A villamosenergia termelés során keletkezett szén dioxid tárolási lehetőségei Storage options for the carbon dioxide produced by power plants GEBHARDT Gábor, BME egyetemi hallgató - BUZEA Klaudia, BME egyetemi hallgató Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék, 1111 Budapest Műegyetem rkp. 3., g.gabor5@invitel.hu, buzeaklau@gmail.com Abstract One of the most critical issues of carbon capture is how to store the vast amounts of carbon dioxide ont he long term with optimal safety, whil keeping the cost of it as small as possible. In this paper the options for storage are discussed, including major advantages, drawbacks, and international law issues. Összefoglaló A szén dioxid leválasztás témakörének egyik kulcskérdése, hogy a leválasztott, hatalmas mennyiségű szén dioxidot hogyan lehet hosszú távon, biztonságosan és a lehető legkisebb költségek mellett az atmoszférától elzárni. A dolgozatban bemutatjuk a tárolásra kínálkozó lehetőségeket, ezek előnyeit és hátrányait, továbbá kitérünk az elhanyagolt, de a megvalósítás során nagyon nagy jelentőségű nemzetközi jogi kérdésekre is. Kulcsszavak szén dioxid tárolása, EOR, EGR, mélységi sósvizes tárolók, jog, nemzetközi egyezmény, tengeri tárolás 1. A CO 2 HOSSZÚ TÁVÚ TÁROLÁSA A tárolóhelyek kiválasztása és a CO 2 bejuttatása jelentős problémakör a szén dioxid leválasztás és tároláson belül. A leválasztás során megtermelt hatalmas mennyiségű gáz elszigetelése az atmoszférától az egész technológiakritikus pontja; a megoldás hiányában nem is beszélhetnénk a CCS ről, mint klímavédelmi eszközről. Sok lehetőség kínálkozik a probléma megoldására, ezek közül majdnem az összes gáztömör geológiai formációkba történő befecskendezést jelent. Mindegyik lehetőségnek megvannak a maga sajátosságai; általános követelményként a következők fogalmazhatóak meg: A térségben végezzenek részletes geológiai kutatásokat. Tektonikailag legyen stabil. A mélyben lezajló kémia-fizikai folyamatok kellően alapos ismerete. Lehetséges behatások ismerete a tárolóhely környékén; ezek következményeinek elemzése különös tekintettel a CO 2 -szivárgás veszélyeinek felmérésére. Álljon rendelkezésre technológia a tároló szivárgási megfigyeléséhez. Sok nemzetközi project is van, amelyek arra irányulnak, hogy a CO 2 -tárolás technológiáival kapcsolatban tapasztalatot szerezzenek.
1.1. A földgáz-kitermeléssel egybekötött tárolás (Enhanced Gas Recovery) A módszer alapelve, hogy a lecsökkent nyomású gázlelőhelyeket újra nyomás alá helyezik befecskendezett CO 2 segítségével. A két anyag nem keveredik; a CO 2 jóval nehezebb, így felfele kiszorítja a földgázt a tárolókőzetből. Az előnyei közé tartozik, hogy ezek a gázlelőhelyek bizonyítottan képesek a beinjektált CO 2 -t bezárni, és mivel a kitermeléshez szükség volt rá, geológiájuk is ismert, van velük tapasztalat. A CO 2 bejuttatásának technológiája is ismert, hiszen nem más ez, mint egy fordított irányban működő gázkút. Kizárólag 800m-es mélység alatt elhelyezkedő tárolók jöhetnek szóba CO 2 -tárolásra, mert ez az a mélység, ahol már eléri a CO 2 a szuperkritikus állapotot a megnövekedett nyomás miatt. A megemelkedett gázhozam segíthet enyhíteni a CCS-technológia alkalmazásának költségeit, bár gáz esetében a legkisebb ennek a járulékos haszonnak a várható mértéke. A világ egyetlen gázmezőjén sem alkalmazták még a fent említett kitermelés-segítő módszert. Nem minden gázmező lesz alkalmas a használatára; nagyban meghatározza, hogy mennyi idő alatt éri el a befecskendezett szén-dioxid a kitermelő kutakat, és hogy a befektető mekkora kitermelt gázbeli CO 2 -aránynál fejezi be az alkalmazását. Amikor a mezőn a földgázkitermelés befejeződik, természetesen a CO 2 -befecskendezést nem kell abbahagyni, a terület még alkalmas bizonyos mennyiség betárolására. 