New Infångning och lagring av koldioxid Innehållanly/presentations/Miljoefysik... · 2018. 6. 8. · Större sannolikhet för kraftiga orkaner (vattentemp. >26 C) Stigande havsnivåer

April 27, 2018

Anders Lyngfelt, Chalmers University of Technology Miljöfysik F2

Infångning och lagring av koldioxid (CCS)

Anders Lyngfelt

Innehåll Lagring Transportat Infångning Kostnader ? Bio Energy CCS (BECCS)

Lystrosaurus
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lystr_georg1DB.jpghttp://en.wikipedia.org/wiki/File:Lystr_georg1DB.jpg
Infångning och lagring av koldioxid

(CCS)

Anders Lyngfelt

Innehåll

Lagring

Transportat

Infångning

Kostnader ?

Bio Energy CCS (BECCS)

Vad innebär Parisavtalet? Hur mycket mer koldioxid kan vi släppa ut ??Koldioxidbudget för max 1.5ºC and 2ºC :

200 and 800 Gton CO2Utsläpp idag >35 Gton CO2/år :

→ 6 - 25 år kvar med dagens utsläpp

Negativa utsläpp behövs för att nå klimatmålen

2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100

-20

0

20

40

Glo

bala

uts

läpp

av

CO

2, G

ton/

år

Ny Svensk klimatlag 2017:

Nollutsläpp senast 2045, och därefter negativa utsläpp

Klimatbudgeten

CO2-SKULD till våra efterkommande:

80 ton per nu levande människa

6/8/2018Chalmers3

Förbränning avbiomassa är klimatneutraldvs. nollutsläpp

Förbränning avbiomassa med koldioxidinfångningger negativa utsläpp

Vad är negativa utsläpp?

6/8/2018Chalmers4

Koldioxidinfångning och lagring= CCS / Carbon Capture and Storage

Fossila bränslen

Ingautsläpp

Biomassa

Negativautsläpp

Teknik

Anders Lyngfelt, Chalmers University of Technology

CO2 STORAGE

gas and oil fields

aquifers (water-filled porous rock formed from packed sand)

coal beds

deep ocean

mineral carbonation (magnesium silicate to magnesium carbonate)


Cold (ocean):CO2 is liquid > 50 bar (below 500 m)ρ(CO2) > ρ(saltwater) for > 300 bar (below 3000 m)


= 100 bar

Warm (geological storage):CO2 is supercritical, ρ < ρ(saltwater), typically 600-700 kg/m3

Anders Lyngfelt, Chalmers University of Technology Sleipner gas platform


Lagring sedan 19961 miljon ton CO2/år(3% Norges utsläpp)

Area: 26 000 km2Djup: 550 to 1500 mHöjd: 200-300 mPorositet: 30-40%


Seal

Seal

Porous sandstonewith water


Seismic Survey of Utsira

Migration Pathways in Utsira

Courtesy of NITG-TNO

IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) report on CO2 capture and storage:

Geologic storage potential estimated to1,700 – 10,000 Gton CO2

corresponds to today’s global emissions for 50 – 300 years

Hinder:

1) Tätt ”tak”

2) fastnar i porer

3) löser sig i vatten

4) reagerar med mineraler

Hur länge stannar CO2 i atmosfären ? Exempel: utsläpp av fossil CO2jämförs med lagring

förväntat läckage 100.000 år)

%/år0,20,10,060,03

Hur länge behöver koldioxiden lagras?

• Noggrann förundersökning• Övervakning, för tidig upptäckt• Avsluta injektion• Täta läcka, om möjligt• “Depressurize”, alltså flytta CO2

till annat ställe (inte särskiltdyrt)

Sista utväg: Fånga in CO2 igen med negativa utsläpp (betydligt dyrare)Glöm inte: en mycket stor del kan inte läcka ut


Pipelines för CO2 i USA• >300 mil • transporterar >100 Mton CO2/år• statistik

– Läckage lika vanligt som med pipelines för naturgas– Konsekvenser av läckage mycket mindre allvarliga

läckande naturgas läckande koldioxid

Transport

6/8/2018

Förbränning

Luft innehåller syre (O2)kväve (N2)

Bränsle som innehåller kol (C) väte (H)

Vid förbränning reagerar C och H med O2 till CO2 (koldioxid) H2O (vatten/vattenånga)

För lagring behövs komprimerad koldioxid, >95% renhet.Därför behövs ”infångning” av koldioxid.

