Tomasz Miarczyński
Inżynier Ekolog
Antropogeniczne emisje gazów cieplarnianych sprowadzonych do ekwiwalentu dwutlenku węgla stały się jednym z największych zagrożeń naszej epoki. Jeśli obecne trendy emisji gazów cieplarnianych utrzymają się, jako ludzkość możemy stanąć w obliczu katastrofalnych skutków dla naszej planety i przyszłych pokoleń. Czy potrafimy zmienić ten kurs dzięki nauce i innowacjom? Technologie redukcji emisji dwutlenku węgla (CO2) – od wychwytywania i składowania węgla po innowacyjne metody jego ponownego wykorzystania – mogą odegrać istotną rolę w przeciwdziałaniu zmianom klimatycznym.
Technologia wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (ang. CCS - Carbon Capture and Storage)
Polega na wychwytywaniu CO₂ emitowanego podczas procesów przemysłowych, takich jak produkcja energii w elektrowniach węglowych, hutach czy cementowniach, a następnie jego bezpiecznym magazynowaniu w głębokich formacjach geologicznych. Proces CCS składa się z trzech głównych etapów: wychwytywania, transportu i składowania CO₂. Wychwytywanie odbywa się w miejscu emisji i może być realizowane na kilka sposobów:
- Przed spalaniem (ang. precombustion), CO₂ jest usuwane z paliwa przed jego spaleniem poprzez procesy chemiczne, takie jak zgazowanie węgla lub reforming parowy, które przekształcają paliwa kopalne w mieszaninę gazów CO₂, które następnie oddzielane jest od tych gazów przy użyciu absorbentów chemicznych, takich jak aminy, lub przez procesy fizyczne, takie jak absorpcja w cieczy chłodzącej.
- Po spalaniu (ang. post-combustion), CO₂ jest wychwytywane z gazów spalinowych po procesie spalania za pomocą technologii absorpcji chemicznej lub fizycznej. Najczęściej stosuje się roztwory aminowe, które wiążą CO₂ z gazów spalinowych. Alternatywnie wykorzystuje się metody separacji membranowej lub adsorpcji na stałych sorbentach, które zatrzymują CO₂, umożliwiając jego późniejsze przetworzenie lub magazynowanie.
- Spalanie w tlenie (ang. post-combustion). Paliwo jest spalane w czystym tlenie, co prowadzi do powstania gazu spalinowego składającego się głównie z CO₂ i pary wodnej. Wychwytywanie CO₂ odbywa się poprzez schładzanie gazu spalinowego, co powoduje skraplanie pary wodnej, pozostawiając niemal czysty CO₂. Następnie CO₂ jest sprężane i transportowane do miejsc składowania lub wykorzystania przemysłowego, takich jak produkcja paliw syntetycznych lub materiałów budowlanych.
W ostatnich latach rozwijana jest także technologia Direct Air Capture (DAC), polegająca na wychwytywaniu CO₂ bezpośrednio z atmosfery. Proces DAC polega na przepuszczaniu powietrza przez instalacje zawierające chemiczne absorbenty takie jak roztwory aminowe (np. monoetanoloamina - MEA), wodorotlenki metali alkalicznych (np. wodorotlenek sodu - NaOH) oraz materiały sorbcyjne na bazie tlenków metali, które wychwytują CO₂. Następnie CO₂ jest uwalniane z absorbentów poprzez podgrzewanie lub inne procesy chemiczne, i składowane lub wykorzystywane w przemyśle. DAC ma kilka zalet: może być instalowany w różnych miejscach, niezależnie od źródeł emisji. Pozwala to na elastyczne redukowanie CO₂. Jednak technologia ta jest wciąż kosztowna i wymaga dalszego rozwoju, aby stać się bardziej efektywną ekonomicznie.
