Запуск процесса улавливания СО2
24 Oct 2023
Отрасли промышленности с большими объемами выбросов CO2 испытывают на себе повышенное давление, требующее радикального их сокращения. Чтобы помочь им начать двигаться в этом направлении, GEA представляет портфель решений по улавливанию СО2, ориентированный на высокую эффективность и масштабируемость.
За последние несколько тысяч лет бетон зарекомендовал себя в качестве почти идеального строительного материала и практически повсеместно встречается в нашей рукотворной среде — от Пантеона в Риме до самых высоких небоскребов в мире. Бетон используется чаще, чем любой другой материал на Земле, за исключением воды, поэтому объем его применения имеет огромные масштабы. К сожалению, то же самое можно сказать и о его климатическом следе. Виновником этого является цемент — основной компонент бетона, используемый для связывания песка и гравия. Из-за большого количества тепла и химических реакций при производстве цемента ежегодно выделяется около 4 млрд метрических тонн CO2, что составляет примерно 8% от общемирового объема выбросов CO2. Объем выбросов глобальной отрасли производства цемента уступает лишь общему объему всех промышленных выбросов таких стран-тяжеловесов по выбросам, как Китай и США [1]
С 1980 года производство цемента увеличилось почти в пять раз, и тенденция к росту сохраняется. Источники: Геологический надзор США (USGS), VDZ Verein Deutscher Zementwerke e.V.
Учитывая влияние цементной отрасли на экологию, Глобальная ассоциация по производству цемента и бетона (GCCA) запустила программу 2050 Climate Ambition, направленную на достижение цели по производству углеродно-нейтрального бетона к 2050 году. Для ее достижения GCCA рассчитывает на длинный список мер: энергоэффективность, альтернативные виды топлива, декарбонизация сырья и топлива, инновационные материалы и более эффективные цементные заводы и т. д. Но самым крупным элементом «головоломки» GCCA по обеспечению углеродной нейтральности является улавливание, использование и хранение CO2 (CCUS) — выделение CO2 из выбросов для повторного использования в промышленных процессах или закачки глубоко под землю, где он больше не сможет воздействовать на нашу атмосферу.
Хорошей новостью для цементной и других сложно декарбонизируемых отраслей промышленности является то, что технология улавливания CO2 не является чем-то кардинально новым. Разделение CO2 на основе аминов — наиболее развитый и распространенный из современных методов улавливания CO2 — уже несколько десятилетий используется в нефтегазовой промышленности. Однако модернизация цементного завода с установкой улавливания CO2 остается дорогостоящим мероприятием. Готовых установок по улавливанию CO2 для производителей цемента пока не существует, в основном из-за большого количества переменных факторов: Каков точный состав дымовых газов установки? Потребует ли установка дополнительных затрат энергии, и если да, то в каком объеме? Насколько стабилен аминовый раствор в данных условиях? Как повлияет высокий уровень выбросов пыли на долговечность установки? Какие существуют варианты повторного использования улавливаемого CO2?
Современные производители с большими объемами выбросов вредных веществ в атмосферу сталкиваются с повышенным давлением со стороны регулирующих органов и других заинтересованных сторон, требующих принятия мер по снижению уровня выбросов CO2. Но поскольку рынок улавливаемого CO2 находится в стадии становления, речь идет о значительных предварительных инвестициях с большим количеством переменных факторов.
Начальный этап улавливания CO2
Обладая более чем столетним опытом разработки и установки систем газоочистки и снижения вредных выбросов, компания GEA разрабатывает собственный портфель решений по улавливанию CO2, включающий утилизацию тепла отходящих газов, предварительную очистку газа, современную технологию улавливания CO2, а также предоставление поддержки в утилизации и хранении CO2. Д-р Феликс Ортлофф, старший директор отдела решений по улавливанию CO2 компании GEA, видит возможность помочь цементной и другим сложно декарбонизируемым отраслям промышленности быстрым и экономичным образом перейти на использование технологии улавливания CO2. «Компания GEA разработала в высокой степени стандартизированную линейку решений для улавливания CO2, чтобы помочь операторам установок уже сейчас приступить к удалению CO2, — рассказывает г-н Ортлофф. «Наш опыт в области очистки газа и рекуперации тепла в сочетании с нашей основной технологической базой позволил нам создать комплексное решение по удалению CO2, которое одновременно соответствует предъявляемым требованиям и является экономически эффективным».
