Sekwestracja dwutlenku węgla (Carbon capture and storage, CCS)

CCS to proces zapobiegania emisji dużych ilości dwutlenku węgla (CO2) do atmosfery z punktowych źródeł zanieczyszczeń, takich jak elektrownie i fabryki przemysłu ciężkiego.

Pomimo iż CO2 jest wtłaczany w formacje geologiczne od kilku dekad w różnych celach, wliczając wspomaganie wydobycia ropy naftowej, koncepcja długoterminowego składowania gazu jest relatywnie nowa.

Sekwestracja dwutlenku węgla może być traktowana jako jedna z metod geoinżynierii klimatu, czyli proponowanych wielkoskalowych modyfikacji pogody w celu przeciwdziałania niekorzystnym zmianom klimatycznym.

Podstawowe informacje

Wychwytywanie CO2 jest najbardziej efektywne tam gdzie jego wytwarzanie jest największe. Chodzi tu głównie o duże elektrownie (zasilane paliwami kopalnymi lub biomasą), rafinerie gazu ziemnego i paliw syntetycznych, czy zakłady produkujące wodór.

Pierwszym podmiotem na świecie który zajął się sekwestracją dwutlenku węgla komercyjnie jest szwajcarska firma Climeworks. Stężenie gazu maleje wraz z oddaleniem od źródła emisji. Aby wychwyt był skuteczny przy małym stężeniu, przepływ powietrza przez odpowiednie filtry sekwestrujące musi być bardzo duży.

Wyróżnia się trzy metody wychwytu dwutlenku węgla:

• wtórny (post combustion) – CO2 jest wychwytywane ze spalin, po procesie spalania. Ten sposób jest najbardziej popularny i często stosowany w przemyśle, zwłaszcza w elektrowniach zasilanych paliwami kopalnymi
• pierwotny (pre-combustion) – w tej technice wychwyt następuje przed spalaniem. Paliwo jest poddawane procesowi gazyfikacji, w wyniku której powstaje gaz syntezowy (CO i H2), ulegający dalszym przemianom do CO2 i H2O
• spalanie w tlenie (oxycombustion) – spalanie czystego paliwa w czystym tlenie. Spaliny stanowią wyłącznie dwutlenek węgla i łatwą do wykroplenia wodę

Po wychwyceniu CO2 zostaje przetransportowane na miejsce składowania rurociągami. Transport dwutlenku węgla podlega takim samym ograniczeniom jak transport gazu.

Szacowanie kosztów instalacji CCS w elektrowni jest bardzo trudne. Na świecie nie ma ani jednej zintegrowanej instalacji tak zwanego pełnego łańcucha CCS (rozumianej jako instalacja wychwytu CO2 w elektrowni lub innym dużym zakładzie przemysłowym, rurociąg do transportu CO2 i składowisko CO2) działającej na dużą skalę. To powoduje, że podawane koszty znacznie różnią się od siebie. Instalacje do wychwytu dwutlenku węgla mają też duże zapotrzebowanie na energię, co znacząco zwiększa ilość energii zużywanej na potrzeby własne elektrowni, a więc i jej koszty eksploatacji. Poza tym uważa się, że stosowanie instalacji CCS w elektrowni zmniejsza jej sprawność nawet o 10%. Obecnie instalacja CCS jest nieopłacalna z ekonomicznego punktu widzenia, co wynika z niskich cen za emisję dwutlenku węgla.

Składowanie dwutlenku węgla

Najwięcej problemów z sekwestracją dwutlenku węgla wiąże się z jego składowaniem.

Składowanie geologiczne
Najpowszechniejszą metodą jest podziemne składowanie dwutlenku węgla po jego zatłoczeniu pod ziemię. Jako miejsce składowania może posłużyć pole naftowe, pole gazowe, pokłady węgla. Pułapki fizyczne i geochemiczne zapobiegają wydostaniu się CO2 na powierzchnię. Wtłaczanie CO2 w pole naftowe powoduje zwiększenie wydobycia. W Stanach Zjednoczonych około 30 do 50 milionów ton gazu jest wtryskiwane w skały ubogie w ropę.

