A szén-dioxid-kibocsátás egyik csökkentési lehetősége a fosszilis energiahordozók égetése során keletkező CO₂ befogása és föld alatti tárolása (CCS).

A CO₂ befogására alkalmas módszerek három csoportba sorolhatók: az égetés utáni, égetés előtti és oxigénnel égető eljárások. Az égetés utáni befogás valamilyen oldószert alkalmaz az erőművi füstgázok CO₂-tartalmának megkötésére. Az égetés előtti módszerekben a fűtőanyagot levegővel vagy oxigénnel reagáltatják, majd a keletkező gázokat vízgőzzel alakítják CO₂ és hidrogén elegyévé. Ebből a CO₂-t eltávolítják, és a hidrogént fűtőanyagként használják. Az oxigénnel történő égetés során olyan füstgáz keletkezik, amely főleg szén-dioxidból áll, és potenciálisan alkalmas tárolásra. A befogott CO₂ tárolására a megfelelő földtani szerkezetekbe történő besajtolást alkalmazzák.

CO₂-források

A globális CO₂-emisszió mintegy 60%-át az erőművek és ipari létesítmények bocsátják ki (IPCC, 2005). Kazánokban és kemencékben égetnek fosszilis fűtőanyagokat, és a füstgázokat jellemzően kéményeken keresztül bocsátják ki. Ezek nagy, telephelyhez kötött (rögzített) források, és alkalmasak arra, hogy azokat kiegészítsék CO2-befogó egységekkel, amelyekben olyan nagy tisztaságú CO₂-áramot tudnak előállítani, amely alkalmas későbbi tárolásra. Néhány vegyipari eljárásban is keletkeznek olyan gázáramok, amelyek jelentős CO₂-források. Nagy forrásoknak az évi legalább 100 000 tonna szén-dioxidot kibocsátó forrásokat tekintik. Az ezeknél kisebb mennyiségeket kibocsátó telephelyeken lévő források az összes telephelyi forrásból származó CO₂-kibocsátásnak csak 1%-át adják. Az 1. táblázatban összefoglaltuk azoknak a gázáramoknak a jellemzőit, amelyek CO₂ befogásához számításba vehetők.

A táblázat adatai szerint a füstgázokban, különösen a földgázból nyert füstgázokban, kicsi a CO₂ parciális nyomása, ami megnehezíti a CO₂ elkülönítését. Ezzel szemben az ipari gázokban és bizonyos földgázokban a CO₂ parciális nyomása kedvezőbb, és a füstgázokkal szemben kevesebb bennük a CO₂-elválasztást nehezítő szennyező komponens is (például: SO₂, NOx).

CO₂-befogás

A CO₂-befogás célja olyan koncentrált anyagáram előállítása, amely könnyen szállítható egy szén-dioxidot tároló helyre (IPCC, 2005). A továbbiakban a CO2-befogás alatt mind a CO₂-tartalmú gázok megfogását, mind azokból a CO₂ kiválasztását is értjük, az angol CO₂ capture kifejezés mintájára.

A CO₂-befogással jelenleg főleg élelmiszeripari minőséget, illetve a kitermelt kőolaj mennyiségét CO₂-besajtolással növelő (EOR – Enhanced Oil Recovery) eljárásokhoz szükséges minőséget állítanak elő. Az élelmiszeripari felhasználáshoz legalább 99,9 térfogat% CO₂-tartalmú gáz előállítása szükséges, és a szennyező komponensek mennyiségét is szigorúan korlátozzák (Wittemann, 2007). A föld alatti tároláshoz, illetve az EOR-besajtoláshoz nincs CO₂-szabvány. Az ENCAP (EU Enhanced Capture of CO₂ Program) kétféle előírást alkalmaz irányelveiben, egy 90%-os enyhébbet és egy 95%-os szigorúbbat (Sarofim, 2007). A korrozív komponensek (például: víz, SO₂, HCN, NO, H₂S) mennyiségét erősen korlátozzák, szigorúbb esetben ezek megengedett koncentrációja legfeljebb 5 ppm lehet.