Клиенты GEA могут выбрать одну из четырех установок улавливания CO2 различной мощности — выбор определяется, прежде всего, объемом вырабатываемого отходящего тепла на их предприятии. «В настоящее время мы уделяем основное внимание эффективности всей установки, поэтому хотим максимально использовать преимущества рекуперации тепла», — говорит г-н Ортлофф. «Выгода для заказчика заключается в том, что он может начать улавливать CO2 практически без дополнительных затрат энергии. Для крупного цементного завода с большими объемами выбросов углекислого газа имеющееся тепло отработавших газов является хорошей отправной точкой, позволяющей в среднем на 20% сократить выбросы CO2. В других отраслях, например, в стекольной промышленности, возможен и более высокий уровень сокращения выбросов. Как только решение будет внедрено и будет работать в соответствии с предъявляемыми требованиями, всегда можно установить дополнительные мощности для улавливания большего количества CO2».
«Компания GEA разработала в высокой степени стандартизированную линейку решений для улавливания CO2, чтобы помочь операторам установок уже сейчас приступить к удалению CO2»,— д-р Феликс Ортлофф (Felix Ortloff), старший директор отдела решений по улавливанию CO2, GEA.
— д-р Феликс Ортлофф (Felix Ortloff), старший директор отдела решений по улавливанию CO2, GEA.
Опытно-промышленная установка на цементом заводе PHOENIX Zementwerke
В настоящее время г-н Ортлофф и сотрудники его отдела проводят испытания установки GEA по улавливанию CO2 в рамках масштабного пилотного проекта на предприятии по производству цемента PHOENIX Zementwerke в городе Беккум, Германия. «Экологически ответственное ведение бизнеса и защита климата являются неотъемлемой частью нашей корпоративной стратегии», — говорит управляющий директор завода PHOENIX Zementwerke, г-н Марсель Густав Крогбоймкер. «Учитывая нашу производственную мощность около 500 000 метрических тонн цемента в год и ежедневные выбросы в среднем 1000 тонн CO2, мы обязаны минимизировать свой «экологический след. Мы гордимся нашим проектом по улавливанию и хранению CO2 (CCS), совместно реализуемым с компанией GEA, и используем возможности опытно-промышленной установки на нашем заводе в Беккуме для запуска работ по улавливанию CO2. Проект уже вызвал большой интерес со стороны как частного, так и государственного сектора», — говорит г-н Крогбоймкер. «Мы считаем, что улавливание CO2 является очень интересной технологией. А благодаря многолетнему опыту компании GEA в области систем контроля выбросов я абсолютно уверен в том, что мы сможем разработать решение, которое позволит в значительной степени снизить наши выбросы.
Мы гордимся нашим проектом по улавливанию и хранению CO2 (CCS), совместно реализуемым с компанией GEA, и используем возможности опытно-промышленной установки на нашем заводе в Беккуме для запуска работ по улавливанию CO2. Проект уже вызвал большой интерес со стороны как частного, так и государственного сектора», — сообщает г-н Марсель Густав Крогбоймкер (Marcel Gustav Krogbeumker), управляющий директор Phoenix-Zementwerke
— сообщает г-н Марсель Густав Крогбоймкер (Marcel Gustav Krogbeumker), управляющий директор Phoenix-Zementwerke
Опытно-промышленная установка помогает компаниям GEA и PHOENIX Zementwerke получать точные аналитические данные выбросов цементного завода — в частности в том, что касается вредных микрокомпонентов, подлежащих удалению в процессе предварительной очистки дымовых газов — и собирать важные данные о стабильности системы аминового раствора на этапе улавливания CO2. По словам г-на Ортлоффа, к настоящему времени в ходе эксперимента удалось достичь поставленной компанией GEA цели — 90% эффективности удаления CO2. «Еще более высокая степень улавливания CO2 — около 95% — технически возможна, но это потребует больших затрат энергии и отрицательно скажется на общей экономической эффективности», — поясняет г-н Ортлофф. «90% — это желаемая цель, которая также имеет наибольший финансовый смысл.
