sou · H8B34 · 2020-01-29 00:00:00 — utsläpp som härrör från oxidation, van- ligtvis förbränning, av biomassa inklusive biogena avfallsfraktioner och restmaterial. På engelska talar man om bio-energy with carbon capture and storage, BECCS, och den termen används även i . Bakgrund om CCS inklusive bio-CCS Termerna bio-CCS och BECCS är att betrakta som synonymer och idetta betänkande används genomgående benämningen bio-CCS. Bio-CCS är en delmängd av CCS; i tekniskt avseende är det ingen skillnad om koldioxiden som avskiljs, transporteras och lagras är av fossilt eller biogent ursprung. Däremot kan sammansättningen av rökgaser skilja sig åt mellan olika typer av anläggningar och beroende på bränsleval, vilket i sin tur kan påverka de tekniska förutsättningarna. Ur ett klimatpolitiskt perspektiv och rent bokföringsmässigt är dock skillnaden mellan fossil CCS och bio-CCS väsentlig. CCS tillämpat på fossil koldioxid är att betrakta som en utsläppsmins- kande åtgärd på samma sätt som ett byte från fossila bränslen till biobränslen eller en energieffektiviseringsåtgärd. Bio-CCS däremot ger upphov till ett negativt koldioxidutsläpp, dvs. ett upptag av kol- dioxid från atmosfären, förutsatt att den använda biomassan är håll- bart producerad. Den bakomliggande mekanismen för detta är att hållbart framställda biobränslen är utsläppsneutrala vad gäller koldi- oxid genom att biomassan under sin livstid tagit upp den koldioxid från atmosfären som avges vid oxidationen (förbränningen) och vid återväxten tas motsvarande mängd koldioxid åter upp. Genom att bio-CCS förhindrar att koldioxiden återgår till atmosfären blir resultatet ett negativt utsläpp, dvs. ett flöde av koldioxid bort från atmosfären. De utsläpp som uppstår vid produktion och transport av bio- massa ingår i utsläppsrapporteringen. Exempelvis redovisas utsläpp från arbetsmaskiner och transporter i transportsektorn samt utsläpp och upptag kopplade till själva biomassan i sektorn markanvändning, förändrad markanvändning och skogsbruk (land use, land use change and forestry, LULUCF). Avskild koldioxid kan användas i produkter i stället för att lagras permanent. På svenska kan detta kallas avskiljning och användning av koldioxid men ofta används den engelska termen CCU som är en förkortning av carbon capture and utilisation (eller use). Exempel på produkter där avskild koldioxid kan användas som insatsvara är drivmedel, material (t.ex. plaster) och växthusodlade grödor. Till skillnad från permanent koldioxidlagring innebär CCU i normalfallet att den avskilda koldioxiden återgår till atmosfären . Hur lång den temporära lagringen är beror på produktens livs- längd eller beständighet. Exempelvis medför användning av avskild koldioxid i drivmedel endast en kortvarig lagring medan användning Bakgrund om CCS inklusive bio-CCS i material kan ge en mer långvarig lagring. CCU beskrivs mer utför- ligt i kapitel 18. är efterfrågan på koldioxid mycket liten i förhållande till utsläppen av koldioxid. används termen CCUS, carbon capture, utilisation (eller use) and storage, för att med ett begrepp omfatta både CCS och CCU. Koldioxid kan bildas vid exempelvis fermentering av biomassa, som ett resultat av en oorganisk kemisk reaktion eller vid förbränning av fossilt eller biogent bränsle. Fermentering, också benämnt jäsning, av biomassa kan nyttjas vid produktion av metanol eller etanol. Vid fermentering erhålls ofta koldioxid i hög koncentration. Koldioxid kan också bildas vid pro- duktion av biogas. Vid tillverkning av cement upphettas kalksten så att kalciumoxid bildas och koldioxid avgår. Detta är ett exempel på en oorganisk kemisk reaktion som ger upphov till koldioxid. Några procent av fossila koldioxidutsläpp utgörs av denna typ av utsläpp från cement- och kalkframställning. Reduktion av järnmalm med kol är en annan process som ger upphov till denna typ av koldioxidutsläpp. Förbränning av bränslen är dock den process som ligger bakom merparten av koldioxidutsläppen i och världen. Nedanstå- ende