A CO₂-befogást leginkább nagy, központosított forrásoknál alkalmazhatják, amilyenek az erőművek és a nagy ipari létesítmények. Az eljárás energiaigénye csökkenti az áramtermelés hatékonyságát, nagyobb tüzelőanyag-felhasználáshoz vezet, ezért a CO₂-befogás környezeti hatása is nagyobb (1. ábra).

Jelenleg a CO₂-t rutinszerűen választják el néhány nagy ipari üzemben, például gázfeldolgozó üzemekben, ammóniagyárakban, de ez a gyártási követelmények miatt és nem tárolás céljából történik. A CO₂-befogást néhány kisebb erőmű esetében is alkalmazzák. Nagy CO2-kibocsátó erőművek esetében még csak tervezési fázisban van az eljárás megvalósítása.

A feladat általában a CO₂kinyerése kis CO₂-tartalmú gázokból. Három nagyobb CO₂-befogási út alakult ki.

Az égetés utáni befogások során a füstgázt olyan berendezésen vezetik keresztül, amely a CO₂ legnagyobb részét elkülöníti. A CO₂-t tárolóba vezetik, a füstgáz többi részét kiengedik a levegőbe. Általában abszorpciós módszereket alkalmaznak, a többi eljárás közel sem ilyen jól kidolgozott és versenyképes.

Az égetés előtti megoldásnál a fűtőanyagot oxigénnel vagy levegővel és/vagy vízgőzzel reagáltatják, amikor szintézisgázt állítanak elő, ami szén-monoxidból és hidrogénből áll. A szén-monoxidot konverterben vízgőzzel katalitikusan reagáltatják, hidrogén és szén-dioxid keletkezik. A CO₂-t a termékből vagy fizikai, vagy kémiai abszorpcióval eltávolítják. A keletkező hidrogént számos területen lehet tüzelőanyagként alkalmazni, például kazánokban, kemencékben, gázturbinákban, gázmotorokban és üzemanyagcellákban. Ezeket a rendszereket stratégiailag fontosnak tekintik, de 2004-ben az összes hidrogént alkalmazó kapacitás az integrált elgázosítást alkalmazó kapcsolt ciklusos (IGCC) üzemekben csak 4 GW volt, ami az összes kapacitás 0,1%-a.

Az oxigénes égetésnél közel tiszta oxigént alkalmaznak levegő helyett, így olyan füstgáz keletkezik, mely főleg CO₂-ből és H₂O-ból áll. Ebből a CO₂ könnyen elkülöníthető. A lánghőmérséklet igen magas, ezt CO₂-ben és/vagy H₂O-ban gazdag füstgáz recirkuláltatásával lehet csökkenteni.

A szén-dioxidot bizonyos ipari technológiai áramokból már nyolcvan éve befogják, de az így befogott CO₂-t leginkább kiengedik a levegőbe. A legjelentősebb példa erre a megoldásra jelenleg a földgáz tisztítása, az ammónia, alkoholok és szintetikus fűtőanyagok előállításához használt szintézisgáz gyártása. A legtöbb esetben az égetés utáni eljárásokhoz hasonló módon történik ezekben az esetekben is a CO₂ befogása.

A CO₂-befogási technológiákat a 2. ábrán (IPCC, 2005) foglaltuk össze. Az oldószerrel/adszorbenssel való befogásnál a CO₂-tartalmú gázt cseppfolyós vagy szilárd adszorbenssel érintkeztetik, amely megköti a CO₂-t. A regenerálást egy másik edényben végzik, például melegítéssel vagy nyomáscsökkentéssel. A regenerált oldószert vagy adszorbenst visszavezetik az első edénybe.

A membrános eljárás olyan anyagokkal dolgozik, amelyek szelektíven engedik át a velük érintkező komponenseket. Néhány ipari eljárás hatalmas méretű, pl. a CO₂ elválasztása földgázból, de a füstgázok CO₂-tartalmának befogására még nem dolgoztak ki megbízható és olcsó membrános eljárást.

A CO₂-befogás harmadik lehetősége a kriogén desztilláció, amellyel a CO₂ is elkülöníthető más gázoktól. Fel lehet használni a módszert viszonylag tiszta (például oxigénes égetés során keletkező) CO₂-áramok további tisztítására, a CO₂ földgázból való kinyerésére vagy a konvertált szintézisgázból a CO₂ kinyerésére.

