Transitietechnologie - Factsheets energietechnologieën

CO2-afvang

Stand van de techniek

Technologiebeschrijving
Er zijn drie systemen om CO₂ af te vangen: post-combustion, pre-combustion en oxy-fuel combustion.

Bij post-combustion worden fossiele brandstoffen op conventionele wijze verbrand en wordt het CO₂ uit de uitlaatgassen afgescheiden door bijvoorbeeld amine scrubbing.

Bij pre-combustion reageert de fossiele brandstof met zuurstof en lucht, waarbij een CO en waterstof mengsel ontstaat. Bij conversie in een water shift reactor (met stoom) wordt er CO₂ en meer waterstof geproduceerd. Het CO₂ wordt afgescheiden en het waterstof gebruikt voor stroomopwekking of als brandstof.

Bij oxyfuel combustion worden de kolen of het gas met zuivere zuurstof verbrand. Hierdoor wordt er zuiverder CO₂ geproduceerd, waardoor de afvang van CO₂ minder energie kost.

Er zijn enkele processen bij raffinaderijen en in de kunstmestindustrie waarbij CO₂ in zuivere of sterk geconcentreerde vorm vrijkomt, afscheiding is dan niet nodig.

Transport van CO₂ wordt binnen Nederland vooral via pijpleidingen voorzien (Dijk en Stollwerk, 2002). Een alternatief is om het per schip te vervoeren, wat nu beperkt gebeurt voor industriële toepassingen van CO₂. Bij korte afstanden (> 1000 km) is vervoer per schip echter economisch onaantrekkelijk (Gale, 2002). CO₂ zal in een pijplijn in superkritische toestand worden getransporteerd (80-120 bar) en moet een zuiverheid van tenminste 95% hebben. Het moet vrij zijn van water (‘Quality Specifications’, 2002).

CO₂ kan in superkritische toestand geïnjecteerd worden in geologische reservoirs. Er moet hiervoor op de opslaglocatie aan bepaalde voorwaarden voor druk en temperatuur zijn voldaan. Daarnaast geldt voor alle mogelijke opslagplaatsen dat weglekken idealiter uitgesloten is. Eventueel kan een lekpercentage worden toegelaten als het niet tot ernstige effecten voor gezondheid van mens en dier, en voor behoud van ecosystemen leidt. Ook moet het niet zo veel worden dat het een significante bron van broeikasgasuitstoot wordt.

Deze voorwaarden houden in dat de reservoirs tussen de 800 en 4000 meter diep moeten zijn, een ondoordringbare ‘cap’ moeten hebben, en minstens 10 tot 20 Mton CO₂ moeten kunnen bevatten.

Geologische opslag van CO₂ kan op vier verschillende manieren gebeuren:
Enhanced Oil Recovery (EOR). Na exploitatie van een olieveld, is vaak nog zo’n 40-60% van de olie niet winbaar aanwezig. Door het injecteren van CO₂ in zo’n ‘uitgeput’ veld wordt de olie gemobiliseerd en kan de opbrengst verhoogd worden. Het CO₂ blijft in principe achter.
Enhanced Coal Bed Methane recovery (ECBM) CO₂ verdringt methaan dat in de poriën zit van koollagen waar mijnbouw niet mogelijk is. Op de plek van 1 methaanmolecuul kunnen zeker twee CO₂-moleculen geabsorbeerd zitten. Het methaan kan gebruikt worden voor energieopwekking, en levert dus klimaatneutrale energie op.
Gasvelden of -opslagplaatsen Gasvelden hebben aangetoond gas voor miljoenen jaren te kunnen vasthouden. Lege gasvelden zouden dus geschikt kunnen zijn als reservoir voor CO₂-opslag.
Saline aquifers De opslag van CO₂ in een diepgelegen, afgesloten zoutmeer onder land of zee. Er is reden om aan te nemen dat de kap van sommige van deze ondergrondse watermassa's ondoordringbaar is.