Składowanie oceaniczne
W przeszłości istniała możliwość składowania CO2 w oceanie. Z czasem ta procedura została uznana za nielegalną i powodującą wzrost zakwaszenia wód.

Mineralna karbonatyzacja
Dwutlenek węgla tworzy trwałe związki węglanowe z minerałami lub odpadami mineralnymi. Do reakcji wykorzystywane są tlenki metali (magnezu, wapnia, żelaza). Karbonatyzację przeprowadza się przez:

• wiązanie CO2 z ciałem stałym
• reakcję CO2 z wodną zawiesiną, na przykład krzemianów wapniowych lub magnezowych

Do mineralnej sekwestracji można stosować minerały naturalne (np. serpentynit, oliwin, talk) lub odpady (np. popioły lotne, odpady azbestowe, żużle hutnicze).

Wiązanie w ekosystemach ziemskich
Jest to naturalny sposób uwięzienia CO2. Obejmuje to zalesianie, ochronę terenów zielonych, oraz odnawianie terenów zdegradowanych.

Sekwestracja dwutlenku węgla z wykorzystaniem glonów

Sekwestracja dwutlenku węgla z wykorzystaniem glonów (algae based carbon capture) to technologia wykorzystywania dwutlenku węgla do wzrostu glonów w celu ograniczenia jego emisji do atmosfery. W przeciwieństwie do innych technik sekwestracji dwutlenku węgla, zakłada produkcję biomasy, która następnie może być wykorzystywana jako substrat w procesach produkcji biopaliw i innych komercyjnych produktów, a nie jej składowanie. Tym samym technologia ta pomija problemy związane z niestabilnością składowanego węgla, oraz oprócz ekonomicznie uzasadnionej redukcji emisji CO2, pozwala na uzyskanie przychodu ze sprzedaży lub wykorzystania in situ końcowych produktów procesu. Technologia ta mogłaby być może wykorzystywana w zakładach emitujących dwutlenek węgla np. hutach, cementowniach, rafineriach, cukrowniach, gorzelniach, zakładach przemysłu chemicznego, papierniczego, nawozów sztucznych.

Przebieg procesu CSS

Hodowla biomasy glonowej może przebiegać w systemach:

• otwartych – zbiornikach, basenach lub jeziorach, lagunach. System otwarty jest natomiast tańszy i prostszy, ale nie pozwala na pełną kontrolę nad procesem – zwłaszcza parowaniem i dyfuzją CO2.
• zamkniętych – fotobioreaktorach (PBR): panelowych, cylindrycznych lub kolumnowych. Stosowanie systemu zamkniętego daje korzyści takie jak pełna kontrola nad parametrami procesu. PBR zajmuje także mniejszą powierzchnię i pozwala na otrzymanie produktu o większej czystości.

Zasadniczymi czynnikami ograniczającymi wzrost biomasy są:

• dostępność soli mineralnych
• stężenie dwutlenku węgla
• dostęp do światła i wody
• pH

Do głównych substancji odżywczych zaliczamy: azot, fosfor, żelazo oraz krzem.

Najczęściej wykorzystywane baseny mają kształt toru wyścigowego (raceway pond) i są wyposażone w łopatki wymuszające ruch biomasy glonowej, zapewniając równomierne oświetlenie i efektywny wzrost. W celu wydajnego wykorzystania promieniowania słonecznego, głębokość powinna mieścić się w granicach 0,3 m. Dostarczanie dwutlenku węgla i substancji odżywczych powinno odbywać się w sposób ciągły.

Potencjalnie instalacja może pełnić dodatkową funkcję buforowego zbiornika wody dla nieposiadających go elektrowni zlokalizowanych przy rzekach, zwiększając bezpieczeństwo energetyczne.

Charakterystyka niektórych glonów i sinic

Niektóre gatunki preferują kwaśne środowisko wzrostu (np. Galderia sp., Viridella sp.) i tym samym lepiej znoszą wysokie stężenia CO₂, inne preferują odczyn obojętny (np. Chlorococcum, Synechococcus lividus). Glony o najkrótszym okresie podwojenia biomasy generalnie cechują się największą wydajnością. Wykorzystanie gatunków termofilnych redukuje koszty chłodzenia spalin, a niektóre termofile produkują rzadkie metabolity wtórne, co wpływa pozytywnie na opłacalność całego procesu. Także biorąc pod uwagę ograniczający wpływ warunków klimatycznych i pogodowych w klimacie umiarkowanym, zastosowanie gatunków termofilnych w połączeniu z recyklingiem odpadowego ciepła potencjalnie mogłoby pozwolić na wydłużenie sezonu wegetacyjnego hodowli.