A jelenleg alkalmazott elválasztási módszereket a 2. táblázatban foglaltuk össze.

Sürgős megvalósításkor elképzelhető, hogy a CO₂-befogást régi berendezések felújításával lehet megoldani. A régebbi, rossz hatékonyságú üzemek felújítását elvégezhetjük úgy is, hogy a régi kazánokat, turbinákat új, nagy hatásfokú egységekre cseréljük, és ekkor a befogással épített üzemek hatékonysága elérheti a korábbi, befogás nélküli egységek hatékonyságát is.
Van néhány technológiai áram, amelyből az égetéssel nyert füstgázokhoz képest sokkal könnyebben lehet a CO₂-t kinyerni.

A földgáz különböző mennyiségű CO₂-t tartalmazhat, amelyet el kell esetleg távolítani, hogy a földgáz megfeleljen a specifikációknak. Átlagosan 4 térfogat%-ra becsülhető a földgáz CO₂-tartalma. Ha a 2003-ban kitermelt 2618,5 milliárd m3 földgáz feléből 2%-ig kivonnák a szén-dioxidot, az 50 millió tonna CO₂-t jelentene. 2005-ben Norvégiában a Sleipner mezőn, Algériában az in-szaláhi (In Salah) mezőn fogtak be és tároltak egy-egy millió tonna szén-dioxidot.

Az Egyesült Államokban évi 6,5 millió tonna CO₂-t használnak az olajkitermelés növelésére. Feltételezik, hogy ennek jelentős része a rezervoárban marad.

Az antropogén CO₂-emisszió legnagyobb része erőművekből származik. A füstgázok rendszerint atmoszferikus nyomásúak. A kis nyomás és a nagy nitrogéntartalom miatt a CO₂-befogó berendezések hatalmas méretűek, és működtetésük során jelentős

mennyiségű gázt kell áramoltatni, például egy kapcsolt ciklusú földgáztüzeléses erőműben akár 5 millió mN3/h-nyit is. A CO₂-tartalom függ az alkalmazott fűtőanyagtól és technológiától. A kapcsolt ciklusú földgáztüzelésű erőművekben jellemzően 3% a CO₂ a füstgázban.

Az égetés utáni CO₂-befogásra a legkedveltebb jelenlegi eljárások aminokat alkalmaznak. Ezek a legnagyobb oldóképességűek, legszelektívebbek, legkisebb az energiaigényük, összehasonlítva más technológiákkal. Az abszorpciós eljárások iparilag is elterjedtek (pl. a UOP Amine Guard FS eljárását több mint négyszáz üzemben alkalmazták 2000-ben (UOP, 2000), ám még nem valósították meg olyan kapacitással, amilyet az erőművi alkalmazás igényelne. Az aminos CO₂-befogás végén jellemzően 99,9%-nál tisztább CO₂-t kapunk 50 kPa túlnyomáson.

Az égetés utáni CO₂-befogásra három eljárást alkalmaznak kiterjedten:

A Kerr–McGee/ABB Lummus Crest-eljárással koksz- és kőszéntüzelésű kemencék füstgázaiból nyerik ki a CO₂-t 15−20%-os vizes monoetanol-amin (MEA) oldatot alkalmazva. A legnagyobb üzem két párhuzamos egységgel naponta 800 t CO₂-t fog be.

A Fluor Daniel ECONAMINE Plus eljárása 30%-os vizes MEA-oldatot használ olyan inhibitorral, amely oxigén jelenlétében megakadályozza a szénacél korrózióját. 320 t CO₂/nap kapacitásig számos üzemben alkalmazzák az élelmiszeriparban és karbamid gyártásához.

A Kansai Electric Power Co. és a Mitsubishi Heavy Industries KEPCO/MHI eljárása sztérikusan gátolt aminokat alkalmaz, és Malajziában egy karbamidüzemben működik. Inhibitorok vagy adalékok nélkül kis oldószerfogyást értek el, napi 200 t CO₂-t fogtak be, ami egy 10 MW-os porszéntüzelésű erőmű füstgázának felel meg.

