfattning
Begränsade studier har undersökt allmänhetens uppfattning om BECCS. [ citat behövs ] Av dessa studier kommer de flesta från utvecklade länder på norra halvklotet och kanske inte representerar en världsomspännande uppfattning.
I en studie från 2018 som involverade onlinepanelrespondenter från Storbritannien, USA, Australien och Nya Zeeland, visade de tillfrågade lite tidigare medvetenhet om BECCS-teknik. Mått på respondenternas uppfattningar tyder på att allmänheten associerar BECCS med en balans av både positiva och negativa attribut. I de fyra länderna angav 45 % av de tillfrågade att de skulle stödja småskaliga försök med BECCS, medan endast 21 % var emot. BECCS var måttligt att föredra bland andra metoder för avlägsnande av koldioxid som direkt luftinfångning eller förbättrad väderlek , och mycket föredraget framför metoder för solstrålning .
Se även
- Biosekvestrering
- Avlägsnande av koldioxid
- Kolnegativ
- Kolteknik
- Scenarier för begränsning av klimatförändringar
- Klimatteknik
- Lista över nya teknologier
- Koldioxidsnål ekonomi
- FN:s miljöprogram
- Virgin Earth Challenge
| |||||||||||||
| |||||||||||||
| |||||||||||||
| |||||||||||||
| |||||||||||||
| |||||||||||||
| |||||||||||||