Koszty inwestycji

Technologia sekwestracji dwutlenku węgla z wykorzystaniem glonów jest obecnie intensywnie rozwijana przez ośrodki badawcze na całym świecie. Polska jako kraj pozyskujący większość energii cieplnej i elektrycznej ze spalania paliw kopalnych, potencjalnie mogłaby uzyskać istotne redukcje emisji dwutlenku węgla w wyniku wdrożenia tej technologii. Główne problemy na tej drodze stanowią: brak gotowych rozwiązań technologicznych, warunki klimatyczne oraz opłacalność.

Wydajność procesu zależy w głównej mierze od gatunku wykorzystywanych mikroorganizmów, zastosowanej koncentracji dwutlenku węgla. warunków operacyjnych, oraz konfiguracji reaktorów. Stężenie CO2 jest jedną z najważniejszych zmiennych, ponieważ ma wpływ na pH i limituje wzrost biomasy. Większość PBR osiąga wydajność wiązania CO2 na poziomie 30%, ale np. Chlorella i Scenedesmus w określonych warunkach są w stanie osiągnąć wydajność na poziomie 90%.

Do kosztów związanych z instalacją produkującą biomasę glonową zaliczamy: inwestycje w systemy hodowlane, transport gazu, dyfuzory, mechanizm oddzielania biomasy, oraz koszty eksploatacyjne (w tym koszt dostarczania substancji odżywczych i energii elektrycznej). Po stronie zysków znajduje się sprzedaż oraz wykorzystanie in situ biomasy. Może ona zostać wykorzystana do produkcji biopaliw (bioetanol, biodiesel, biogaz), substratów dla przemysłu chemicznego, kosmetycznego, spożywczego, pasz, produktów spożywczych, leków, kosmetyków, nawozów oraz innych substancji chemicznych dla przemysłu.

Wprowadzenie związków żelaza do górnych warstw oceanu

Jednym z proponowanych mechanizmów sekwestracji dwutlenku węgla i obniżenia efektu cieplarnianego jest wprowadzenie związków żelaza do górnych warstw oceanu w celu stymulacji zakwitu fitoplanktonu. Ma to zwiększyć produkcje biomasy w oceanie, oraz wpływ na redukcję dwutlenku węgla w atmosferze poprzez sekwestrację w oceanie.

Eksperymenty naukowe dotyczące tej hipotezy, m.in. IronEx II w 1995 (Boyd P.W., et al., 2007, Mesoscale Iron Enrichment Experiments 1993–2005: Synthesis and Future Directions, Science, 315, 5812, 612.) pokazały, że zakwity fitoplanktonu mogą być ograniczone w oceanie przez niedobór związków żelaza.

dodatkowe informacje:
Geoinżynieria klimatu

źródło: materiały prasowe
Sekwestracja dwutlenku węgla, autorzy, licencja CC BY SA 4.0
Sekwestracja dwutlenku węgla z wykorzystaniem glonów, autorzy, licencja CC BY SA 4.0

Zmiany klimatu – dodatkowe informacje:
carbon offset, dekarbonizacja, denializm klimatyczny (zaprzeczanie globalnemu ociepleniu), depresja klimatyczna (ekolęk, lęk klimatyczny), fakty i mity klimatyczne, handel emisjami CO2, hipoteza pistoletu metanowego, naturalna zmienność klimatu, neutralność klimatyczna, neutralność węglowa, odnawialne źródła energii, rekompensata węglowa, sekwestracja CO2, ślad ekologiczny, ślad węglowy, ślad wodny, węglowy rezerwuar, zielona transformacja energetyczna, zielony rozwój, zrównoważony rozwój

