Біогенний CO2: особливості та де його вже використовують

Цей матеріал, є важливим і необхідним для розуміння сутності біоенергетики та того, чому спалювання біомаси не несе загрози клімату і є вуглецево нейтральним процесом. Так, великі промислові підприємства, що використовують біомасу як єдине джерело енергії, у результаті її спалювання продукують CO2. Чи це той самий CO2, що потрапляє в атмосферу в результаті спалювання викопного палива? Ні! Цей тип вуглекислого газу називають біогенним. Розбираємося детальніше.

На відміну від викидів викопного палива, які вивільняють вуглець, що мільйонами років перебував у надрах землі,  біогенний CO2 є частиною природного та короткострокового вуглецевого циклу. Відповідно він не змінює концентрацію вуглецю в атмосфері та сприяє кліматичній нейтральності. На сьогодні ж вже більше уваги приділяється технологіям уловлювання та зберігання вуглецю (Bio-CCS), що дозволяють досягти так званих негативних викидів, тобто зниженню рівня СО2. Крім того, за допомогою біогенного CO2 можна розробляти електропаливо для заміни традиційних видів палива.

Чому біогенний CO2 важливий?

Вуглекислий газ може надходити з різних джерел:

• Повільний вуглецевий цикл (зазвичай викопне паливо). Тут, за даними Міжурядової групи експертів зі зміни клімату (IPCC), ми говоримо про час колообігу понад 10 000 років.
• Швидкий вуглецевий цикл (як правило, з біомаси) з часом колообігу менше 500 років.

З огляду на це є надзвичайно цікавою технологія уловлювання та зберігання біогенного CO2 (Bio-CCS), яка передбачає видалення вуглецю, який є в атмосфері. Так, загальний вміст CO2 зменшується, тому технологія класифікується як технологія видалення вуглекислого газу (CDR). З огляду на вектор розвитку суспільства в бік кліматичної нейтральності біогенний CО2 стає все більш цікавим для різних секторів економіки. Розберемося, де ці технології є найбільш актуальними.

---

Біоетанольні установки

Такі установки продукують великі обсяги біогенних викидів CO2, оскільки використовують природні біологічні процеси для перетворення рослинних матеріалів (таких як кукурудза, пшениця, цукровий буряк або цукрова тростина) у паливо на основі біоетанолу. У процесі виробництва рослинні матеріали спочатку ферментуються за допомогою дріжджів, що призводить до утворення біоетанолу як побічного продукту. Потім біоетанол відокремлюють від ферментованої суміші та очищають для паливного використання.

Під час бродіння  утворюються викиди біогенного CO2 як побічного продукту. Як правило, 1 кг біоетанолу, виробленого з кукурудзи, дає 1 кг біогенного CO2 в процесі бродіння та 0,5 кг CO2 від подальшого виробничого процесу (який може бути комбінацією викопного та біогенного CO2, але зазвичай викопного). Тому заводи з виробництва біоетанолу часто мають викиди CO2, що складаються приблизно на 70% з біогенного CO2.

Кількість установок:

• Північна Америка — 168;
• Європа — 15.

Щорічні викиди:

• Викопний СО2 — 21,8 млн тонн;
• Біогенний СО2 — близько 44 млн тонн.

Концентрація СО2:

Біогенний CO2, утворений у процесі ферментації, є найбільш концентрованим, приблизно 80-90%. Це робить його перспективним джерелом CO2 для технології Bio-CCS. Викопна частина викидів часто походить від виробництва електроенергії на місці й має набагато нижчу концентрацію — зазвичай 2-5% CO2.

Приклади:

Завод із виробництва біоетанолу в Саут-Бенді (США), а також Navigator CO2 Heartland Greenway і Summit Carbon Solution (два великі проєкти, що уловлюють CO2 з біоетанольних установок).

ТЕЦ і ТЕС на біомасі

Заводи на біомасі працюють на різних видах біопалива для виробництва електроенергії та/або тепла. Частина цих установок одразу були спроєктовані та побудовані для використання біомаси як сировини, проте деякі установки були переобладнані після відмови від використання викопних палив (зазвичай вугілля). Крім того, певні станції одночасно використовують різні типи палива (як біомасу, так і викопне паливо), тому частка біогенного CO2 на біомасових ТЕЦ і ТЕС варіативна: від 0% до 100%.