beskrivning av koldioxidavskiljning tar sin utgångspunkt i kol- dioxid som bildas vid förbränning. När rökgasen lämnar skorstenen vid en industri eller ett värme- kraftverk består den i vanliga fall endast till en mindre del av kol- dioxid. Den huvudsakliga beståndsdelen är normalt kvävgas, som också är den dominerande beståndsdelen i luft. Andelen koldioxid i rökgasen ligger generellt i intervallet från några procent upp till , även om ett fåtal industriprocesser ger högre koncentra- tioner. Koldioxidkoncentrationen i luft är som jämförelse 0,04 pro- cent. Bakgrund om CCS inklusive bio-CCS Det skulle vara opraktiskt och kostsamt att transportera och lagra rökgasen i sin helhet. Det är inte heller tillåtet inom EU, se kapi- tel 12. Därför bygger CCS på att koldioxid avskiljs från rökgasen så att andelen koldioxid i gasen som ska transporteras och lagras blir hög. Även om det är tekniskt möjligt att uppnå en nära hundrapro- centig koncentration av koldioxid efter avskiljning anses inte heller detta vara optimalt, eftersom det skulle vara mycket dyrt att åstad- komma och medföra ringa nytta. Små mängder av rökgasens övriga beståndsdelar och ämnen från avskiljningsprocessen finns därför normalt kvar i den gas som ska transporteras och lagras. Avskiljningssteget är oftast det mest kostnadsdrivande i CCS- kedjan. Avskiljning av koldioxid från rökgaser medför fasta kost- nader för utrustning men framför allt rörliga kostnader, primärt på grund av ökad energianvändning. Kostnaderna för CCS behandlas i kapitel 9. Det finns en stor mängd tekniska lösningar för att åstadkomma koldioxidavskiljning. Ofta delas de tekniska lösningarna in i tre kate- gorier: avskiljning före förbränning, avskiljning efter förbränning och oxyfuel-förbränning. Vid avskiljning före förbränning transformeras bränslet genom olika processteg till vätgas och koldioxid, vilket är energikrävande. Vät- gasen kan exempelvis användas till kemikalieproduktion, som driv- medel eller för elproduktion (som då sker utan koldioxidutsläpp). Koldioxidhalten i rökgaserna blir hög vid avskiljning före förbrän- ning men behöver höjas ytterligare före transport till lagringsplats. Eftersom koncentrationen av koldioxid är hög och gasen dessutom är under tryck kan dock detta åstadkommas med mindre medel än om rökgaser från konventionell förbränning är utgångsmaterialet. Bakgrund om CCS inklusive bio-CCS Luft, syrgas och/eller ånga Källa: Modifierad från , . Avskiljning före förbränning förutsätter trycksatt förgasning av bräns- let, eller trycksättning av processgaserna vid atmosfärisk förgasning, före avskiljningsprocessen. Oavsett vilket blir konsekvensen ett mer komplext tekniskt system med höga kapitalkostnader för tekniska installationer jämfört med de två övriga teknikkategorierna. Det är också svårt att tillämpa avskiljning före förbränning på en befintlig anläggning, eftersom det skulle kräva omfattande processmodifika- tioner. Slutligen är avskiljning före förbränning den minst mogna av de tre teknikkategorierna för avskiljning för fasta bränslen. Avskilj- ning före förbränning har dock, under vissa platsspecifika förutsätt- ningar, potential att erbjuda koldioxidavskiljning med lägre energi- förluster än övriga kategorier. Vid avskiljning efter förbränning renas rökgasen från koldioxid, van- ligtvis genom att koldioxiden absorberas av en kemisk förening (en absorbent). Detta sker i en s.k. kolonn där rökgasen blandas med absorbenten. I ett därpå följande processteg skiljs koldioxiden från absorbenten som därefter kan återanvändas, vilket är en system- förutsättning. Exempel på möjliga absorbenter är aminer, ammoniak och kaliumkarbonat, där den förstnämnda är mest använd . Bakgrund om CCS inklusive bio-CCS När en amin används som absorbent är det energikrävande att fri- göra den absorberade koldioxiden från aminen. Om i stället kalium- karbonat används som absorbent är det trycksättning av rökgaserna som är energikrävande. Generellt är den höga energiåtgången den huvudsakliga