Syre, O2

Kväve, N2

Vatten, H2O

Koldioxid, CO2

Rökgas

Syre, O221%

Kväve, N279%

Luft

→ en växthusgas


Post-combustionseparation of CO2 from flue gas.

Oxyfuelseparation of O2 from air, combustion in O2 and recycled CO2 =>> flue gas of CO2 and H2O (removed by condensation).

Pre-combustionH2 production by partial oxidation/reforming, shift-reaction, and subsequent CO2 removal.

Novel technology:Chemical-looping combustion (CLC / kemcyklisk förbränning)metal oxide particles transfer oxygen from combustion air to fuel =>> flue gas of CO2/H2O gas


Power plants with post-, oxy- or pre-combustion Reduction in efficiency: ≈10%-units Relative reduction in efficiency: Coal: ≈20-25% Natural gas: ≈15% Cost increase for electricity production: ≈50-100% Specific cost (including transport and storage): ≈500 SEK/ton CO2

Power plants with post-, oxy- or pre-combustion

Reduction in efficiency: (10%-units

Relative reduction in efficiency:

Coal: (20-25%

Natural gas: (15%

Cost increase for electricity production:

(50-100%

Specific cost (including transport and storage):

(500 SEK/ton CO2


POSTCOMBUSTION

Air

Fuel Power processFlue gas

Energy

CO2separation

Electricity CO2

Flue gas

postCOMBUSTION

Air

Fuel

Power process

Flue gas

Energy

CO2

separation

Electricity

CO2

Flue gas


Absorption of CO2 with monoethanolamine.

Flue gas Absorber

Flue gas

CO2-rich solvent

CO2

Regenerator

regeneratedpressureback-

steam

Absorption of CO2 with monoethanolamine.

Flue gas

Absorber

Flue gas

CO2-rich solvent

CO2

Regenerator

regenerated

pressure

back-

steam

Absorptions-torn

CO2stripper

kompression

VärmeväxlareRegenerering

aminer

Unit 3, med CO2-infångning

Boundary Dam, Canada. 115 MWe

Kolkraftverk med CO2-infångning:1 Mton CO2/år

I drift sedan mer än tre år.

Koldioxidinfångning, exempel

Petra Nova, Texas, 1,4 Mton/år, i drift sedan januari 2017


OXYFUEL

Air

Oxygen Power processFlue gas

ElectricityCO2

Air separation

Fuel

CO2 Water

Condenser

Oxyfuel

Air

Oxygen

Power process

Flue gas

Electricity

CO2

Air

separation

Fuel

CO2

Water

Condenser


PRECOMBUSTION

Air/O2/H2OCO2

Gasification/ reforming

FuelCO shift:

H2O + CO =>H2 + CO2

H2CO2separation

Air

fluegasCombustion

(gas turbine)

PRECOMBUSTION

Air/O2/H2O

CO2

Gasification/

reforming

Fuel

CO shift:

H2O + CO =>

H2 + CO2

H2

CO2

separation

Air

flue

gas

Combustion

(gas turbine)

6/8/2018Chalmers28

Storskalig koldioxidlagring idag

För klimatet För ökad oljeutvinning

Totalt lagras 30 Mton CO2/årUngefär 0,1% av totala utsläppenYtterligare 10 Mton/år på gång.

6/8/2018Chalmers29

Vad är kemcyklisk förbränning (CLC) ?

Två fluidiserade bäddarmed ett bäddmaterialsom cirkulerar.

Bäddmaterialet består avpartiklar (sandstorlek)som transporterar syre från luft till bränsle:

Syrebäraren!

Air

MeO1-x

Fuel

N2 (O2)

CO2 H2O

MeO

Fuel reactor

Air reactor

reactor system

air

reac

tor

fuelreactor

10 kW gas, 2003

300 W gas, 2004

10 kW fastbränsle, 2006

100 kW fastbränsle, 2011

Chalmers: Total drifttid med bränsle4000 timmar

Ja, det fungerar !