1.2. Olajkitermeléssel egybekötött tárolás (Enhanced Oil Recovery) A módszer alapelve, hogy a befecskendezett CO 2 segítségével növeljük a kútban a nyomást és így az olajkitermelést. Az olajmezők szintén bizonyítottan jó tárolók, és a CO 2 beinjektálása itt hozhatja a legnagyobb hasznot, akár megtérítve az egész CCS-technológia üzemeltetési többletköltségét. Az olajmezőnek, hol a módszert alkalmazni kívánják, több kritériumnak is meg kell felelnie. 600 méternél mélyebben fekvő lelőhelyek jöhetnek csak szóba, továbbá a kitermelt olaj maximális sűrűsége 910 kg/m 3 lehet. A módszer emiatt nem használható nehéz olajok és olajhomok esetében. Feltétel még, hogy az eredetileg a lelőhelyen levő olajmennyiség legalább 20-30%-a még a föld mélyén legyen. A nagyméretű földgázsapka is csökkentheti az eredményességet. A lejuttatott CO 2 két módon segítheti a kitermelés emelését. A 120 C alatti hőmérsékleteken játszódik le; ekkor elkeveredik az olajjal (keveredéses elárasztás), a másik efölötti hőmérsékleten, ekkor nem keverednek (keveredésmentes elárasztás). A keveredéses elárasztás előnyösebb, mert ebben az esetben nagyobb mértékben növelhető a kitermelés. A technológia elterjedését akadályozhatja, hogy a legnagyobb potenciállal rendelkező alkalmazási helyek (ex-szovjetunió, Közel-Kelet) távol esnek a fő kibocsájtóktól. Továbbá a szén-dioxidos technológiának versenyeznie kell más, olajkitermelést segítő technológiákkal, és csak a lelőhely pontos ismerete adhat választ arra, hogy melyiknél előnyös az alkalmazása. Azonban az látszik, hogyha kellően alacsony CO 2 árat lehet biztosítani, a világ olajmezőinek nagy részén alkalmazható lenne. Norvégia esetében például CO 2 EOR segítségével 260-300 millió m 3 többlet kitermelhető olajmennyiségre számítanak. A CO 2 EOR kiforrott technológiának tekinthető, főképp az USA-ban alkalmazzák. 2003-ban napi 206ezer hordóval járult hozzá a kitermeléshez. A CO 2 -forrás nagyjából háromnegyed részben természetes CO 2, a fennmaradó részt ipari folyamatok melléktermékeként nyerik. Ezeket az alkalmazott technológiákat az olajkitermelés növelésére koncentrálva fejlesztették ki; lehetséges, hogy a CO 2 -tárolásközpontú szemléletre történő átállás igényel néhány változtatást. 1.3. Szénmezők metántartalmának kinyerése CO2-tárolásssal (Enhanced Coal-Bed Methane Recovery) Nem biztos, hogy összességében pozitív hatása lenne energetikailag annak, hogy a mélyen fekvő, jelenleg gazdaságtalanul, vagy egyáltalán nem kibányászható szénmezők metántartalmának kinyerésére CO 2 -befecskendezést alkalmazzunk. A módszer célja az lenne, hogy a szénmezőkben levő metánt, ami egyébként okozója a sújtólégrobbanásnak is, kitermeljék úgy, hogy CO 2 -t pumpálnak a helyére. A jelenleg használt szénmezei metánkitermelő módszerek az összes metántartalom ~40%-át képesek felszínre hozni, ez fejleszthető lehet 90%-ig a CO 2 -befecskendezés alkalmazásával. 2000
