Süsinikdioksiidi sidumine ja ladustamine

Süsinikdioksiidi sidumine ja ladustamine ehk CCS ("Carbon capture and storage") tähendab süsihappegaasi (CO2) eraldamist fossiilkütuste põletamisel elektrijaamades ja teistes tööstusharudes tekkivatest emissioonidest ja sidumist eesmärgiga vältida selle sattumist atmosfääri. See on üks võimalus, mis võiks leevendada fossiilkütuste põletamise mõju globaalsele soojenemisele. Protsessi käigus seotakse punktallikates tekkinud süsinikdioksiid, surutakse see kokku ja ladustatakse sobivasse geoloogilisse struktuuri, ookeani või seotakse karbonaatsete mineraalidena.
CO2 sidumine.
Süsihappegaasi sidumist teostatakse enamasti suurte emissioonidega punktallikate, näiteks fossiilkütuseid või biomassi põletavate elektrijaamade, maagaasi töötlemise ja sünteetiliste kütuste tehaste juures. Süsihappegaasi on võimalik siduda ka õhust, mida ei piira oluliselt asukohavalik ega süsihappegaasi sidumisele järgnev transport, kuid raskendab õhu madal CO2 kontsentratsioon.
Suhteliselt suurtes kogustes toodavad süsihappegaasi kääritamisel ka pärmseened ja bakterid. Etanooli tootmisel tekib massi järgi etanooliga peaaegu sama palju süsihappegaasi, mida võiks seejärel ladustada. Aastaks 2012 ennustatakse etanooli aastase tootmise kasvu ligikaudu 80 miljoni kuupmeetrini.
Süsihappegaasi sidumiseks eristatakse kolme põhilist tehnoloogiat: põletusjärgne sidumine, põletuseelne sidumine ja hapnikus põletamine.
Põletusjärgne sidumine.
Põletusjärgse sidumise puhul eemaldatakse CO2 kütuse põletamisel tekkivatest suitsugaasidest. Seda tehnoloogiat kasutatakse põhiliselt fossiilkütuseid kasutavates elektrijaamades ja teistes suurtes punktallikates. See on kolmest variandist kõige põhjalikumalt välja töötatud, kuid siiski vähe kasutust leidnud tehnoloogia.
Põletuseelne sidumine.
Põletuseelset sidumist kasutatakse laialdaselt väetiste tootmisel, keemiatööstuses, gaasiliste kütuste ja elektri tootmisel. Selle tehnoloogia puhul oksüdeeritakse fossiilkütus osaliselt, tekkinud CO ja veeaur reageerivad süsihappegaasiks ja molekulaarseks vesinikuks. CO2 saab seejärel eemaldada suhteliselt puhtal kujul enne põletamist ja H2 on võimalik kasutada kütusena.
Hapnikus põletamine.
Hapnikus põletamise puhul põletatakse kütus õhu asemel hapnikus. Sellise põletamise puhul koosnevad tekkinud suitsugaasid peaaegu täielikult süsihappegaasist ja veeaurust. Veeaur kondenseeritakse ja süsihappegaasi saab otse põletamisejärgselt juhtida ladustamisele. Selle tehnoloogia eeliseks on see, et atmosfääri satub vaid kondenseerunud vees lahustunud CO2, eelnevate tehnoloogiate puhul eemaldatakse suitsugaasidest vaid osa süsihappegaasist. Võrreldes teistega on selle tehnoloogia puuduseks õhust eemaldamise energiamahukus.
Õhust süsinikdioksiidi eemaldamine on veel suhteliselt uus tehnoloogia ning seda on vähe uuritud. See võiks leida kasutust linnade lähedal, kus on tulenevalt liiklusest tegu hajutatud süsihappegaasi allikatega. Uurimuse kohaselt jääb sellise tehnoloogia maksumus vahemikku 80–250 USA dollarit ühe tonni süsihappegaasi kohta.
Transport.