nackdelen med avskiljning efter förbränning. Det finns alternativa tekniker för avskiljning efter förbränning som inte bygger på användandet av en kemisk absorbent. Koldioxi- den i rökgasen kan t.ex. fångas upp av membran. Källa: Modifierad från , . Avskiljning efter förbränning kan tillämpas på befintliga anlägg- ningar utan omfattande modifikationer av de redan existerande pro- cesserna, även om modifikationer ibland kan ge fördelar. Avskiljning efter förbränning är den enda avskiljningsmetoden som går att tillämpa på samtliga typer av utsläppskällor, eftersom koldioxidavskiljningen sker efter sista processteget i en industri eller på ett kraftverk. Avskiljning efter förbränning är en kommersiellt tillämpad teknik som får anses vara relativt mogen. Forskning pågår om hur energiåtgången per avskild enhet koldioxid kan sänkas. Oxyfuel-förbränning innebär att förbränningen sker i en blandning av syrgas och återcirkulerad rökgas i stället för i luft. Rökgaserna kommer då övervägande att bestå av koldioxid och vatten. Vattnet kan enkelt avlägsnas från rökgaserna genom kondensering, varefter kol- dioxid erhålls i hög koncentration. Bakgrund om CCS inklusive bio-CCS Källa: Modifierad från , . Att framställa syrgas ur luft är en väl etablerad teknik. Processen är dock energikrävande, vilket är den huvudsakliga nackdelen med oxyfuel-förbränning. Även kapitalkostnaderna är betydande för den utrustning som krävs för syrgasframställning. Oxyfuel-förbränning kan vara svår att tillämpa på befintliga an- läggningar, i synnerhet på industrier, eftersom det kräver process- modifikationer. Tekniken har verifierats i sin helhet i pilot- och demonstrationsanläggningar (bl.a. av vid kolkraftverket Schwarze Pumpe i ) och bygger på processteg som vart och ett är en etablerad teknik. Tekniken i sin helhet bedöms därmed vara relativt mogen, om än inte lika kommersiellt tillämpad som avskilj- ning efter förbränning. En variant av oxyfuel-förbränning är s.k. kemcyklisk förbrän- ning, vilket även kan betraktas som en separat teknikkategori. Denna teknik bygger på principen att förbränningsluft och bränsle hålls helt åtskilda. Detta kan åstadkommas med en syrebärare i form av en metalloxid som transporterar syret från luften till bränslet. På detta sätt späds förbränningsprodukterna, alltså koldioxid och vattenånga, inte ut med den stora mängd kvävgas som finns i luft. Efter konden- sering av vatten erhålls idealt ren koldioxid utan ytterligare pro- cessteg. Kemcyklisk förbränning har potential att kunna erbjuda lägre kost- nader och energiförluster än de tidigare nämnda teknikerna, men kemcyklisk förbränning är ännu inte en kommersiellt tillämpad teknik. Tekniken är föremål för fortsatt forskning och utveckling, bl.a. vid . Bakgrund om CCS inklusive bio-CCS Luft med mindre syre Val av teknik för avskiljning av koldioxid Det är inte möjligt att avgöra vilken eller vilka avskilj- ningstekniker som kan komma att bli dominerande . De olika avskiljningsteknikerna har alla styrkor och svagheter och det går inte att förutse vilka eventuella tekniksprång som kommer att ske. Valet av teknik kommer också i hög grad att vara beroende av platsspecifika förutsättningar. Exempel på sådana mer specifika för- utsättningar är platstillgång för avskiljningsutrustning, tillgång till överskottsvärme, möjlighet att ta till vara spillvärme genom fjärr- värme, koldioxidkoncentration i rökgaserna samt om installationen sker på en befintlig anläggning eller inte. Det är viktigt att poängtera att det tekniskt sett är utan betydelse om koldioxiden som avskiljs kommer från biomassa eller från ett fossilt bränsle, eftersom koldioxidmolekylen är densamma. Däremot ger förbränning av olika bränslen upphov till rökgaser med olika sam- mansättning, vilket i sin tur kan ha stor betydelse för val av avskilj- ningsteknik, kostnaden för avskiljningen och eventuellt även för senare led i CCS-kedjan. Det är inte ovanligt att en anläggning har koldioxidutsläpp av både biogent och fossilt