Składowanie CO₂ pod ziemią, czyli geologiczne składowanie dwutlenku węgla, polega na iniekcji wychwytanego CO₂ do głębokich formacji geologicznych, takich jak wyeksploatowane złoża ropy naftowej, gazu ziemnego czy zasolone warstwy wodonośne. CO₂ jest pompowane pod wysokim ciśnieniem, co pozwala na jego przechowywanie w stanie nadkrytycznym – płynnym, ale zachowującym pewne właściwości gazu. Warstwy skalne działają jako naturalne uszczelnienia, uniemożliwiając CO₂ powrót na powierzchnię. Jednym z głównych wyzwań związanych z geologicznym składowaniem CO₂ jest zapewnienie długoterminowego bezpieczeństwa, aby dwutlenek węgla nie wydostał się na powierzchnię. Wymaga to starannego monitorowania miejsc składowania oraz oceny potencjalnych ryzyk, takich jak wycieki lub reakcje chemiczne z otaczającymi skałami. Geologiczne składowanie CO₂ może być stosowane w połączeniu z wychwytywaniem CO₂ z powietrza lub bezpośrednio z emisji przemysłowych.
Jedną z nowatorskich technologii jest BECCS (Bioenergy with Carbon Capture and Storage). To połączenie produkcji energii z biomasy z technologią wychwytywania i składowania CO₂. W praktyce rośliny pochłaniają CO₂ podczas wzrostu, a następnie są spalane w elektrowniach produkujących energię. Powstałe w procesie spalania CO₂ jest wychwytywane i składowane pod ziemią, tworząc ujemny bilans emisji. W Europie BECCS jest rozwijane w takich projektach jak Drax Group w Wielkiej Brytanii, gdzie prowadzone są prace nad pierwszą dużą instalacją BECCS, która ma wychwytywać do 8 milionów ton CO₂ rocznie do 2030 roku.9
Istnieje kilka metod przetwarzania CO₂, które mogą zmniejszyć jego wpływ na środowisko. Jednym z podejść jest wykorzystanie go jako surowca w produkcji chemikaliów, tworzyw sztucznych czy materiałów budowlanych. CO₂ może być używane m.in. do produkcji poliuretanów lub w procesach mineralizacji, gdzie reaguje z minerałami tworząc trwałe struktury, jak węglany. Innym podejściem jest wykorzystanie CO₂ w produkcji syntetycznych paliw, takich jak metanol czy inne paliwa węglowodorowe. W ten sposób CO₂ jest przekształcane w produkty o wartości użytkowej, a nie jest emitowane do atmosfery. Procesy te wymagają jednak energii, dlatego ważne jest, aby pochodziła ona ze źródeł odnawialnych, aby cały proces był neutralny pod względem emisji gazów cieplarnianych. Dodatkowo, rozwój takich technologii jest wciąż na wczesnym etapie i wymaga dalszych badań oraz inwestycji, aby mogły stać się powszechnie stosowane.
Jednak najbardziej ekologicznym podejściem zdaje się być połączenie kilku metod. Na przykład, Direct Air Capture (DAC) połączony z geologicznym składowaniem CO₂ może być bardzo skuteczny. DAC wychwytuje CO₂ bezpośrednio z atmosfery, co pozwala redukować już istniejący jego nadmiar. Natomiast geologiczne składowanie zapewnia trwałe i bezpieczne przechowywanie CO₂ pod ziemią. Energia do zasilania procesu powinna pochodzić z odnawialnych źródeł energii aby cały proces zamknąć z ujemnym bilansem dwutlenku węgla
Wiodącymi krajami w inwestycjach w technologie wychwytywania i składowania CO₂ są Stany Zjednoczone, Kanada, Norwegia oraz kilka krajów europejskich, takich jak Holandia czy Wielka Brytania. Stany Zjednoczone posiadają wiele projektów pilotażowych oraz komercyjnych związanych z CCS i DAC. W latach 2021–2022 w USA ogłoszono uruchomienie 78 nowych projektów wychwytywania i składowania dwutlenku węgla. Na przykład firma 1PointFive, spółka zależna Low Carbon Ventures firmy Occidental, ogłosiła partnerstwo z Carbon Engineering, którego celem jest wdrożenie do 70 obiektów Direct Air Capture (DAC) do 2035 r., każdy o wydajności do miliona ton rocznie. Podejście do wdrożenia ujednolici konstrukcję zakładów, komponenty zakładów i wyposażenie zostaną zmodularyzowane, masowo produkowane i montowane na miejscu1.