méternél mélyebben fekvő szénmezőkben nem alkalmazható, mivel a magas hőmérséklet korlátozza a metántartalmat, ráadásul itt már a szén áteresztő képessége, azaz permeabilitása is lecsökken. A permeabilitásra (amely a porózus közegekben történő áramlást leíró Darcy-törvény egyik konstansa) egyébként is nagyon érzékeny a technológia: legalább 1-5 millidarcy értéket kell elérnie a betárolási alkalmassághoz. Továbbá kívánatos még, hogy vertikálisan és horizontálisan is egybefüggő, törésektől, vetődéstől mentes szénmező álljon rendelkezésre, magas metántartalommal. A világon fellelhető teljes tárolási kapacitást 148 Gt CO 2 -re becsülik. 50 USD-nál alacsonyabb tonnánkénti CO 2 áron ebből körülbelül 60 Gt-nyi kapacitás lenne hasznosítható. A költségbecslések nagyon erősen függenek a szénmező permeabilitásától, a kitermelő és injektáló kutak építésének költségétől. A kútépítés költségei becslések szerint az egész technológia kiépítési költségének a kétharmadát teszik ki az alkalmazandó nagy kútsűrűség miatt, és a költségeket az is emelheti, ha ferdén kell fúrni. Az egész módszer alkalmazása pedig még jobban függ attól, hogy a jövőbeli bányászati technológiákkal esetleg elérhető szénmezőket kitermelhetetlenné akarjuk-e tenni. Napjainkban egy USA-beli demonstrációs projekt működik (Allison Unit, San Juan basin), de ez nem tekinthető reprezentatívnak a jövőbeli alkalmazást illetően. Kanadában, Lengyelországban és az USA-ban további demonstrációs projektek indítását tervezik. 1.4. Tárolás földalatti sósvizes formációkban (Deep Saline Aquifers) Az olyan, vízzáró réteggel elzárt víztartó kőzetformációk, amelyekben a víz olyan magas sótartalmú, hogy emberek számára ihatatlan, lévén másra nem használhatóak, alkalmasak CO 2 betárolására. Ezek általában üledékes medencékben lelhetőek fel. Nem mindegyikük alkalmas széndioxid betárolására, részben a kőzetek nem megfelelő porozitása, részben az esetleges tektonikai instabilitás miatt. Mindezeket figyelembe véve még annyi tárolási lehetőség marad, hogy az elég lehet akár 10 000 Gt CO 2 nek is. Arról azonban, hogy ez a potenciál valójában tényleg ennyi-e, eltérnek a vélemények. A bizonytalanság abból adódik, hogy több mechanizmus is részt vesz a CO 2 betárolásában (kitölti a víz által nem használt térfogatot, beoldódik a vízbe, reakcióba lép a tároló kőzettel), továbbá hogy nem ismert a víztározó kőzet hasznos térfogatának szén-dioxiddal kitölthető hányada. Az 1990-es évek elején még úgy tűnt, csak 2%-a lesz hasznosítható a hasznos térfogatnak, manapság már 13-68% közötti becslések látnak napvilágot. A minél pontosabb értékek ismerte a gazdasági számításokra is hatással van, hiszen minél jobb a tárolás hatékonysága, annál kevesebb befecskendező kutat kell fúrni, így szorítva lejjebb a tárolási költségeket. 1. ábra. A szén dioxid tárolásának geológiai lehetőségei [3]
A legjelentősebb kapcsolódó kutatási és demonstrációs projekt Norvégiában működik. Itt a Sleipner gázmezőből kitermelt földgázból leválasztják a benne természetes állapotában megtalálható CO 2 -t, és azt a közeli sósvizes formációba fecskendezik. A projekt 1996-ban indult, azóta évi 1 Mt CO 2 -t tárolnak be. Az eddigi tapasztalatok azt mutatják, hogy a tárolás e formája technikailag kivitelezhető, és szivárgásra utaló nyomot sem találtak. A betárolási költség 80 USD/tCO 2. Egy új projekt is indul, szintén Norvégiában, a Snohvit gázmezőn, ahol ugyanilyen módszerrel nyerik majd a tároláshoz szükséges CO 2 -t. Itt a betárolási költség 275 USD/tCO 2 körül lesz, aminek háromnegyedét a gáz komprimálásának és a csővezetékek építésével kapcsolatos kiadások adják. Feltűnő lehet, hogy ezek az árak jóval magasabbak, mint amivel a tanulmányok általában számolnak. Ennek oka, hogy ezek kísérleti és demonstrációs építmények, továbbá tengeralatti formációkat alkalmaznak tárolásra, és hogy arktikus körülmények között