Кількість установок (викиди яких на 50% складаються з біогенного СО2):

• Північна Америка — 26;
• Європа — 111.

Щорічні викиди:

• Біогенний СО2 — близько 52,8 млн тонн (46 млн тонн в Європі та 6,8 млн тонн у США)

Концентрація CO2:

Від 5% до 15% залежно від типу палива та процесу спалювання. Теоретично можливо вловити близько 90% спродукованого CO2. Таким чином, значні обсяги біогенного CO2 можна уловлювати на установках на біомасі у всьому світі, що дає великий потенціал для технології Bio-CCS.

Приклади:

На кількох установках реалізується проєкт Bio-CCS, зокрема: Ørsted Avedøre, Asnæs (Данія), Drax (Великобританія), ENSO та Carburos Metalicos (Іспанія).

Заводи із переробки відходів в енергію (WtE)

Такі заводи (Waste-to-energy або WtE) спалюють відходи для виробництва тепла й електроенергії. Часто це побутові відходи: пластик, продукти харчування, папір тощо. У середньому приблизно половина відходів містить вуглець біологічного походження (наприклад, з харчових продуктів і паперу), тому орієнтовно 50% такого CO2 є біогенним. Згідно зі звітними даними 112 різних заводів WtE в Європі та США, середня біогенна частка в їхніх викидах CO2 становить 59%, проте дещо різниться залежно від обʼєкта.

Кількість заводів (Європа та Північна Америка):

• 112 (частка біогенного СО2 59% і більше);
• 489 (частка біогенного СО2 менше 59%).

Щорічні викиди:

• Біогенний СО2 — 52 млн тонн (Європа та Північна Америка).

Концентрація CO2:

Зазвичай коливається від 5% до 15%. Більшість заводів мають один або кілька димарів, розташованих поруч, що спрощує процес уловлювання. На заводах WtE рівень уловлювання становить 90% або більше, що створює чудові можливості для розвитку проєктів Bio-CCS.

Приклади:

Bio-CCS впроваджують на: Twence Hengelo (Нідерланди), Hafslund Oslo Celsio Klemetsrud (Норвегія, проєкт призупинено на момент написання), KVA Linth (Швейцарія) і Viridor Runcore (Велика Британія) та інших.

Цементні заводи

Часто стає несподіванкою, що цементні заводи викидають біогенний CO2. Близько 60% викидів відбуваються в результаті виробничого процесу за участі вапняку, який фактично складається із скам’янілостей (викопних решток). Так, коли вапняк та інші матеріали нагріваються в цементній печі для створення клінкеру, основного інгредієнта цементу, вивільняється побічний продукт — викиди CO2.

З іншого боку, викиди, пов’язані з енергетикою, в основному утворюються під час спалювання палива в цементній печі для забезпечення високих температур. Цементні заводи використовують багато різних видів палива, переважно викопного походження, а також осад стічних вод, відходи деревини, тваринництва тощо. Як наслідок, викиди CO2 від багатьох заводів містять 5%-15% біогенних викидів.

Кількість заводів:

• Північна Америка — 21;
• Європа — 93.

Щорічні викиди:

• Біогенний СО2 — близько 6,2 млн тонн (5,4 млн тонн в Європі та 0,8 млн тонн у США).

Концентрація CO2:

У димових газах коливається від 15% до 30%, залежно від палива та частки викидів від процесу. Кожен завод може мати від однієї до кількох точок викидів залежно від його конструкції. Деякі цементні заводи акумулюють відпрацьоване тепло, що може допомогти зменшити витрати на уловлювання. У результаті можна досягти рівня вловлювання 70-90% CO2.

Приклади:

Кілька цементних заводів розробляють проєкти з уловлювання викидів CO2, зокрема з частковим використанням Bio-CCS: Norcem Brevik (Норвегія), CBR Antoing (Бельгія), Lehigh Redding (США), Cementa Slite (Швеція) і Holcim Obourg (Бельгія) та інші.