Az aminos üzemeknek versenytársa jelentkezett 2009-ben. Az Alstom cég az American Electric Power mountaineeri (West Virginia) erőművében üzembe helyezte az első hűtött ammóniát alkalmazó CO₂-befogó egységét (Chilled Ammonia Process – CAP). A két eljárást hasonlítjuk össze a 3. táblázatban.

Az abszorpciós CO₂-befogás energiaigénye jelentős. A széntüzelésű erőművek esetében 20−25%-kal, míg földgáztüzelés esetén mintegy 15%-kal nő a fűtőanyagigény a CO₂-befogás, -komprimálás következtében.

A hidrogéngyártáshoz használnak adszorpciós eljárásokat is a CO₂ szintézisgázból történő eltávolítására. Füstgázokból CO₂ kinyerésére még nem dolgoztak ki ipari eljárást.

Membránokat használnak a CO₂ eltávolítására földgázból nagy nyomáson és nagy CO₂-tartalom mellett. A füstgázok alacsony nyomásúak, és a kis parciálisnyomás-különbség miatt kicsi a hajtóerő a membrános eljárásokhoz. A jelenlegi ipari membránok esetében nagyobb energiaigény lép fel, és kevesebb CCO₂O2 távolítható el, mint az aminos eljárások esetében.

Az oxigénes égetés elemeit az alumínium-, vas- és acéliparban, valamint az üvegiparban használják. A legfontosabb elválasztási lépést, a levegő szétválasztását ipari méretekben alkalmazzák.

Erőművi kazánok és olajfinomítói kemencék felújításának vizsgálata azt mutatta, hogy ezekben műszakilag versenyképes költségek mellett az oxigénes égetés megoldható. Az oxigénnel működő kazánok esetében módosítani kell az égőket, új oxigénbefúvató rendszert kell kiépíteni, akárcsak új füstgáz-recirkuláltató rendszert is, külön ventilátorral. Ezek viszonylag olcsón megoldhatók, és a változtatások hatására nő a kazán hatásfoka a forró füstgázok recirkuláltatása miatt.

2010 januárjában helyezték üzembe Lacq-ban (Délnyugat-Franciaország) a Total-Air-Liquide CCS üzemét, amelyben oxigénnel elégetett földgázból nyert szén-dioxidot sajtolnak kimerült földgázmezőbe.

A CO₂ égetés előtti befogását korábban aminos vagy kálium-karbonátos abszorpcióval végezték, ma is sok ilyen üzem működik. A korszerű eljárások nyomásváltós adszorpciót (PSA) alkalmaznak, amelyek 99,999%-os tisztaságú hidrogént állítanak elő, de a kevéssé tiszta (40−50%-os) szén-dioxidot kiszellőztetik az atmoszférába. Ezért ha CO₂-befogást akarnak végezni, akkor a füstgázokból valamilyen abszorpciós módszerrel ki kell a szén-dioxidot nyerni, vagy a PSA-módszert alakítják úgy, hogy a tiszta hidrogén mellett tiszta CO₂ és füstgáz legyen a művelet három terméke.

Erőművekben égetés előtti CO₂-eltávolítást még nem alkalmaztak. A számítások azt mutatják, hogy a földgáz alapú, kapcsolt ciklusú gázturbinák hatásfoka 56%-ról 48%-ra csökkenne (fűtőértékre számolva), amennyiben égetés előtti CO₂-befogást alkalmaznának. A gázturbinás kapcsolt ciklusok esetében a termikus hatásfok javulása várható, ami 2020-ra akár a 65%-ot is elérheti. Ez azt jelentheti, hogy akkor a CO₂-befogással épített ciklus hatásfoka megegyezne a mai befogás nélküli ciklus hatásfokával.

A CO₂-befogás költsége erősen függ a CO₂-tartalmú gáz összetételétől (3. ábra) (Thambimuthu, 2003b). Ha a CO₂-tartalom 3%-ról 99%-ra nő, a COCO₂2-befogás költsége tizedére csökken. Az aminos mosással ezek az értékek elérhetők.