Sidumisjärgselt tuleb süsihappegaas transportida ladustamisele, tavaliselt on kõige efektiivsem seda teha torustiku kaudu. Ameerika Ühendriikides on kokku 5800 km torusid, mille kaudu juhitakse süsihappegaasi naftamaardlatesse, kus see naftaga seguneb. Tulemusena suureneb maardlas rõhk, nafta muutub vedelamaks ning seda saab kergemini välja pumbata, lisaks jääb suurtes kogustes süsihappegaasi tühjaks pumbatud maardlasse.
Ladustamine.
Süsihappegaasi on pikaajaliselt võimalik ladustada mitmel viisil: ladustatuna geoloogilisse struktuuri, ookeani või metallioksiididega reageerimisel tekkinud stabiilsete karbonaatsete mineraalidena.
Geoloogiline ladustamine.
Geoloogilise ladustamise puhul pumbatakse ülekriitilisse olekusse viidud süsihappegaas (ülekriitiline süsinikdioksiid) otse mõnda geoloogilisse struktuuri, näiteks nafta- või gaasimaardlasse, kivisöe vahekihti, soolasesse põhjaveekihti või poorsesse basalti. Vältimaks süsihappegaasi väljapääsemist, peaks kasutatava kihi kohal olema väga halvasti läbitava (vähe poore ja lõhesid) kivimi kiht.
Süsihappegaasi pumbatakse tihti vanadesse naftamaardlatesse, et suurendada nafta kättesaadavust. Ameerika Ühendriikides pumbatakse igal aastal tühjenevatesse naftamaardlatesse 30–50 miljonit tonni süsihappegaasi. Selle meetodi puuduseks on aga kätte saadud nafta põletamisel eralduv süsihappegaas, mis on samas suurusjärgus maardlasse ladustatud gaasiga.
Kivisöe kihtidesse pumbatuna absorbeerub süsihappegaas kivisöe pinnale, samal ajal vabastades eelnevalt absorbeerunud metaani. Selle meetodi kasutamise võimalikkus sõltub kivisöe poorsusest. Kättesaadud metaani põletamisel vabaneb vähem süsihappegaasi kui ladustati ja selle müümine kompenseerib osaliselt tehtud kulutused.
Süsihappegaasi võib pumbata ka näiteks joogiveeks kõlbmatult suure soolsusega põhjavette, kus see lahustub. Selle meetodi eelisteks on soolaste põhjaveekihtide suur maht ja levik. Soolaseid põhjaveekihte on aga vähe uuritud ja sellel meetodil puudub igasugune kompenseeriv kaasprodukt. Lisaks võib olla probleemiks süsihappegaasi kihist välja lekkimine.
Vastavates tingimustes võib geoloogiliselt ladustatud CO2 püsida maapõues miljoneid aastaid. Uurimuse kohaselt leiti 2009. aastal Ameerika Ühendriikides 16 000 km2 sobilikke geoloogilisi ladustuskohti, kuhu saaks ladustada USA 500 aasta süsihappegaasiheitmed.
Ookeani ladustamine.
Süsihappegaasi ookeani ladustamiseks on mitmeid võimalusi:
Süsihappegaasi ookeani ladustamisel on palju negatiivseid külgi. Suurtes kontsentratsioonides on CO2 mereelustikule mürgine, lisaks vähendab lahustunud süsihappegaas tekkiva süsihappe tõttu pH-d, mille mõju ookeanielustikule on veel vähe uuritud. Kuna atmosfääris ja ookeanis lahustunud süsihappegaasi vahel on tasakaal, siis suurendades kontsentratsiooni ookeanis, nihutame me tasakaalu süsihappegaasi atmosfääri liikumise suunas. Sellele lisaks jõuab veekihtide ringluse tulemusena (termohaliinne tsirkulatsioon) ookeani põhjakihtide vesi umbes 1600 aastaga pinnale, seega pole see meetod pikaajaline lahendus.
Süsihappegaasi pumpamine ookeani süvakihtidesse läheb koos selle sidumise ja transpordiga maksma vahemikus 40–80 USA dollarit ühe tonni CO2 kohta. Vesinikkarbonaatidena seotult oleks ladustamine küll pikaajalisem, aga ka kallim.
Mineraalidena ladustamine.