ursprung. Detta är exem- pelvis fallet för avfallsförbränningsanläggningar, eftersom hushålls- avfall innehåller både biogena och fossila fraktioner. Innan den avskilda koldioxiden kan transporteras vidare till en lagringsplats behöver den komprimeras oavsett om transporten sker via rörledning eller fartyg, även om transportsättet har betydelse för Bakgrund om CCS inklusive bio-CCS vilket tryck som behöver uppnås. Att komprimera koldioxid är tek- niskt okomplicerat men energikrävande. Avskild koldioxid behöver transporteras till en lämplig lagringsplats. Detta sker i första hand via rörledning eller fartyg. Koldioxiden trans- porteras under tryck för att minska volymen. De stora volymerna koldioxid vid CCS är skälet till att andra transportalternativ än rör- ledning och fartyg sällan är aktuella, inte minst av kostnadsskäl. För korta sträckor och begränsade volymer kan dock transport av koldi- oxid i flytande form på lastbil eller tåg vara ett alternativ under vissa förutsättningar. Exempelvis kan lastbil eller tåg användas för trans- port mellan avskiljningsanläggning och djuphamn, varifrån vidare transport kan ske per fartyg om det av något skäl inte är lämpligt eller möjligt att anlägga en kort rörledning. Transport av koldioxid via rörledning Rörledningstransport är generellt en mycket väl etablerad teknik, och erfarenheten av storskalig och långväga rörledningstransport av gasformiga kolväten spänner över flera decennier. Det finns rör- ledningar dragna i alla typer av terräng och klimat, inklusive i , längs havsbottnen och över bergskedjor. Även rörledningstransport av koldioxid sker i stor skala, primärt i syfte att leverera koldioxid för s.k. enhanced hydrocarbon recovery (en metod för att öka utvinningen av naturgas och olja) i bl.a. . I mindre skala transporteras koldioxid i rörledningar även i och i . Mängden koldioxid som ska transporteras avgör vilken dimen- sion som väljs för rörledningen. Att välja dimension kan vara en svår avvägning, eftersom större dimensioner ökar kostnaden, men om en situation skulle uppstå där transportbehovet överstiger rörledning- ens kapacitet måste en ny rörledning byggas. Metoder för att övervaka rörledningstransporter finns tillgängliga, vilket gör att eventuella läckage av koldioxid kan identifieras och fel åtgärdas. Om ett läckage sker där människor vistas finns risk för hälsa och liv, eftersom koldioxid över en viss koncentration är död- Bakgrund om CCS inklusive bio-CCS Risken för läckage av koldioxid är dock sannolikt låg; enligt FN:s klimatpanel IPCC är risken för läckage, med utgångspunkt i rappor- terade incidenter med naturgas i rörledningar, ungefär 0,0002 per kilometer rörledning och år.1 Flertalet av dessa läckage inträffade dessutom på rörledningar av mycket små dimensioner i distributions- nät. Den vanligaste orsaken till läckage av naturgas var mekanisk åverkan utifrån, exempelvis av arbetsmaskiner. Koldioxid kommer dock inte att transporteras i rörledningssystem som liknar distributionsnät för naturgas, eftersom avskiljning av kol- dioxid i första hand är aktuell vid stora punktkällor. Rörledningarna kommer därmed att vara av betydligt större dimensioner. Koldioxid transporteras med fartyg i . Volymerna koldioxid som hanteras är dock små, och slutmålet för transporterna är inte ett permanent koldioxidlager utan användning av koldioxiden inom exempelvis livsmedelsindustrin (dvs. Fartygstransport av koldioxid liknar dock i tekniskt avseende transport av vissa flytande kolväten, t.ex. naturgas och petroleumgas, s.k. liquified natural gas (LNG) och liquified gas (LPG). Av dessa verksamheter finns betydande erfarenhet i tiden. Samma varv som bygger LNG- och kan också bygga fartyg för koldioxidtransport, och fartygen kan byggas så stora som behövs. Dagens stora skulle, om de var byggda för koldioxidtransport, kunna frakta över . De fartyg som fraktar koldioxid är dock betydligt mindre än så. Där transporteras dessutom koldioxiden nedkyld och under tryck, så att den är i flytande form och har hög densitet. Koldioxid som avskiljs vid en anläggning måste mellanlagras på land i väntan på fartygstransport till lagringsplatsen. Den minsta möj- liga storleken på mellanlagret avgörs huvudsakligen av hur mycket koldioxid som hinner avskiljas mellan två planerade fartygstrans- porter. Storleken på mellanlager och fartyg, samt hur många fartyg som används, beror bl.a. på avståndet till lagringsplatsen och an- passas så att detta passar det aktuella . 