Pierwsze etapy wychwytu dwutlenku węgla
24 Oct 2023
Sektory przemysłu zużywające dużo węgla mierzą się z rosnącymi naciskami, aby dramatycznie obniżyć emisje CO2. GEA pomaga im w realizacji pierwszych kroków! Oferujemy portfel produktów związanych z wychwytem dwutlenku węgla, stawiając na wydajność i skalowalność.
Na przestrzeni ostatnich kilku tysięcy lat beton okazał się bliskim doskonałości materiałem budowlanym i jest niemalże wszechobecny w kształtowanym przez człowieka środowisku – od Panteonu w Rzymie po najwyższe na świecie drapacze chmur. Beton jest używany na Ziemi częściej niż jakakolwiek inna substancja za wyjątkiem wody, a powierzchnia jaką zajmuje jest ogromna. Niestety przoduje też w kategorii negatywnego oddziaływania na klimat. Winowajcą jest cement, kluczowy składnik betonu pełniący funkcję spoiwa łączącego piasek i żwir. Z uwagi na wysokie wymogi cieplne i reakcje chemiczne produkcja cementu generuje 4 miliardy ton metrycznych CO2 w skali roku – stanowi to około 8% emisji CO2 na całym świecie. Gdyby sektor produkcji cementu był krajem, znalazłby się na trzecim miejscu na liście największych emitentów, wyprzedzałyby go tylko Chiny oraz USA [1]
Począwszy od 1980 roku produkcja cementu wzrosła niemal pięciokrotnie – a trend wzrostowy jest coraz wyraźniejszy. Źródła: U.S. Geological Survey (USGS), VDZ Verein Deutscher Zementwerke e.V.
Globalne Stowarzyszenie na rzecz Cementu i Betonu (Global Cement and Concrete Association, GCCA), świadome wpływu, jaki wywiera cement, uruchomiło program 2050 Climate Ambition, aby zapewnić neutralność węglową betonu przed 2050 rokiem. Aby zrealizować ten cel, stowarzyszenie GCCA zamierza podjąć wiele działań: wystarczy wspomnieć o zapewnieniu efektywności energetycznej, promowaniu paliw alternatywnych, dekarbonizacji surowców i paliw, innowacyjnych materiałach czy wydajniej projektowanych cementowniach. Ale najważniejszym elementem układanki dla GCCA jest wychwyt, utylizacja i składowanie dwutlenku węgla (ang. carbon capture, utilisation and storage, CCUS) – odseparowywanie CO2 ze źródeł emisji w celu ponownego wykorzystania go w procesie przemysłowym lub wprowadzenia głęboko pod ziemię, gdzie nie może już wpływać na naszą atmosferę.
Dobra wiadomość dla cementu i innych materiałów produkowanych przez przemysł ciężki jest taka, że technologia wychwytu dwutlenku węgla nie jest niczym nowym. Oddzielanie CO2 oparte na aminach to najdojrzalsza i najpopularniejsza dzisiaj metoda wychwytu dwutlenku węgla, która jest od dekad wykorzystywana w branży naftowej. Ale wyposażenie cementowni w instalację do wychwytu dwutlenku węgla jest kosztowne. Nie istnieją dostępne „od ręki” dla producentów cementu instalacje do wychwytu dwutlenku węgla (jeszcze), przede wszystkim z uwagi na bardzo wiele zmiennych, które należy wziąć pod uwagę: Jaki jest dokładny skład gazu spalinowego w instalacji? Czy instalacja będzie wymagała dodatkowego zasilania energią, a jeśli tak, to w jakiej ilości? Jak stabilny jest rozpuszczalnik aminowy w określonych warunkach? Jaki wpływ na żywotność instalacji ma wysoki poziom emisji pyłu? Jakie opcje są dostępne, jeśli chodzi o ponowne wykorzystanie wychwyconego CO2?
Emitenci mierzą się dziś z rosnącą presją ze strony regulatorów oraz innych interesariuszy oraz podejmują działania dotyczące usuwania CO2. Ale ponieważ rynek wychwytu dwutlenku węgla wciąż jest w powijakach, planowane są znaczne nakłady inwestycyjne, choć przed ich uruchomieniem należy uwzględnić wiele aspektów.