efekt cieplarniany, gazy cieplarniane, globalne ocieplenie
dwutlenek węgla, freony (chlorofluorowęglowodory CFC), metan, ozon, podtlenek azotu

międzynarodowe organizacje, petycje, protokoły, umowy:
Europejski System Handlu Emisjami (EU ETS), Europejski Zielony Ład, funduszu Loss and Damage, Green Climate Fund, Konferencje Stron COP (Conferences of the Parties), Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC), Petycja Oregońska, Porozumienie Paryskie, Protokół z Kioto, Ramowa konwencja Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu (United Nations Framework Convention on Climate Change – UNFCCC, FCCC)

zagrożenia ekologiczne związane z zmianami klimatu:
blaknięcie (bielenie) raf koralowych, El Niño, ekstremalne zjawiska, gatunki zagrożone wyginięciem, geoinżynieria klimatu, gwałtowne zmiany pogody, huragany, kwaśny deszcz, La Niña, miejska wyspa ciepła, migracje gatunków, migracja ludności, ocieplenie oceanu, odtlenienie oceanu, osuwiska i tsunami, otwarcie nowych szlaków handlowych, paliwa kopalne, podtopienia, powodzie, punkty krytyczne w ziemskim systemie klimatycznym, pustynnienie, redukcja morskiej pokrywy lodowej (zmniejszenie zasięgu i frekwencji lodu morskiego), sprzężenia zwrotne w ziemskim systemie klimatycznym, straty ekonomiczne, susza, topnienie lodowców i lądolodów, topnienie lodu morskiego, topnienie wiecznej zmarzliny, ubożenie (utrata) różnorodności biologicznej, wydłużony okres wegetacyjny roślin, wylesianie (deforestacja), wymieranie gatunków, wzrost poziomu mórz i oceanów, wzrost śmiertelności, zakwaszenie wód (rzek, jezior, mórz i oceanów), zmniejszony dopływ słodkiej wody, zanieczyszczenie powietrza, zanieczyszczenie środowiska, zmiana (modyfikacja) cyrkulacji atmosferycznej, zmiana cyrkulacji termohalinowej (zaburzenie cyrkulacji oceanicznej), zwiększenie produkcji rolnej, zwiększenie powierzchni tundry w Arktyce, zwiększony zasięg występowania wektorów przenoszących zakaźne drobnoustroje (rozprzestrzenianie się chorób)

Zagrożenia ekologiczne – dodatkowe informacje:

definicje, teorie, hipotezy, zjawiska:
antropocen, antropopresja, bezpieczeństwo ekologiczne, biologiczny potencjał Ziemi do regeneracji (biocapacity), bioremediacja, ekobójstwo (ekocyd), ekomodernizm, ekosystem sztuczny, ekoterroryzm, globalne zagrożenia ekologiczne, granice planetarne, hipoteza wypadających nitów (rivet popping), homogenocen, kapitalocen, katastrofy i klęski ekologiczne, katastrofy ekologiczne na świecie, klęski żywiołowe, masowe wymieranie, monokultura, komodyfikacja żywności (utowarowanie), plantacjocen, plastikoza, plastisfera (plastisphere), przeludnienie, syndrom przesuwającego sią punktu odniesienia, szóste masowe wymieranie (szósta katastrofa), tragedia wspólnego pastwiska, utrata bioróżnorodności, Wielkie przyspieszenie, zielony anarchizm, zjawisko przedniej szyby

degradacja środowiska:
akwakultura, betonoza (betonowanie miast), choroby odzwierzęce, górnictwo morskie, hodowla zwierząt, melioracja, monokultura, niszczenie siedlisk, przełownie, przemysł wydobywczy, przyłów, rolnictwo, spadek liczebności owadów, turystyka masowa, wylesianie (deforestacja), wypalanie traw

ozon i ozonosfera (warstwa ozonowa):
dziura ozonowa, freon (CFC)