Полевые испытания по улавливанию CO2 на цементном заводе Phoenix в Беккуме (Вестфалия, Германия). В разговоре: Г-н Марсель Густав Крогбоймкер (Marcel Gustav Krogbeumker), управляющий директор Phoenix-Zementwerke (слева), д-р Феликс Ортлофф (Felix Ortloff), старший директор отдела решений по улавливанию СО2, GEA (справа). Изображение: GEA/Тим Луманн (Tim Luhmann)
В качестве следующего шага компания Krogbeumker планирует совместно с GEA разработать комплексную концепцию улавливания, использования и хранения CO2 (CCUS) для предприятия PHOENIX Zementwerke в Беккуме. Мы оценим все полученные данные и затем обсудим возможность масштабирования установки по улавливанию CO2, — говорит он. — Вопрос заключается в следующем: Выберем ли мы хранение CO2, например, в старых нефтяных месторождениях и шахтах под Северным морем? Или лучше перерабатывать CO2 для повторного использования? А если мы выберем второе, то как расширить пилотную установку, чтобы она очищала CO2 настолько, чтобы можно было обеспечивать соответствие самым строгим требованиям стандартов, предъявляемым в химической и пищевой промышленности? Где и в каких отраслях мы можем найти потребителей CO2? Какую инфраструктуру необходимо обеспечить для транспортировки? Речь может идти о трубопроводах, возобновлении работы железнодорожных дорог, или нам нужен грузовой транспорт? Сейчас для нас наступили интересные и захватывающие времена, и я уверен, что вместе с GEA мы сможем добиться многого».
Что делать с выбросами CO2?
Использование и хранение CO2 — последний, критически важный этап процесса улавливания CO2. В настоящее время опыт компании GEA в области утилизации CO2 сосредоточен в двух областях. В пивоваренном секторе компания GEA регенерирует CO2 в процессе брожения, сжижает его и затем извлекает кислород, чтобы повторно использовать CO2 в производстве напитков. Кроме того, GEA производит из улавливаемого CO2 карбонаты, например бикарбонат натрия, для использования в пищевой и фармацевтической промышленности. «У каждого клиента будут свои варианты утилизации улавливаемого CO2, — поясняет г-н Ортлофф. — В каждом конкретном случае мы рассматриваем вопрос о том, существует ли поблизости потенциальный потребитель CO2, и какие требования предъявляет это предприятие к CO2 с точки зрения чистоты, физического состояния, давления и температуры. Затем мы можем подготовить CO2 для удовлетворения этих потребностей».
Другим вариантом использования CO2 в среднесрочной перспективе г-н Ортлофф считает производство метанола для непосредственного использования в качестве топлива, переработки в другие топливные компоненты или в химической промышленности в качестве исходного «конструктивного блока». Другие области применения улавливаемого CO2 — производство пластмасс или даже самого бетона. Одно из таких решений предусматривает закачку CO2 в бетон, где он подвергается минерализации и в виде твердого вещества внедряется в строительный материал. Тем не менее, как ясно объяснил г-н Ортлофф, даже если рынок использования CO2 и созреет, количество улавливаемого CO2, скорее всего, в значительной степени будет превышать объемы, которые могут поставляться для улавливания и использования CO2 (CCU). Это означает, что решения в области хранения улавливаемого CO2 (CCS) будут иметь большое значение для реализации перспектив улавливания CO2 в ближайшей и среднесрочной перспективе для снижения выбросов парниковых газов и удовлетворения потребностей в сфере предотвращения потепления климата планеты.