kell üzemelniük. Az is igaz, hogy a kútfúrás és a csővezeték-építés kiforrott technológiának tekintendő, amiben nem rejtőzik nagy költségcsökkentési, avagy fejlesztési potenciál. Meg kell említeni, hogy ezek a földalatti víztározók, amelyekbe CO 2 -t lehet betárolni, nem alaposan megkutatott és megértett geológiai képződmények, hiszen napjainkig a használatukra az emberiségnek semmi szüksége nem volt. 1.5. Egyéb tárolási lehetőségek A két legjelentősebb, alternatív tárolási mód az óceáni tárolás és az ásvánnyá alakítás módszere. Az ásvánnyá alakítás azon alapulna, hogy kalcium- és magnézium-szilikátokat reagáltatva szén-dioxiddal karbonátásványokat kapunk végeredményül. Az eddig csak laboratóriumi méretekben tesztelt módszer mellett érvelők azt mondják, hogy mivel a technológia alapreakciója exoterm, ezért alkalmazásával a hatékonyságot lehet javítani, továbbá a megfelelő, leválasztáshoz szükséges ásványok nagy mennyiségben fordulnak elő (olivin, szerpentinit). A kínált előnyök ellenére igen sok megoldandó problémával is szembe kell nézni. Egy átlagos, 500 MW-os erőmű naponta 30 ezer tonna karbonátásványt termelne, aminek az elszállítása, hasznosítása, igen nehéz és költséges feladat. Továbbá a kiindulási ásványok lelőhelyei geológiai okokból nem egyeznek azokkal a helyekkel, ahol az energiahordozók kitermelése folyik, tehát az itt jelentkező szállítási költség sem elhanyagolható. Végül pedig a reakció, amiben a szilikátok karbonátokká alakulnak, igen alacsony reakciósebességgel megy csak végbe, ugyanis kinetikailag akadályozott. Eddig még nem találtak technológiát arra, hogy a folyamatot felgyorsíthassák. 2. ábra. Az ásvánnyá alakítás és alternatív felhasználás lehetőségei [3]
Az óceáni tárolásnak két módja van: vagy feloldjuk a szén-dioxidot a tengervízben, vagy szuperkritikus folyadékként lenyomjuk a tengerfenékre, több mint 4000 méter mélyre. Mindkettő kivitelezhető technológiailag (4000 méteres mélységben tárolt CO 2 80-90%-a maradna ott 500 év után is), de környezetvédelmi szempontból egyben a legaggályosabb megoldás is. Jelenleg semmilyen adat nincs arra, hogy a tengervíz megnövekedett savassága milyen hatással lenne a vízi élővilágra. Emiatt demonstrációs projekteket töröltek már Norvégiában és Hawaii-on is. 1.6. Jogi szabályozási kérdések A CCS alkalmazásánál a napi teendők és a megvalósítás szabályozásában a jogrendszernek nagy szerepe van. Mire széleskörű alkalmazására kerül sor, meg kell teremteni a jogi hátteret, amely szabályozza az alkalmazásának körülményeit. A szárazföldek alatti tárolás jogi szabályozása mindig azon ország törvényhozásának az illetékességi körébe tartozik, amelyikben a széndioxid-tárolást működtetik. Probléma egyedül a határokon átnyúló tárolókkal lehet, de várhatóan ezeknek a státuszát két- vagy többoldalú szerződésekben, esetenként fogják szabályozni. Más a helyzet a tengerfenék alatt húzódó geológiai formációkkal. Az egyes országok saját felségvizein belül kivitelezett projektek valószínűleg a saját törvényeikkel összhangban kerülnek kivitelezére, azonban nemzetközi vizek alatt is szükség lehet tárolási projektek végrehajtására, nem is beszélve az esetlegesen alkalmazott óceáni tárolás következményeiről; nem tekinthető tehát teljesen az egyes országok belügyének a szabályozási környezet megalkotása. Nagy befolyással bírnak az egyes területek jogi státuszára és az ott végrehajtható projektekre a nemzetközi tengerjogi megállapodások, mint pl az OSPAR (észak-atlanti tengeri környezetvédelem), vagy a London Convention (tengeri szemétlerakás), vagy éppen a United Nations Convention on the Law of the Sea (nemzetközi tengerjogi alapokmány). Ezek mindegyike a CCS technológia térnyerése és fejlesztésének elkezdése előtt lépett hatályba, így részlegesen érintenek releváns problémaköröket. Kívánatos, hogy a széndioxid tárolás térnyerésével létrejöjjön egy új, ezt a tengerjogi problémát is szabályozó egyezmény. Nem a tárolás, hanem a technológia potenciáljának a kiaknázásához tartozik, hogy fontos lenne nemzetközi megállapodást tető alá hozni annak érdekében, hogy a lehető legtöbb ország vállalja fel az ÜHG- kibocsájtás elleni harc céljait. Ezzel párhuzamosan az alkalmazható technológiák terjesztésére, és a kvótakereskedelmi rendszer egységesítésére is erőfeszítéseket kell tenni. Ez azért nagyon fontos, mert a kibocsájtások jelentős része a fejlődő országokból származik majd, és ha ők nem vállalják fel a kibocsájtás-csökkentési célokat, lehetetlen stabilizálni a légköri CO 2 -koncentrációt. Egy másik ok, amiért hasznos volna az egységes nemzetközi feltételrendszer kialakítása, hogy a szennyező tevékenységeket ne érje meg áttelepíteni olyan országokba, ahol kevesebbet, vagy egyáltalán nem kell fizetni a kibocsájtási kvótákért. Az ilyen áthelyezések megakadályozását segítené még elméletben a világgazdasági liberalizáció korlátozása is. Nem tételezhetjük fel, hogy egy, a tőke, munkaerő és áruk teljesen szabad áramlását lehetővé tevő gazdasági rendszerben bármely vállalat kifizeti a szén-dioxid kibocsájtással járó többletköltségeket akkor, ha a tevékenységét olyan országban is folytathatja, ahol nem kell fizetni a CO 2 kvótákért. A fogyasztók tudatosságára nem lehet számítani; az elektronikai ipar eladásait sem tépázta meg különösebben az a nyilvánosságra került hír, miszerint ázsiai gyárakban egyes fogyasztási cikkek gyermekmunka felhasználásával készültek. A magyarországi jogban már megjelentek a szén dioxid tárolásával kapcsolatos elemek. A bányászati törvény legújabb, 2010 es módosításával a jogi hátteret megalkotottnak, és az nemzetközi ajánlásokkal összhangban levőnek lehet tekinteni. 1.7 Összefoglalás A cikkben bemutatott lehetőségek széles tárházat biztosítanak a jövőben az energiapolitikát alakítóknak, valamint azoknak a villamosenergiaipari szereplőknek, akik úgy dönetenek, hogy a jövőben a termékeik költségszerkezetét kedvező irányba befolyásolja az általuk termelt szén dioxid betárolása. A nemzetközi kooperáció a jogi akadályokat kiküszöbölve lehetővé teheti, hogy a határokon átnyúló tárolási lehetőségeket is kiaknázzák. Az egyre erősödő társadalmi politikai nyomás enyhítésének hasznos eszközére, a CCS technológiákra nézve a tárolási kérdések várhatóan nem fognak szűk keresztmetszetet jelenteni.
A munka szakmai tartalma kapcsolódik a "Minőségorientált, összehangolt oktatási és K+F+I stratégia, valamint működési modell kidolgozása a Műegyetemen" c. projekt szakmai célkitűzéseinek megvalósításához. A projekt megvalósítását az Új Széchenyi Terv TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR-2010-0002 programja támogatja. Forrás: [1] Gebhardt Gábor: A szén dioxid leválasztás és tárolás komplex elemzése. TDK dolgozat, BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék, 2008. [2] Dr. Gács Iván (szerk.): Széndioxid leválasztás és eltárolás (Carbon Capture and Storage). BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék. Megjelenés alatt. [3] IEA: Energy Technology Analysis: Prospects for CO2 Capture and Storage. Párizs, 2004. ISBN 92-64- 108-831.