Виробництво паперу і целюлози

Виробничий процес полягає в переробці деревини або інших рослинних матеріалів для виробництва паперу, картону та інших паперових виробів. Біогенні викиди CO2 продукується під час процесу виготовлення целюлози — розкладання рослинного матеріалу для вилучення целюлозних волокон. До того ж, інші етапи також можуть збільшувати викиди біогенного CO2 (наприклад, енергія, яка використовується для забезпечення виробничого процесу, може надходити від спалювання біомаси).

Целюлозно-паперові установки з біогенними викидами в Європі та Північній Америці. Джерело: CaptureMap від Endrava

Кількість установок:

• Північна Америка — 156;
• Європа — 130.

Щорічні викиди:

• Біогенний СО2 — 181 млн тонн (80 млн тонн в Європі та 101 млнтонн  у Північній Америці).

Концентрація CO2:

На котли відновлення часто припадає дві третини викидів CO2, а димові гази містять від 10% до 15 % CO2. Теплові (енергетичні) котли зазвичай відповідають за 20% викидів, і в їхніх димових газах також міститься 10-15% CO2. Решта викидів походить від виробництва вапна на місці, яке має концентрацію CO2 приблизно 15-30 % у димових газах.

Приблизно 70-90% загальних викидів CO2 можна вловити, що дає можливість працювати з великими обсягами біогенного CO2 для проєктів Bio-CCS.

Приклади:

Tanjungenim Lestari Pulp & Paper (Індонезія) — проєкт Bio-CCS на целюлозно-паперовому виробництві.

Виробництво спирту та цукру

Під час виробництва алкоголю біогенний CO2 виділяється в результаті бродіння органічних матеріалів (кукурудза, ячмінь і цукрова тростина). До нього додають дріжджі, щоб перетворити цукор на спирт. Окрім процесу бродіння, інші етапи виробництва харчового алкоголю також можуть викидати біогенний CO2. Наприклад, енергія, яка використовується для забезпечення виробничого процесу, може надходити від спалювання біомаси або іншого органічного палива.

Біомаса також використовується як джерело енергії в цукровій промисловості. Крім того, під час виробництва цукру може відбуватися певна ферментація (залежно від процесу), що призводить до біогенних викидів CO2.

Кількість установок:

• Європа та Північна Америка — 47.

Щорічні викиди:

• Біогенний СО2 — 4,5 млн тонн (Європа та Північна Америка. Викиди можуть бути заниженими, якщо CO2 від бродіння не враховується).

Концентрація СО2:

Виробництво електроенергії на цих станціях зазвичай має концентрацію CO2 від 2% до 5 %. Концентрація CO2 в результаті бродіння набагато вища й може сягати 80-90 %. Деякі цукрові заводи також мають на місці піч для випалювання вапна. Так, вона продукує 10-20 % викидів із концентрацією CO2 приблизно 15-30 % у димових газах. У результаті можна вловити до 90% викидів CO2 від спиртових і цукрових заводів.

Приклади:

На пивоварні Austin Beerworks (США) здійснюється уловлювання CO2 з використанням Bio-CCS, хоч і в невеликих масштабах.

---

Як там з біогазовими установками?

Біогаз, який у Північній Америці також називають відновлюваним природним газом (RNG), виробляється шляхом ферментації в метан харчових відходів та інших ресурсів на основі біомаси. Цей метан є чудовим відновлюваним джерелом енергії, яке використовується в енергетиці, транспорті та серед інших секторів.

Після процесу бродіння частка метану зазвичай становить 65%, а СО2 — 35%. Однак для більшості виробничих установок тільки частка метану комерційно цінна. Це призводить до відокремлення та викиду CO2 на місці. Такий потік CO2 має високу концентрацію, як правило, понад 98%, що робить його хорошою можливістю для збору біогенного CO2 за низьких витрат.

Недоліком є ​​те, що більшість біогазових заводів викидають обмежену кількість CO2. Вона коливається від 10 000 тонн на рік для середніх установок та до 40 000 тонн на рік або більше — для великих. Крім того, у більшості країн викиди CO2 часто не обліковуються, що ускладнює моніторинг наявності біогенних обсягів CO2.

---

Джерело: CaptureMap.