Хранение CO2 является еще одним примером хорошо отработанной технологии в нефтегазовой отрасли, которую необходимо расширять. Конечно, правительства и промышленность наращивают мощности по CCS впечатляющими темпами. По данным Global CSS Institute, на конец 2022 года в мире действовало 30 установок CCS, еще 11 находились в стадии строительства и 153 — в разработке, в результате чего общая мощность CCS достигла 244 млн. метрических тонн в год, что на 44% больше, чем годом ранее. Благодаря значительным инвестиционным налоговым льготам в Канаде и федеральному финансированию в США (Закон о снижении инфляции 2022 года) Северная Америка занимает лидирующие позиции по разработке и внедрению CCS. Европа отстает не сильно. [2] Инновационный фонд ЕС планирует инвестировать около 38 млрд. евро в экологически чистые технологии по всей Европе до 2030 года и уже оказывает поддержку крупномасштабным проектам CCS в различных отраслях промышленности, уделяя особое внимание цементной отрасли. Хотя Китай, крупнейший в мире производитель цемента, до сих пор не спешил принимать меры, в настоящее время эта страна наращивает усилия по разработке технологии CCUS. В июле 2023 года Китай объявил о начале реализации крупнейшего на сегодняшний день проекта CCUS для цементной промышленности. [3]
«У каждого клиента будут свои варианты утилизации улавливаемого CO2. «В каждом конкретном случае мы рассматриваем вопрос о том, существует ли поблизости потенциальный потребитель CO2, и какие требования предъявляет это предприятие к CO2 с точки зрения чистоты, физического состояния, давления и температуры»,— сообщает д-р Феликс Ортлофф, старший директор отдела решений по улавливанию CO2, GEA
— сообщает д-р Феликс Ортлофф, старший директор отдела решений по улавливанию CO2, GEA
Новая низкоуглеродная экономика
Подобно тому, как альтернативные движущие технологии потребуют создания новой электроэнергетической и водородной инфраструктуры, улавливание и хранение CO2 потребует создания новой инфраструктуры для транспортировки улавливаемого CO2 от промышленных источников вредных выбросов к местам его использования или хранения. Одним из таких примеров является совместный проект компании OGE, ведущего газотранспортного предприятия в Европе, и бельгийской компании в сфере водородной энергетики Tree Energy Solutions по строительству трубопровода протяженностью 1000 км для транспортировки около 18 млн. метрических тонн CO2 в год. В этом случае CO2 будет служить переносчиком возобновляемого водорода от солнечных, ветряных и гидроэлектростанций по всей Европе к «зеленому энергетическому центру» в рамках проекта в Вильгельмсхафене, Германия.[4] «Когда речь идет о переносе и секвестрации CO2, для трубопроводов или хранилищ также будут разработаны соответствующие технические условия в отношении CO2, — говорит г-н Ортлофф. — Тот факт, что мы можем предоставить технологию улавливания, очистки и сжижения CO2 в рамках «одного решения», облегчает нашим заказчикам выполнение этих требований».
Декарбонизация цементной промышленности требует новых видов использования CO2 и развития инфраструктуры по улавливанию углекислого газа.
Технологии улавливания CO2, которые сегодня активно развиваются в рамках принятия мер по борьбе с глобальным потеплением, будут в значительной степени опираться на уже существующие технологии и инфраструктуру нефтегазовой отрасли. Технология CCUS развивалась в течение многих лет в погоне за очень выгодными ископаемыми видами топлива — как средство достижения цели. Сегодня улавливание и хранение инертного CO2 во многих случаях является самоцелью. Но признаки указывают на будущее, в котором улавливаемый CO2 будет иметь как экологический, так и экономический смысл. «Очень волнующе представлять себе развитый рынок улавливаемого CO2, когда цементные заводы по всему миру будут удалять 90% CO2, — говорит г-н Ортлофф. — На данный момент давление со стороны регулирующих органов и других заинтересованных сторон заставляет компании инвестировать в эти первые шаги на пути к новой низкоуглеродной экономике, и GEA имеет все возможности для того, чтобы помочь им ускорить этот переход».