A CO₂-t a szállításhoz elő kell készíteni (Thambimuthu, 2003a). El kell távolítani a víztartalmát, hogy megakadályozzák a csővezeték korrózióját. A CO₂ erősen lehűl a nyomáscsökkenés hatására. A szállítást cseppfolyós vagy szuperkritikus állapotban végzik 80 bar feletti nyomáson, általában 110 bar körül.

A CO₂ szállítása

A CO₂ csővezetéki szállítását az Egyesült Államokban megoldották. Több mint 2500 km-nyi csővezetéket építettek ki, amelyen évi 50 millió tonnányi természetes eredetű CO₂-t szállítanak az EOR-projektekhez, főleg Texasba. Az alkalmazott nyomások 10 és 80 MPa közöttiek (1 Pa = 10-5 bar).

A CO₂ szállításának költsége erősen függ a szállított mennyiségtől (4. ábra). Míg 0,1 Mt/év esetében egy tonna szén-dioxidot 100 km-re 13 USD-ért lehet csővezetéken szállítani, 5 millió tonna/év esetében ez az érték már csak 1,1 USD, de 50 Mt/év esetében csak fél dollárba kerül egy tonna CO₂ szállítása 100 km-re (Thambimuthu 2003a; Herzog−Golomb, 2004).

A CO₂ tárolása

A CO₂ tárolására legalkalmasabbnak a geológiai tárolást tartják. Ennek három lehetősége ismert: olaj- és gázrezervoárokban, mély, sós formációkban és bányászhatatlan kőszéntelepekben.

Jelenleg négy CCS-projekt működik ipari méretekben (Audus, 2007; Statoil, 2007). Mindegyik közel egymillió tonna CO₂-t tárol évente. Ez durván egyetlen 500 MWe-os szénerőmű által évente kibocsátott 3 millió tonna CO₂ befogásának felel meg.

A működő és beruházás alatt álló CO₂-befogó és -tároló projekteket megvizsgálva megállapíthatjuk, hogy a sikeres CCS-hez az alábbiak szükségesek:

• olcsó, nagy mennyiségű és tartósan hozzáférhető CO₂-forrás;

• a CO₂-forrás és tárolóhely közelsége, vagy a CO₂ megfelelő kezeléséhez szükséges infrastruktúra közelsége, hogy a CO₂-szállítás költségeit csökkenteni lehessen;

• megfelelő tárolóhely;

• ha a projekt EOR-ral is összeköthető, a pénzügyi feltételek jelentősen javulnak, különösen, ha a CO₂-emisszió csökkentésének pénzügyi mechanizmusait is lehet alkalmazni.
 

Kulcsszavak: szén-dioxid-befogás, harmadlagos kőolaj-kitermelés, abszorpció, szén-dioxid-szállítás, szén-dioxid-tisztítás
 

IRODALOM

Audus, Harry (2007): Carbon Capture and Storage (CCS). Workshop on Energy Efficiency and CO2 Reduction. Ho Chi Minh City, Viet Nam, 12–14 Mach 2007. • WEBCÍM >

Herzog, Howard J. − Golomb, Dab (2004): Carbon Capture and Storage from Fossil Fuel Use. In: Cleveland, Cuttler J. (ed.): Encyclopedia of Energy. Elsevier, New York, 277–287. A szöveg más forrásból: • WEBCÍM >

IPCC (2005): IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage. Cambridge University Press • WEBCÍM >

Sarofim, Adel (2007): Oxy-fuel Combustion: Progress and Remaining Issues. International Oxy-Combustion Research Network, Windsor, CT, 25–27 January 2007. • WEBCÍM >

Statoil (2007): Snøhvit - ny energihistorie i kalde nord (Snøhvit, The World’s Northernmost LNG Project) • WEBCÍM >

Thambimuthu, Kelly (Kailai) (2003a): Canadian CC&S Technology Roadmap and CO2 Capture & Transport. • WEBCÍM >

Thambimuthu, Kelly (Kailai) (2003b): CO2 Capture and Storage Technology Roadmap. • WEBCÍM >

UOP (2000): Amine GuardTM FS Process. • WEBCÍM >

Wittemann Co. (2007): Typical Food Grade Carbon Dioxide Specification. • WEBCÍM >