zanieczyszczenie środowiska:
azbest, beton, bisfenol A (BPA), eutrofizacja, farmaceutyki, handel emisjami zanieczyszczeń, kwaśny deszcz, mikroplastik, martwe strefy, nanoplastik, neonikotynoidy, niedopałki papierosów, odpady niebezpieczne, pestycydy, polichlorowane bifenyle (PCB), przemysł tekstylny (włókienniczy). sieci widma, sinice, składowiska odpadów (wysypiska śmieci), smog, sól drogowa, sztuczne ognie (fajerwerki, petardy), tworzywa sztuczne (plastik), Wielka Pacyficzna Plama Śmieci, wycieki ropy naftowej, zakwaszenie wód (rzek, jezior, mórz i oceanów), zanieczyszczenie gleby, zanieczyszczenie hałasem, zanieczyszczenie powietrza, zanieczyszczenie światłem, zanieczyszczenie wody, związki per- i polyfluoroalkilowe (PFAS) – wieczne chemikalia

zmiany klimatu (kryzys klimatyczny):
blaknięcie (bielenie) raf koralowych, denializm klimatyczny (zaprzeczanie globalnemu ociepleniu), efekt cieplarniany, ekstremalne zjawiska, gazy cieplarniane, globalne ocieplenie, kryzys wodny, miejska wyspa ciepła (MWC), migracje gatunków, nawałnice, ocieplenie oceanu, wzrost poziomu mórz i oceanów, podtopienie, powódź, pożar lasu, przyducha, pustynnienie, susza, topnienie lodowców i lądolodów, topnienie lodu morskiego, trąba powietrzna, upał

klęski i katastrofy ekologiczne:
katastrofy jądrowe (nuklearne), katastrofy przemysłowe, największe katastrofy ekologiczne na świecie, największe katastrofy ekologiczne w Polsce, wycieki ropy naftowej

Czerwona księga gatunków zagrożonych, Czerwona Lista IUCN (The IUCN Red List):
gatunek wymarły (extinct EX), gatunek wymarły na wolności (extinct in the wild EW), gatunek krytycznie zagrożony (critically endangered CR), gatunek zagrożony (endangered EN), gatunek narażony gatunek wysokiego ryzyka (vulnerable VU), gatunek bliski zagrożenia (near threatened NT), gatunek najmniejszej troski (least concern LC)
Polska czerwona księga roślin, Polska czerwona księga zwierząt
gatunek inwazyjny (inwazyjny gatunek obcy IGO)

Poruszający i inspirujący do działania apel Davida Attenborough

Wiedza ekologiczna – dodatkowe informacje:
aforyzmy ekologiczne, biblioteka ekologa, biblioteka młodego ekologa, ekoprognoza, encyklopedia ekologiczna, hasła ekologiczne, hasztagi (hashtagi) ekologiczne, kalendarium wydarzeń ekologicznych, kalendarz ekologiczny, klęski i katastrofy ekologiczne, największe katastrofy ekologiczne na świecie, międzynarodowe organizacje ekologiczne, podcasty ekologiczne, poradniki ekologiczne, (nie) tęgie głowy czy też (nie) najtęższe umysły, znaki i oznaczenia ekologiczne

Dziękuję, że przeczytałaś/eś powyższe informacje do końca. Jeśli cenisz sobie zamieszczane przez portal treści zapraszam do wsparcia serwisu poprzez Patronite.

Możesz również wypić ze mną wirtualną kawę! Dorzucasz się w ten sposób do kosztów prowadzenia portalu, a co ważniejsze, dajesz mi sygnał do dalszego działania. Nad każdym artykułem pracuję zwykle do późna, więc dobra, mocna kawa wcale nie jest taka zła ;-)

Zapisz się na Newsletter i otrzymuj email z ekowiadomościami. Dodatkowo dostaniesz dostęp do specjalnego działu na stronie portalu, gdzie pojawiają się darmowe materiały do pobrania i wykorzystania. Poradniki i przewodniki, praktyczne zestawienia, podsumowania, wzory, karty prac, checklisty i ściągi. Wszystko czego potrzebujesz do skutecznej i zielonej rewolucji w twoim życiu. Zapisz się do Newslettera i zacznij zmieniać świat na lepsze.

Chcesz podzielić się ciekawym newsem lub zaproponować temat? Skontaktuj się pisząc maila na adres: informacje@wlaczoszczedzanie.pl

Więcej ciekawych informacji znajdziesz na stronie głównej portalu Włącz oszczędzanie