1IPCC (2005). Bakgrund om CCS inklusive bio-CCS Under transporten förångas en viss mängd av koldioxiden inuti tankarna, vilket skulle höja trycket om den inte ventilerades. En viss förlust av koldioxid (någon procent av transporterad last) sker där- för normalt under transporten. Fartygstransporterna av koldioxid inom ramen för det norska s.k. (se kapitel 9) ska dock kunna ske utan förlust av last, med undantag för en bråkdels procent vid lastning och lossning.2 Fartyg som fraktar koldioxid kan angöra en hamn för lossning av lasten eller lossa till havs i anknytning till lagringsplatsen. Lossning till havs kan dock vara svårt i områden med ibland svåra väderförhål- landen, t.ex. på . Om inte fartyget ska tvingas stanna kvar medan koldioxiden injekteras i lagret krävs därför mellanlager även vid lossningsplatsen. Risken för att en olycka skulle leda till läckage av koldioxid från ett fartyg bedöms vara låg, med utgångspunkt i erfarenheterna från LNG- transporter. Det har inte inträffat någon olycka med LNG- fartyg som orsakat läckage av naturgas, efter mer än 80 000 hamnanlöp under mer än 50 år.3 Ett utsläpp av flytande koldioxid till havs för- väntas inte heller leda till långsiktiga miljöeffekter (vid sidan av klimatpåverkan), till skillnad från exempelvis utsläpp av petroleum- produkter. De kortsiktiga riskerna för miljö och hälsa vid ett läckage är dock inte helt klarlagda, eftersom det är svårt att förutse hur en större mängd flytande och mycket kall koldioxid skulle bete sig i kontakt med havsvatten. I teorin kan koldioxid lagras på ett stort antal sätt. Eftersom kvanti- teten koldioxid som ska lagras vid CCS är mycket stor, och eftersom syftet med CCS är att permanent isolera lagrad koldioxid från atmo- sfären, begränsas dock i praktiken lagringsalternativen väsentligt. Det är t.ex. möjligt att låta avskild koldioxid reagera med vissa mineraler i en industriell process som mineraliserar koldioxiden, men voly- merna som måste hanteras blir mycket stora, liksom energi- åtgången för mineralbrytning, krossning, transporter och värmepro- 2Northern Lights, Per , personlig kommunikation (2019). 3Pitblado m.fl. (2004). Bakgrund om CCS inklusive bio-CCS duktion för att snabba på reaktionsprocessen. Det är också utma- nande att uppnå en tillräcklig hastighet i mineraliseringsprocessen. Injektering av koldioxid i djuphavet har diskuterats som ett möj- ligt lågkostnadsalternativ, men det finns avgörande frågetecken kring bl.a. lagringens permanens och miljökonsekvenserna. Lagring i djup- vatten är därför uttryckligen förbjudet inom EU och enligt inter- nationell rätt. Det lagringsalternativ som är huvudspåret för CCS är istället s.k. geologisk lagring av koldioxid. Sådan lagring kan i sin tur ske på olika sätt. Lagring i s.k. djupt liggande akviferer är ett tekniskt sett moget alternativ som bedöms ha störst potential. Andra alter- nativ är mineralisering av koldioxid genom injektering i basiska berg- arter som basalt och inbindning av koldioxid genom injektering i djupt liggande kollager. De båda sistnämnda alternativen har i teorin en betydande potential globalt sett, dock inte i på grund av geologiska förutsättningar, men det behövs ytterligare forskning i stor utsträckning innan det går att avgöra alternativens potential i praktiken. IPCC bedömer att det är sannolikt att eller mer av den koldioxid som injekteras i en lämplig lagringsplats finns kvar efter 1 000 år.4 Den bedömningen bygger inte bara på erfarenheter från nutida lagringsprojekt av koldioxid och simuleringar utan även på observationer av hur gas och kolväten förekommer naturligt i berg- grunden. Den globalt sett rikliga förekomsten av olje-, naturgas- och koldioxidfickor visar att kolväten och gaser kan hållas kvar i geolo- giska formationer i tiotals miljoner år. De tekniker som krävs för geologisk lagring av koldioxid, inklu- sive för datorsimulering av lagringsplatsen och för övervakning av injekterad koldioxid, har utvecklats inom olje- och gasindustrin, men de kan även tillämpas för CCS med små modifikationer. 