Стремясь внести ясность в этот вопрос, исследователи из Стэнфордского университета и Университета Карнеги-Меллона оценили потребности в энергии, связанные с критическим этапом процесса.
Их выводы, опубликованные 8 апреля в журнале Environmental Science & Technology, предполагают, что управление и утилизация рассолов с высокой соленостью – побочного продукта эффективного связывания углерода под землей – повлечет за собой значительные штрафы за электроэнергию и выбросы. Их работа дает количественную оценку этих штрафов для различных сценариев управления и обеспечивает основу для повышения энергоэффективности подхода.
«Разработка массивных новых инфраструктурных систем для геологического хранения углерода с учетом того, как они пересекаются с другими инженерными задачами – в данном случае сложностью управления рассолами с высокой соленостью – будет иметь решающее значение для максимизации углеродных выгод и снижения системных затрат», сказал старший автор исследования Миган Маутер, доцент кафедры гражданского строительства и экологической инженерии Стэнфордского университета.
Достижение чистого будущего с использованием возобновляемых источников энергии не произойдет в одночасье.
Один из мостов на этом пути будет заключаться в борьбе с выбросами углекислого газа – доминирующего парникового газа, нагревающего Землю, – по мере сокращения использования ископаемого топлива. Вот где возникает связывание углерода.
Хотя большинство ученых-климатологов согласны с необходимостью такого подхода, нет ясности в отношении затрат на полный жизненный цикл инфраструктуры хранения углерода.
Соленый вызов
Важным аспектом этого анализа является понимание того, как мы будем управлять рассолом, высококонцентрированной соленой водой, которая добывается из подземных резервуаров, для увеличения емкости хранения углекислого газа и минимизации риска землетрясений. Солевые резервуары являются наиболее вероятными местами хранения уловленного углекислого газа, потому что они большие и повсеместно распространены, но извлеченные рассолы имеют среднюю концентрацию соли, которая почти в три раза выше, чем в морской воде.
Эти рассолы необходимо либо утилизировать путем закачки в глубокую скважину, либо опреснять для полезного повторного использования. Прокачка под землей – подход, который использовался для очистки сточных вод нефтегазовой промышленности – был связан с учащением землетрясений и вызвал значительную негативную реакцию общественности. Но опреснение рассолов значительно дороже и энергоемко, отчасти из-за пределов эффективности технологий термического опреснения.
Это важный, сложный шаг с потенциально огромной ценой.
Большая картинка
Новое исследование является первым, в котором всесторонне оценены энергетические штрафы и выбросы углекислого газа, связанные с управлением рассолом, в зависимости от различных сценариев переноса углерода, управления резервуарами и очистки рассола в U.S. Исследователи сосредоточили свое внимание на обработке рассола, связанной с хранением углерода от угольных электростанций, поскольку они являются крупнейшими источниками углекислого газа в стране, наиболее экономически эффективными целями улавливания углерода, а их расположение обычно является репрезентативным для расположения точечных источников углекислого газа.
Возможно, неудивительно, что исследование показало более высокие потери энергии для сценариев управления рассолом, в которых приоритет отдается переработке для повторного использования. Фактически, управление рассолом наложит самые большие потери энергии после улавливания и сжатия на тонну углекислого газа, на порядок больше, чем перенос углерода, согласно исследованию.
«Бесплатного обеда не бывает», – сказал ведущий автор исследования Тимоти Бартоломью, бывший аспирант Университета Карнеги-Меллона по гражданскому и экологическому проектированию, который теперь работает в KeyLogic Systems, подрядчике Национальной лаборатории энергетических технологий Министерства энергетики. "Даже инженерные решения по хранению углерода повлекут за собой штрафы за электроэнергию и приведут к некоторым выбросам углерода. В результате нам необходимо спроектировать эти системы как можно более эффективно, чтобы максимизировать их выгоды от сокращения выбросов углерода."
Дорога вперед
Решения могут быть под рукой.
По словам исследователей, потери энергии при управлении рассолом можно уменьшить, отдавая приоритет хранению в резервуарах с низкой соленостью, минимизируя коэффициент извлечения рассола и ограничивая степень извлечения рассола.
Однако они предупреждают, что эти подходы приносят свои собственные компромиссы в отношении транспортных расходов, штрафов за электроэнергию, емкости резервуаров и безопасных темпов закачки углекислого газа в подземные резервуары. Оценка компромиссов будет иметь решающее значение для максимального сокращения выбросов углекислого газа, минимизации финансовых затрат и ограничения внешних воздействий на окружающую среду.
«Есть связанные с водой последствия для большинства путей глубокой декарбонизации», – сказал Маутер, который также является научным сотрудником Стэнфордского Вудского института окружающей среды. «Ключевым моментом является достаточно подробное понимание этих ограничений, чтобы их можно было учитывать при проектировании или разработке инженерных решений, смягчающих их влияние."
Финансирование этого исследования предоставлено Национальным научным фондом, Фондом ARCS и U.S. Департамент энергетики.