Status kemcyklisk förbränning:

Demonstrerad i liten skala: 10 000 timmar i 35 anläggningar

Metalloxider baserade på nickel, järn, koppar, manganoch ett antal kombinerade oxider (FeTiO3, CaMnO3 osv) har använts, liksom kommersiella malmer (järn-, manganoch ilmenitmalm).

Kostnade med fasta bränslen uppskattad till 20 €/ton CO2

Verkningsgradsförlust med fasta bränslen, c:a 4%

Billiga malmer lämpliga för fasta bränslen


CO2 CAPTURE AND STORAGE COSTS €/ton CO2 Lagring >2-3 Transport, 100 km >2-3 Kompression 7 Separation ~40 Total (uppskattad) 50 verklig idag >100 kemcyklisk förbränning (uppskattad)

20

Ökad kostnad för el (kolkraftverk)

50-100% 2-4 c/kWh

CO2 CAPTURE AND STORAGE COSTS

€/ton CO2

Lagring

>2-3

Transport, 100 km

>2-3

Kompression

7

Separation

~40

Total (uppskattad)

50

verklig idag

>100

kemcyklisk förbränning

(uppskattad)

20

Ökad kostnad för el

(kolkraftverk)

50-100%

2-4 c/kWh

6/8/2018Chalmers33

Vad är en rimlig kostnad?

Om man dividerar världens koldioxidutsläppmed världens bruttonationalprodukt får man:

koldioxidintensiteten ≈ 0.5 kg CO2/€

om man sen multiplicerar den med kostnaden för att undvika koldioxidutsläpp

får man kostnaden som andel av global bruttonationalprodukt

om kostnaden är t.ex. 2 €/kg får man

2 × 0.5 = 1 (alltså 100% av totala ekonomin, uppenbart orimligt !!!)

men om den i stället är 0.02 blir kostnaden 1%

6/8/2018Chalmers34

Vad är en rimlig kostnad?

[1] Riksrevisionen, (The Swedish National Audit Office) Biodrivmedel för bättre klimat, RiR 2011:10.

[2] Konjunkturinstitutet, (National Institute of Economic Research, NIER, Sweden) Miljö, ekonomi och politik 2013.

[3] J. Rockström, O. Gaffney, J. Rogelj, et al. A roadmap for rapid decarbonization. Science 2017; 355:1269-1271.

Exempel Kostnad att undvika CO2 utsläpp, €/kg

Andel av totala ekonomin

CLC, uppskattad 0.02 1% CCS, uppskattad 0.05 2,5%

CCS, verklig, idag 0.10 5%

Andra exempel Kostnad att undvika CO2, eller CO2-pris, €/kg CO2 Andel av totala ekonomin,

om allt hade denna kostnad Sveriges CO2-skatt (gäller visa utsläpp) 0.12 6%

Svenska klimatprogrammet1 0.34 17% Klimatneutral fordonsflotta2

(antagande 3 ggr högre bensinpris behövs) 1.2

60%

Pris på CO2 om klimatmålen skall nås3:

Nu

2050

0.05

0.4

2,5%

20%

[1] Riksrevisionen, (The Swedish National Audit Office) Biodrivmedel för bättre klimat, RiR 2011:10.

[2] Konjunkturinstitutet, (National Institute of Economic Research, NIER, Sweden) Miljö, ekonomi och politik 2013.

[3] J. Rockström, O. Gaffney, J. Rogelj, et al. A roadmap for rapid decarbonization. Science 2017; 355:1269-1271.

Exempel

Kostnad att undvika CO2 utsläpp, €/kg

Andel av totala ekonomin

CLC, uppskattad

0.02

1%

CCS, uppskattad

0.05

2,5%

CCS, verklig, idag

0.10

5%

Andra exempel

Kostnad att undvika CO2, eller CO2-pris, €/kg CO2

Andel av totala ekonomin,

om allt hade denna kostnad

Sveriges CO2-skatt (gäller visa utsläpp)

0.12

6%

Svenska klimatprogrammet1

0.34

17%

Klimatneutral fordonsflotta2

(antagande 3 ggr högre bensinpris behövs)

1.2

60%

Pris på CO2 om klimatmålen skall nås3:

Nu

2050

0.05

0.4

2,5%

20%

Major point sources in Sweden:

• biofuel• iron/steel• refinaries• cement/lime

CO2 capture and storage in Sweden ??