Selle protsessi käigus reageerib süsihappegaas keskkonnas olevate metallioksiididega ja eksotermilise reaktsiooni käigus on produktideks stabiilsed karbonaatsed mineraalid. Karbonaatsete mineraalide teke näeb lihtsustatud valemi kujul välja järgmiselt: MO + CO2 → MCO3 + soojusenergia (MO – metallioksiid). Umbes 22% maakoore metalsetest oksiididest on võimelised moodustama karbonaate. Parimad CO2 sidujad oleks magneesiumi ja kaltsiumi oksiidid ja hüdroksiidid, kuid nende kõrge aktiivsuse tõttu on neid looduses vähe, seega võib kasutada silikaatseid mineraale või aluselisi tööstusjääke, näiteks põlevkivituhka. Enim on uuritud oliviini karbonaadistumist, mis toimub järgneva keemilise valemi järgi: Mg2SiO4 + 2CO2 → 2MgCO3 + SiO2 + 89 kJ mol−1CO2. Oliviini karbonaadistumisel põhineva meetodi maksumus jääb 50–100 USD/tCO2 vahele ja suurendab elektrijaama energiakulu 30–50% võrra.
Sellised reaktsioonid toimuvad ka looduslikes tingimustes, kuid on väga aeglased, reaktsioone saab kiirendada tõstes temperatuuri ja rõhku, mis aga suurendab ka protsessi energiakulu ja seega maksumust. Valitsustevahelise Kliimamuutuste Nõukogu (IPCC) andmetel kulub elektrijaamal, mis seob süsinikdioksiidi mineraalidesse ja ladustab neid, 60–180% rohkem energiat kui tavalisel elektrijaamal.
Lekked.
Üheks suurematest probleemidest CCS-i puhul on võimalikud süsihappegaasi lekked ladustamispaigast. Kõikidele tingimustele vastav geoloogiline ladustamispaik hoiab sinna pumbatud süsihappegaasist tuhande aasta jooksul tõenäoliselt kinni 99% ja Valitsustevahelise Kliimamuutuste Nõukogu andmetel ei ole riskid suuremad kui looduslike süsivesinike reservuaaride puhul.
Loodusliku süsihappegaasi lekkimise näitena võib välja tuua Nyose järve. 1986. aastal lekkis järvest suur kogus CO2, mis põhjustas lähedal asuvates asulates üle 1700 inimese ja suure hulga kariloomade surma. Nyose järv on jaotunud erineva tihedusega veekihtideks (veekogu stratifikatsioon). Järve jahedamat ja tihedamat põhjakihti varustavad veega vulkaaniliselt aktiivsusest tingitud hüdrotermaalsed allikad, mille vesi on süsihappegaasiga küllastunud. Kui süsihappegaasi kontsentratsioon põhjakihis läheneb üleküllastusele, hakkavad moodustuma mullid, mis võivad ühinemisel ja paisumisel terve põhjakihi pinnale tõsta. CO2 vabaneb veest ja kuna see on õhust raskem, moodustab pilve, mis liigub mööda maad, põhjustades lämbumist. Vältimaks edaspidiseid suuri lekkeid, alustati 1995. aastal järve degaseerimist, mille käigus ühendati veekogu põhjakiht toru kaudu pinnaga ja pumbati sellest välja piisavalt vett, et algaks iseeneslik gaasimullikeste isotermaalse paisumise poolt põhjustatud vee vool.
Energiakulu.
Teiseks suureks CCS-i probleemiks on erinevate protsesside energiatarve. CCS-i rakendamine kasutab tõenäoliselt, sõltuvalt kasutatud tehnoloogiast, vahemikus 10–40% elektrijaama poolt toodetavast energiast, see aga tähendab märkimisväärselt suurenevaid kütusekulusid. Uus 500 MWe võimsusega kivisütt kasutav elektrijaam peaks sama energiatootluse säilitamiseks põletama lisaks 76 tonni kivisütt tunnis. Kokkuvõttes suureneks CCS-i laialdase kasutuselevõtu puhul energiakulu kolmandiku võrra ja viimase 50 aasta jooksul saavutatud energiatootmise efektiivsuse kasv oleks sisuliselt kadunud.