Pierwsze kroki związane z procesem wychwytu dwutlenku węgla
GEA już od ponad stu lat projektuje i instaluje systemy oczyszczania gazów i zmniejszania emisji, stale opracowujemy własny asortyment urządzeń do wychwytywania dwutlenku węgla, w tym systemy odzyskiwania ciepła odpadowego, wstępnej obróbki gazu, nowoczesne urządzenia do wychwytu dwutlenku węgla, a także oferujemy wsparcie dotyczące utylizacji i składowania CO2. Dr. Felix Ortloff, starszy dyrektor GEA ds. procesów wychwytu dwutlenku węgla, dostrzega szansę, aby pomóc segmentowi produkcji cementu i innych materiałów ciężkich w szybkiej i ekonomicznej transformacji ku technologiom wychwytu dwutlenku węgla. „GEA opracowała w bardzo dużym stopniu ustandaryzowaną linię rozwiązań do wychwytu dwutlenku węgla, pragnąc pomóc operatorom instalacji w szybkim rozpoczęciu usuwania CO2” – mówi Ortloff. „Nasze doświadczenie w oczyszczaniu gazu i odzyskiwaniu ciepła – w połączeniu z podstawowymi zdolnościami inżynieryjnymi – pozwoliły nam stworzyć kompleksowe rozwiązanie do usuwania CO2, które jednocześnie spełnia swój cel oraz jest ekonomiczne”.
Klienci GEA mogą wybrać jeden z czterech rozmiarów instalacji do wychwytu dwutlenku węgla – wybór jest zasadniczo determinowany przez stopień generacji ciepła odpadowego przez istniejącą instalację. „Koncentrujemy się na efektywności w kontekście całej instalacji, dlatego chcemy maksymalnie wykorzystać odzysk ciepła” – wyjaśnia Ortloff. „Korzystne dla klienta jest to, że może zacząć pozyskiwać CO2 z małym wkładem energii lub nawet bez dodatkowego zasilania. W przypadku dużych cementowni emitujących dużo dwutlenku węgla dostępne ciepło odpadowe jest dobrym punktem wyjściowym, zapewnia 20% neutralną cieplnie redukcję pod względem średniej emisji CO2. W innych branżach, takich jak produkcja szkła, możliwa jest nawet wyższa redukcja. Gdy rozwiązanie zostanie już wprowadzone i będzie działało zgodnie z planami, zawsze można zapewnić dodatkową przepustowość na usuwanie CO2”.
„GEA opracowała w bardzo dużym stopniu ustandaryzowaną linię rozwiązań do wychwytu dwutlenku węgla, pragnąc pomóc operatorom instalacji w szybkim rozpoczęciu usuwania CO2” – Dr. Felix Ortloff, starzy dyrektor ds. systemów wychwytu dwutlenku węgla w GEA
– Dr. Felix Ortloff, starzy dyrektor ds. systemów wychwytu dwutlenku węgla w GEA
Instalacja pilotażowa w cementowni PHOENIX Zementwerke
Ortloff i jego zespół badają obecnie instalację do wychwytu dwutlenku węgla GEA w ramach obszernego produktu pilotażowego w cementowni PHOENIX Zementwerke w Beckum w Niemczech. „Zrównoważona praktyka biznesowa i ochrona klimatu są integralnym elementem naszej strategii korporacyjnej” – mówi dyrektor zarządzający Cementowni PHOENIX Zementwerke Marcel Gustav Krogbeumker. „Przy wydajności produkcyjnej na poziomie około 500 000 ton metrycznych cementu rocznie oraz średniej emisji dziennej na poziomie 1000 ton CO2 mamy obowiązek zminimalizować nasz ślad węglowy. Jesteśmy dumni z realizacji projektu CCS we współpracy GEA i już zaczęliśmy używać instalacji pilotażowej w naszej fabryce w Beckum, rozpoczynając w ten sposób przygodę z systemem wychwytu dwutlenku węgla. Projekt przyciągnął już bardzo duże zainteresowanie zarówno w sektorze prywatnym, jak i publicznym – mówi Krogbeumker. „Uważamy, że technologia wychwytu dwutlenku węgla jest bardzo ekscytująca. A przy dekadach doświadczeń GEA w tworzeniu systemów kontroli emisji, jestem przekonany, że zdobędziemy rozwiązanie, które znacznie zmniejszy skalę naszych emisji”.
„Jesteśmy dumni z realizacji projektu CCS we współpracy GEA i już zaczęliśmy używać instalacji pilotażowej w naszej fabryce w Beckum, rozpoczynając w ten sposób przygodę z systemem wychwytu dwutlenku węgla. Projekt przyciągnął już bardzo duże zainteresowanie zarówno w sektorze prywatnym, jak i publicznym”. – zauważa Marcel Gustav Krogbeumker, dyrektor zarządzający w cementowni PHOENIX Zementwerke
– zauważa Marcel Gustav Krogbeumker, dyrektor zarządzający w cementowni PHOENIX Zementwerke
Instalacja pilotażowa pomaga GEA i cementowni PHOENIX Zementwerke udoskonalić analizę emisji z fabryki cementu – zwłaszcza szkodliwych substancji śladowych, które należy usuwać podczas wstępnego oczyszczania gazu spalinowego – oraz zebrać ważne dane dotyczące stabilności systemu rozpuszczalnika aminowego podczas wychwytywania dwutlenku węgla. Według Ortloffa fabryka pilotażowa osiągnęła jak na razie cel 90% wydajności usuwania CO2. „Technicznie możliwy do zrealizowania jest nawet wyższy wskaźnik wychwytu dwutlenku węgla – około 95% – ale wymaga on większych nakładów energetycznych, co negatywnie wpływa na całą ekonomię” – wyjaśnia Ortloff. „Pożądany cel to 90%, który również ma głęboki sens finansowy”.