Sveriges inhemska fossila koldioxidutsläpp är:

43 Mton/år

Med stopp för fossila utsläpp plus negativa utsläpp kan vi minska Sveriges utsläpp med

mer än 150%

Sett till 2-gradersmålet har Sverige redan överskridit sin rättmätiga andel av koldioxidbudgeten ett par gånger om.

Det är dags att vi börjar städa upp efter oss !!!

Enligt Rockström et al. (Science): För att klara klimatmålen behövs stora negativa utsläpp och ett koldioxidpris på 50 $/ton som stiger till 400 $/ton om 30 år. Det innebär att våra utsläpp från biomassa kan få ett värde av

>100 miljarder

eller 2,5% av vår BNP

Svenska koldioxidutsläpp från biomassa (större punktkällor): 31 Mton/år

Möjligheter att lagra koldioxid i Norden

6/8/2018Chalmers37

Klimatskulden: 80 ton/capita => 40.000-80.000 kr/capita

Finansiering av negativa utsläpp – DN Debatt 18/4

6/8/2018Chalmers38

Finns det något hopp?

End

Thank you!

>300 publications on chemical-looping on:http://www.entek.chalmers.se/lyngfelt/co2/co2publ.htm

Lystrosaurus

The sole land-living animal surviving the Great Death*?

*The Great Death, or the Perm-Triassic extinction event, is the Earth’s most severe extinction event.

It is not fully understood but was associated with a 6 degree temperature increase caused by greenhouse gas release.

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lystr_georg1DB.jpghttp://en.wikipedia.org/wiki/File:Lystr_georg1DB.jpg

6/8/2018Chalmers41

Varför är det dåligt med ett varmare klimat? Ökad uttorkning, av redan torra områden Ökad intensitet i nederbörd, översvämningar Större sannolikhet för extrem hetta Större sannolikhet för kraftiga orkaner (vattentemp. >26 C) Stigande havsnivåer Kollaps/störningar av ekosystem, förlust av arter/biologisk mångfald Men det är inte bara naturen som är anpassat till ett visst klimat, utan också

människans jordbruk Återkopplingar

Smältande permafrost kan släppa ut metan Smältande isar minskar reflektion

6/8/2018Chalmers42

istiden tog slut

industrialismen

6/8/2018Chalmers43

Göteborg årsmedeltemperatur

2002 9.12003 8.62004 8.62005 8.92006 9.52007 9.42008 9.72009 8.82010 6.72011 9.32012 8.32013 8.62014 10.32015 9.62016 9.3201720182019

mv 8.98normal 7.7

Istiden, hur kallt var det då?

Svar: 4-5 grader kallare än idag, men ändringen som krävs för att starta en istid betydligt mindre.

Anders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologySlide Number 2Slide Number 3Slide Number 4Anders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologyAnders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologyAnders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologyAnders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologyAnders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologyAnders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologyAnders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologyAnders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologySlide Number 13Anders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologySlide Number 15Slide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Anders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologySlide Number 20Anders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologyAnders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologyAnders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologyAnders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologySlide Number 25Anders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologyAnders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologySlide Number 28Slide Number 29Slide Number 30Slide Number 31Anders Lyngfelt, Chalmers University of TechnologySlide Number 33Slide Number 34Slide Number 35Slide Number 36Slide Number 37Slide Number 38Slide Number 39Slide Number 40Slide Number 41Slide Number 42Slide Number 43

Documents

New Infångning och lagring av koldioxid Innehållanly/presentations/Miljoefysik... · 2018. 6. 8. · Större sannolikhet för kraftiga orkaner (vattentemp. >26 C) Stigande havsnivåer