炭素 包집 및 貯藏

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炭素 包집 및 貯藏 (Carbon capture and storage, CCS) 또는 炭素 包집 및 隔離 또는 炭素 制御 및 隔離 化石 燃料 發電所와 같은 大規模 支店 源泉에서 二酸化炭素(CO2)를 捕執하여 貯藏庫로 移送하는 過程이고 現場에 浸透하여 待機에 浸透하지 않는 곳, 一般的으로 地下 地質 形成에 使用된다. 그 目的은 多量의 CO2街 大氣 中으로 放出되는 것을 防止하는 것이다. (發展 및 其他 産業에서의 化石 燃料 使用으로부터). 이것은 地球 溫暖化와 海洋 酸性化에 化石 燃料 排出의 寄與를 輕減시키는 潛在的인 手段이다. CO2街 石油 回收의 向上을 包含한 다양한 目的을 위해 數十 年 동안 地質 形成으로 注入되었지만 CO2의 長期 貯藏은 相對的으로 새로운 槪念이다. 처음의 商業的 事例는 2000年 Weyburn-Midale Carbon Dioxide Project 였다. 또 다른 例로는 SaskPower Boundary Dam 이 있다. 'CCS'는 氣候 工學 技術로서 周邊 大氣에서 二酸化炭素를 除去하는 技術을 나타낼 때도 使用할 수 있다.

統合된 小規模 實驗用 CCS發電所는 技術的 實行可能性 및 經濟的 效率性을 테스트하기 위해 유틸리티 Vattenfall 에 依해 運營되는 Schwarze Pumpe 東部 獨逸 發電所에서 2008年 9月에 稼動되기 始作했다. 現代의 傳統的인 發電所에 適用된 CCS는 CCS가없는 工場에 比較하여 待機로의 CO2 排出量을 約 80-90 %까지 줄일 수 있다. IPCC 는 CCS의 經濟的 潛在力이 2100年까지 總 炭素 低減 努力의 10%에서 55% 사이가 될 수 있다고 推定했다.

二酸化炭素는 吸着 (또는 炭素 스크러빙), 막 가스 分離 또는 吸着 技術을 使用하여 空氣 또는 化石 燃料 發電所 鳶島 가스에서 捕執할 수 있다. 아민은 先導的인 炭素 스크러빙 技術이다. CO2를 捕執하고 壓縮하면 石炭 燃燒 CCS 發電所의 에너지 要求量이 25-40% 增加할 수 있다. 이러한 시스템 費用과 其他 시스템 費用은 化石 燃料 發電所에 對해 21-91% 生産되는 와트 時間當 에너지 費用을 증가시키는 것으로 推定된다. 이 技術을 旣存의 工場에 適用하는 것은 더 많은 費用이 들고, 特히 隔離 區域과 멀리 떨어져있는 境遇 더 그렇다. 2005年 産業 報告書에 따르면 成功的인 硏究, 開發 및 配置(RD&D)로 2025年에 隔離된 石炭 基盤 發展은 오늘날 그렇지 않은 石炭 發展보다 費用이 적을 수 있다고 한다.

二酸化炭素는 깊은 地質 形成 또는 鑛物 炭酸鹽 形態로 貯藏된다. 甚해 貯藏은 現在 海洋 酸性化의 關聯된 效果로 인해 不可能하다. 地質 形成은 現在 가장 有望한 隔離 場所로 여겨진다. 國家 에너지 技術 硏究所(NETL)는 北美 地域의 現在 生産 速度에서 900年 以上의 價値의 二酸化炭素를 充分한 貯藏 容量 保有하고 있다고 報告했다. 一般的인 問題는 潛水艦 또는 地下 貯藏 保安에 對한 長期間의 豫測이 매우 어렵고 不確實하며, CO2街 大氣로 漏出 될 危險이 如前히 存在한다는 것이다.

包집 [ 編輯 ]

發效를 통해 에탄올을 만드는 有機體는 차갑고 純粹한 二酸化炭素를 만들어 내는데, 이를 地下로 注入하는 것이 可能하다. 發效는 質量的 側面에서 에탄올보다 微細하게 적은 二酸化 炭素를 만들어낸다.

酸素 中 石炭의 燃燒에서 發生하는 氣體의 많은 量이 二酸化 炭素인데, 大略 그 量이 10~15%이다. 反面 天然가스의 年少에서 發生하는 氣體는 5~10%程度로 더 낮다. 따라서 石炭을 原料로 하는 火力 發電所에서 發生하는 二酸化 炭素를 捕執하는 것이 에너지와 費用 側面에서 훨씬 效率的이다.

二酸化 炭素의 흐름에서 黃, 물과 같은 不純物은 二酸化 炭素의 賞擧動(phase behaviour)에 至大한 影響을 미칠 수 있으며 파이프라인의 腐蝕을 增加시킬 수 있다. 例를 들어, 空氣包집 過程에서 二酸化炭素 不純物이 存在하는 境遇 排氣가스를 淨化하기 위해서 洗滌 分離 過程이 必要할 것이다. 워싱턴 州의 Wallula 에너지 資源 센터에 따르면, 石炭을 기체화함으로써, 大略 二酸化 炭素의 65%를 捕執할 수 있으며 固體狀態로 分離시킬 수 있다.