Test terenowy dotyczący wychwytu dwutlenku węgla w cementowni Phoenix w Beckum w Westfalii w Niemczech. Rozmawiają: Marcel Gustav Krogbeumker, dyrektor zarządzający Phoenix-Zementwerke (po lewej), dr Felix Ortloff, starszy dyrektor ds. systemów wychwytu dwutlenku węgla w GEA (po prawej stronie). Zdjęcie: GEA/Tim Luhmann
W następnej fazie Krogbeumker planuje nawiązać współpracę z GEA dotyczącą całościowej koncepcji CCUS dla fabryki cementu PHOENIX Zementwerke w Beckum. „Ocenimy wszystkie dane, a następnie omówimy możliwość skalowania instalacji do wychwytu dwutlenku węgla” – mówi. „Oto pytanie: czy wybrać składowanie dwutlenku węgla – na przykład na starych polach naftowych i w szachtach pod Morzem Północnym? Czy może wolimy przetwarzać i ponownie używać CO2? A jeśli wybierzemy drugie rozwiązanie: jak rozszerzyć instalację pilotażową, aby oczyścić CO2 w stopniu spełniającym wysokie standardy nakładane przez branżę chemiczną i spożywczą? Gdzie i w jakich branżach znajdziemy klientów CO2? Jakiej infrastruktury transportowej potrzebujemy? Czy mamy budować rurociągi, reaktywować tabor kolejowy czy organizować transport cysternami? To dla nas interesujący i ekscytujący czas i jestem przekonany, że wspólnie z GEA wiele osiągniemy”.
Co należy zrobić z CO2
Utylizacja i przechowywanie CO2 to ostatni, krytyczny proces wychwytu dwutlenku węgla. Aktualne doświadczenia GEA w zakresie utylizacji CO2 są skoncentrowane na dwóch obszarach. W sektorze browarnictwa GEA odzyskuje CO2 z procesu fermentacji, upłynnia go, a następnie pozyskuje tlen, aby ponownie wykorzystać CO2 do produkcji alkoholów i napojów. GEA z wychwyconego CO2 produkuje też węglany, na przykład sodę oczyszczoną, przeznaczone do zastosowań w branży żywności oraz farmaceutycznej. „Każdy klient otrzymuje różne opcje dotyczące wykorzystania przechwyconego przez ich instalację CO2” — wyjaśnia Ortloff. „W każdym przypadku sprawdzamy, czy w pobliżu można znaleźć potencjalnego odbiorcę CO2 i jakie wymogi ma dana działalność pod względem czystości, stanu fizycznego, ciśnienia oraz temperatury CO2. Następnie przygotowujemy CO2 pod kątem określonych potrzeb”.
Ortloff również w produkcji metanolu widzi kolejną możliwość wykorzystania CO2 w ujęciu średnioterminowym — może być używany bezpośrednio jako paliwo, dodawany do innych komponentów paliwowych albo stosowany w branży chemicznej jako podstawowy budulec. Inne zastosowania wychwyconego CO2 obejmują produkcję tworzyw sztucznych a nawet samego betonu. Jedno z takich rozwiązań obejmuje wstrzykiwanie CO2 do betonu, gdzie podlega mineralizacji i jest osadzany jako cząstka stała w budulcu. Ale Ortloff stawia sprawę jasno: nawet jeśli rynek dotyczący wykorzystania dwutlenku węgla dojrzeje, ilość przechwyconego CO2 zdecydowanie przewyższy ilości, które mogą zostać przekazane na potrzeby wykorzystania wychwyconego dwutlenku węgla (CCU). Oznacza to, że rozwiązania związane ze składowaniem dwutlenku węgla będą kluczowe, aby zrealizować obietnicę wychwycenia CO2 w ujęciu krótko- i średnioterminowym, pozwolą bowiem zmniejszyć emisje gazów cieplarnianych oraz zrealizować potrzeby dotyczące ogrzewania planety.