Kanada inwestuje w projekty CCS, zwłaszcza w prowincji Alberta. Kanadyjska jednostka SHELL poinformowała, że zbuduje w Kanadzie dwa projekty wychwytywania i składowania dwutlenku węgla, aby ograniczyć emisje pochodzące z własnej działalności i osiągnąć swoje cele klimatyczne. Shell Canada Products zbuduje w Scotford projekt o nazwie Polaris, który będzie wychwytywał około 650 000 ton dwutlenku węgla rocznie, a także drugi projekt znany jako Atlas Carbon Storage Hub we współpracy z ATCO EnPower2.
Chiny natomiast są jednym z liderów w rozwijaniu technologii CCS. Kraj ten realizuje wiele projektów pilotażowych i komercyjnych związanych z CCS, głównie w przemyśle energetycznym i chemicznym. Chiny inwestują również w technologie DAC. W ostatnich latach Chiny znacznie zwiększyły swoje zaangażowanie w projekty związane z redukcją emisji CO₂, co wpisuje się w ich długoterminowy plan osiągnięcia neutralności węglowej do 2060 roku. Współpracują także z międzynarodowymi partnerami oraz organizacjami takimi jak Międzynarodowa Agencja Energetyczna3.
Norwegia z kolei realizuje zaawansowany projekt Langskip, który obejmuje wychwytywanie CO₂ z kilku źródeł i jego magazynowanie pod Morzem Północnym. Norwegia ma ponad 25 lat doświadczenia w magazynowaniu CO₂. Badania i rozwój technologii CCS są od dziesięcioleci priorytetowym obszarem dla norweskiego rządu4.
Wielka Brytania również rozwija kilka projektów CCS, takich jak projekt Net Zero Teesside. Holandia inwestuje w projekt Portos, który ma na celu wychwytywanie CO₂ z przemysłu w porcie w Rotterdamie i jego magazynowanie pod dnem Morza Północnego5,6
W Polsce technologia wychwytywania i składowania CO₂ (CCS) jest na etapie badań i rozwoju. Polska, jako kraj z dużym udziałem węgla w produkcji energii, rozważa CCS jako potencjalne narzędzie do redukcji emisji. Badania i projekty pilotażowe są prowadzone przez instytucje takie jak AGH w Krakowie czy Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla. Istnieje również kilka mniejszych projektów takich jak:
- Projekt CCUS.pl jest to strategia rozwoju technologii wychwytu, transportu, utylizacji i składowania CO₂ w Polsce oraz pilotaż Polskiego Klastra CCUS, ma ona na celu opracowanie strategii wdrożenia technologii CCUS w kraju7.
- Projekt GO4ECOPLANET: Realizowany przez spółkę Lafarge, zmierza do wychwytu nawet 100% emisji cementowni w Bielawach na Kujawach. Projekt ten wymaga nakładów kapitałowych rzędu 265 mln EUR8.
Według najnowszego raportu Global CCS Institute z października 2024 roku10, globalna zdolność wychwytywania i składowania CO₂ (CCS) wynosi obecnie około 628 milionów ton rocznie, co stanowi wzrost o 60% w porównaniu z poprzednim rokiem. Jednak wciąż jest to niewielka część w porównaniu z globalnymi emisjami CO₂, które w 2023 roku wyniosły około 36,8 miliarda ton. „Pomimo obecnych wyzwań związanych z kosztami i skalą wdrażania, rozwój technologii CCS i DAC daje realną szansę na znaczne ograniczenie emisji CO₂. W połączeniu z inwestycjami w odnawialne źródła energii może przybliżyć nas do neutralności klimatycznej.”
4. https://ccsnorway.com/the-project/?utm_source=chatgpt.com
7. https://ccus.pl/o-projekcie/
10. https://www.globalccsinstitute.com/wp-content/uploads/2024/11/Global-Status-Report-6-November.pdf