4IPCC (2005). Bakgrund om CCS inklusive bio-CCS Lagring i djupt liggande akviferer geologiska undersökning (SGU) överlämnade 2017 en rap- port5 till regeringen om geologisk lagring av koldioxid i som svar på ett uppdrag i myndighetens regleringsbrev. Rapporten ligger till grund för nedanstående text om lagring av koldioxid i akviferer. En akvifer definieras av SGU som en regionalt utbredd men ändå geometriskt och strukturellt avgränsad berggrundsstruktur som är tillräckligt permeabel och porös för att kunna hålla stora volymer vatten. Porositeten anger hur stor andel av akviferbergarten som ut- görs av porer. Högre porositet innebär mer plats för injekterad kol- dioxid, vilket i sin tur ökar potentialen för lagring. Sandstensakviferer har ofta en porositet på mellan , vilket är förhållande- vis mycket. De är därför väl ägnade för koldioxidlagring. Permeabiliteten är ett mått på akviferbergartens förmåga att släppa igenom vatten eller gas. Vid låg permeabilitet krävs ett högre injek- teringstryck och för att injektera en given mängd koldi- oxid, jämfört med om permeabiliteten är hög. Hur mycket och hur snabbt koldioxid kan injekteras i en akvifer beror också på akviferens mäktighet (tjocklek), där stor mäktighet innebär en fördel. Akviferer med hög permeabilitet (över 100 mD, där D betecknar enheten darcy) och en mäktighet av är därför att föredra vid kol- dioxidlagring. Med en djup akvifer avses en akvifer som befinner sig på sådant djup att trycket är så högt att koldioxid kan lagras i s.k. superkritiskt tillstånd. Koldioxid uppnår superkritiskt tillstånd när temperaturen överstiger och trycket 73,9 bar. Generellt gäller att en akvifer måste ligga på för att dessa kriterier ska upp- fyllas. En given mängd koldioxid i superkritiskt tillstånd har avsevärt lägre volym än motsvarande mängd koldioxid i gasform. Densiteten för koldioxid (i gasform) vid atmosfärstryck är /dm3 medan densiteten som superkritisk vätska överstiger /dm3. 5Sveriges geologiska undersökning (2017). Bakgrund om CCS inklusive bio-CCS En förutsättning för att en akvifer ska kunna erbjuda möjlighet till koldioxidlagring är att det finns en tät (mycket låg permeabilitet) takbergart ovanför akviferen. Takbergarten ska även vara fri från sprickor och helst vara av större mäktighet än . Takberg- arten ska bilda en ogenomtränglig barriär för koldioxiden och för- hindra att koldioxid når markytan. Exempel på möjliga takbergarter är lera, lersten och lerskiffer. Koldioxid som injekteras i en djup akvifer binds genom fyra olika bindningssätt: 1.Den superkritiska koldioxiden är lättare än det omgivande vattnet varför koldioxiden stiger uppåt i akviferen för att ansamlas i por- utrymmena under takbergarten, som förhindrar att koldioxiden stiger ytterligare. Detta sker relativt snabbt, vilket medför att detta bindningssätt dominerar inledningsvis. 2.En stor del av koldioxiden binds eller fastnar i mikrofällor i berg- arten när koldioxiden stiger uppåt mot takbergarten. 3.Koldioxiden löser sig långsamt i akviferens vatten som då ökar i densitet och börjar sjunka. I storleksordningen koldioxid kan lösa sig i en kubikmeter av akviferens vatten, men mängden beror på tryck och salthalt. kan cirka en fjärdedel av koldioxiden ha löst sig i akviferens vatten. 4.På lång sikt sker en mineralisering av koldioxiden genom att den reagerar med mineraler i berggrunden. Mineraliseringen är dock en långsam process som blir betydelsefull först i ett tidsperspek- tiv .