Wychwyt dwutlenku węgla jest kolejnym przykładem ugruntowanej technologii z sektora naftowego, którą warto rozwijać. I rzeczywiście, rządy i cały segment wykorzystują potencjał CCS na imponującą skalę. Zgodnie z danymi instytutu CSS, pod koniec 2022 roku na całym świecie działało 30 fabryk CCS, 11 kolejnych się budowało, a 153 planowano w fazie projektowej, co przełożyło się na roczny potencjał CCS na 244 miliony ton metrycznych – 44% więcej niż rok wcześniej. Dzięki inwestycyjnym odpisom podatkowym w Kanadzie oraz finansowaniu federalnemu w USA (Ustawa o zmniejszeniu inflacji z 2022 roku) to właśnie Ameryka Północna wiodła prym w projektowaniu i wdrażaniu instalacji CCS. Europa jest blisko. [2] Fundusz Innowacyjny UE planuje zainwestować około 38 miliardów euro w czyste technologie w całej Europie do 2030 roku, i już teraz wspiera wieloskalowe projekty CCS w wielu sektorach, ze szczególnym uwzględnieniem przemysłu produkcji cementu. Chociaż Chiny, największy obecnie na świecie wytwórca cementu, działają mniej dynamicznie, również ten kraj zwiększa wysiłki na rzecz opracowywania technologii CCUS. W lipcu 2023 roku Chiny ogłosiły start swojego największego dotychczas projektu CCUS stworzonego na potrzeby sektora produkcji cementu. [3]
„Każdy klient otrzymuje różne opcje dotyczące wykorzystania przechwyconego przez ich instalację CO2. W każdym przypadku sprawdzamy, czy w pobliżu można znaleźć potencjalnego odbiorcę CO2 i jakie wymogi ma dana działalność pod względem czystości, stanu fizycznego, ciśnienia oraz temperatury CO2” – mówi Dr. Felix Ortloff, starszy dyrektor ds. rozwiązań wychwytu dwutlenku węgla w GEA
– mówi Dr. Felix Ortloff, starszy dyrektor ds. rozwiązań wychwytu dwutlenku węgla w GEA
Nowa gospodarka węglowa
Podobnie jak alternatywne technologie motoryzacyjne wymagają stworzenia nowej infrastruktury elektrycznej i wodorowej, tak sektor wychwytu, utylizacji i składowania dwutlenku węgla będzie wymagał nowej infrastruktury CO2, która pozwoli transportować dwutlenek węgla pozyskany z przemysłowych źródeł emisji do miejsca jego wykorzystania i składowania. Jednym z przykładów jest wspólny projekt realizowany przez OGE, wiodącego operatora transportu gazowego w Europie, oraz Tree Eneregy Solutions, firmę z sektora technologii wodorowych z siedzibą w Belgii, które wybudowały długi na 1000 km rurociąg o przepustowości 18 milionów ton metrycznych CO2 rocznie. W tym przypadku CO2 będzie pełniło funkcję nośnika dla ekologicznego wodoru transportowanego z instalacji słonecznych, wiatrowych i wodnych w całej Europie do „huba zielonej energii” w Wilhelmshaven w Niemczech.[4] „Jeśli chodzi o transport i sekwestrację CO2, rurociąg lub zakład składowania również ma własne wymogi dotyczące CO2” – mówi Ortloff. „Fakt, że możemy zbudować technologię wychwytu, oczyszczania i upłynniania dwutlenku węgla „pod jednym dachem” ułatwia naszym klientom realizację tych wymogów”.
Dekarbonizacja cementowni wymaga nowych zastosowań dla CO2 oraz opracowania infrastruktury związanej z dwutlenkiem węgla.
Technologia wychwytu dwutlenku węgla, rozwijana dzisiaj do walki globalnym ociepleniem, wykorzystuje wiele rozwiązań technologicznych i infrastrukturalnych stosowanych w branży naftowej. Technologia CCUS została udoskonalona podczas prób znalezienia sposobów wykorzystania bardzo zyskownych paliw kopalnych – jako sposobu do osiągnięcia celu. Dzisiaj pozyskiwanie i blokowanie bezwładnego CO2 jest w wielu przypadkach celem samym w sobie – a pewne znaki wróżą przyszłość, w której CO2 będzie miało środowiskowy i ekonomiczny sens. „To ekscytujące wyobrazić sobie prężny rynek wychwytu dwutlenku węgla i usuwania go z cementowni na poziomie 90%” – mówi Ortloff. „Na razie nacisk ze strony regulatorów oraz innych interesariuszy zmusza firmy do inwestowania na tych pierwszych etapach na rzecz nowej gospodarki węglowej, a GEA ma mocne argumenty, które pozwolą przyspieszyć tę transformację”.