Huidige toepassing
CO₂-afscheiding gebeurt momenteel alleen in de gaswinning. In de gaswinning is het methaan vaak onverkoopbaar omdat het vermengd is met CO₂. Dat moet worden afgescheiden en wordt normaal naar de atmosfeer geëmitteerd.

CO₂ wordt vooral in de Verenigde Staten al veel getransporteerd. Daar ligt een 3100 km lang netwerk van CO₂-pijpleidingen, die een jaarlijkse capaciteit van ca. 44 Mton CO₂ hebben.

In Noord Amerika wordt EOR al veel toegepast (bijna 80 plaatsen), maar op slechts één plek met het doel om CO₂ uitstoot te verminderen (Weyburn). Met ECBM en EGR zijn nog geen demonstratieprojecten uitgevoerd. De opslag van CO₂ in een diepgelegen, afgesloten zoutmeer onder zee wordt in Noorwegen gedaan in een project van Statoil (0,8 Mton CO₂ per jaar, vanaf 1996). Er staat nog een aantal demonstratieprojecten in de planning, onder andere in Polen, Nederland, Duitsland, Algerije en weer in Noorwegen.

Ontwikkelingsfase en verbeteropties
Omdat CO₂-afscheiding soms al moet gebeuren is het een bekende techniek. Er kan echter, vooral met onzuivere stromen, nog veel aan efficiëntieverbeteringen worden doorgevoerd. In Nederland wordt daar veel onderzoek naar gedaan, zowel aan systeemintegratie, gecombineerde waterstofproductie (pre-combustion) als aan afscheiding door bijvoorbeeld membraantechnieken.

Transport van CO₂ is een uitontwikkelde technologie waarvan niet wordt verwacht dat ze problemen oplevert. Het is een contante kostenpost voor afvang en opslag van CO₂ en er zijn geen doorbraken te verwachten. Het is zaak om bij het ontwikkelen van een opslagproject de bron en sink van het CO₂ zo dicht mogelijk bij elkaar te plannen en een zo groot mogelijk volume te bereiken om de transportkosten te beperken.

Alle vormen van CO₂-opslag bevinden zich nog in de ontwikkelingsfase. De ene methode is verder dan de andere, maar grootschalige CO₂-reducties zijn nog niet bereikt.

Technische gegevens en kostenaspecten
CO₂-afvang (en compressie voor transport of opslag) is de meest dure en energie-intensieve stap in het afvang en opslag proces van CO₂. Het onderzoek richt zich er nu sterk op om de ‘energy penalty’ hiervan te minimaliseren. Hoe meer energie er immers wordt gebruikt bij het afvangen van CO₂, des te minder ‘winst’ wordt er geboekt bij de reductie van CO₂, omdat die energie moet worden opgewekt. De relatieve rendementsdaling van een elektriciteitscentrale bij afscheiding en compressie van CO₂ komt neer op 16-35%).

De transmissiekosten zijn sterk afhankelijk van de afstand en de schaal van de leidingen en variëren van 0,4 tot 13 US$/ton CO₂/100 km (Freund and Davison, 2002).

CO₂-opslag is altijd een extra kostenpost voor elektriciteitsproductie en het is dus ondenkbaar dat het zonder stimuleringsmaatregelen ooit zal kunnen concurreren met fossiele energiebronnen zonder opslag. De meerkosten voor elektriciteit worden grotendeels bepaald door de afvangstap. Transport levert ook een kostenstijging op, maar in een klein land als Nederland kan dat beperkt gehouden worden. De opslag (dat wil zeggen: het boren van de toevoer en het monitoren van het CO₂) is niet dominant in de kosten maar als de verwachte verbeteringen in de afvangmethoden doorzetten kan het aandeel toenemen.

Voor afvang en opslag van in industrie (raffinaderijen en kunstmestindustrie) waar CO₂ in zuiver vorm beschikbaar komt zijn de kosten beduidend lager (ca. 20 €/ton CO₂) dan in de elektriciteitsproductiesector (45-70 €/ton CO₂) (ECN/RIVM, 1998).

Bron: ECN-rapport ECN-C--04-020, 2004