捕執技術에는 크게 燃燒 後 包집, 燃燒 前 包집, 順 酸素 燃燒 包집 3가지가 있다.

  • 燃燒後 捕執에서는 化石燃料의 燃燒 後에 二酸化 炭素가 除去된다. 이는 化石燃料를 利用하는 火力 發電所에 主로 適用되는 形式이다. 이때 二酸化 炭素는 發電所나 다른 大規模 發生源의 排氣가스로부터 捕執된다. 비록 商業 規模의 發電所에 要求되는 程度와 비슷하지는 않지만 이러한 技術은 다른 産業體에서 適用된다. 燃燒 後 捕執은 硏究에 가장 많이 利用되는데, 그 理由는 現存하는 化石燃料를 利用하는 火力發電所는 이러한 形式의 CCS 技術을 利用하기 위해 쉽게 開設될 수 있기 때문이다.
  • 燃燒 前 包집 技術은 肥料, 化學, 가스 燃料(水素, 메테人 等), 그리고 電力生産에 폭넓게 適用된다. 이 境遇, 化石燃料는 部分的으로 酸化되는데, 그 例示가 奇貨裝置이다. 一酸化炭素나 水素와 같이 마지막에 排出되는 合成機體는 二酸化 炭素와 水素로 轉換된다. 또한 排出되는 二酸化 炭素는 相對的으로 純粹한 排氣가스로부터 捕執될 수 있다. 現在 水素는 燃料로서 使用可能하다. 二酸化 炭素는 燃燒過程 前에 除去할 수 있는데, 旣存의 燃燒 後 二酸化 炭素 捕執技術과 比較하여 몇몇 長短點이 있다. 炭素는 化石燃料의 燃燒 後 鳶島 가스(黃化水素, 二酸化 炭素, 窒素 等)가 大氣壓까지 膨脹되기 前에 除去된다. 이러한 方法은 새로운 火力 發電所나 리파워링(re-powering)을 採擇한 旣存 發電所에 適用된다. 膨脹하기 前에 捕執하는, 卽, 압축가스로부터 捕執하는 方法은 實用 電力 設備에 要求되는 것과 同一한 規模에서 大部分의 産業 二酸化炭素 包집 過程의 標本이다.
  • 順 酸素 燃燒 包집에서 燃料는 待機 代身 酸素 속에서 燃燒된다. 燃燒過程에서 發生하는 불의 溫度를 旣存 燃燒와 同一한 水準으로 制限하기 위해 冷却된 氣體가 燃燒室에 注入되어 재순환된다. 鳶島 가스는 主로 二酸化炭素와 水蒸氣로 構成되어있는데 水蒸氣는 冷却過程을 통해 凝結된다. 그 結果 隔離된 場所로 移動되어 貯藏될 수 있는 거의 純粹한 二酸化炭素가 生成된다. 酸素 燃料 燃燒를 基盤으로 한 發電所의 處理過程은 燃燒 前科 燃燒 後 捕執의 境遇 貯藏된 二酸化炭素가 鳶島 가스로부터 除去된 部分이 아니라 鳶島 가스 그 自體이기 때문에 무排出시스템이라고도 한다. 燃燒 過程에서 生成된 二酸化炭素의 특정한 一部는 結局 必然的으로 凝結된 물이 된다. 무排出시스템을 認證하기 위해 물은 適切히 處理하고 配置될 必要가 있다. 技術은 存在하지만 처음 機體 分離 段階는 많은 에너지를 必要로 하기 때문이다.

二酸化炭素 包집 技術 [ 編輯 ]

二酸化炭素는 吸着 또는 멤브레인 가스 分離 技術을 使用하여 空氣 또는 鳶島 가스에서 分離 할 수 있다. 아민(Amine)을 利用한 吸收, 卽 炭素 스크러빙은 現在 가장 많이 쓰이는 二酸化炭素 包집 技術이다. 멤브레인 및 吸着 技術은 아직 硏究 開發 段階에 있다. 金屬 有機 프레임 워크 (MOFs)는 吸着 技術을 利用한 炭素 捕執에 쓰이는 새로운 新物質이다.

二酸化炭素는 MOF의 多孔性과 選擇性에 기초한 物理的 또는 化學的 吸着을 통해 MOF에 吸着된다. 二酸化炭素는 溫度 스윙 吸着 (TSA) 또는 壓力 스윙 吸着 (PSA)을 使用하여 MOF에서 除去된다. 吸着劑는 吸着劑 또는 溶液을 再使用하기 위해 鳶島 가스에 捕執된 吸着劑 또는 溶液에서 二酸化炭素가 除去되는 再生 段階를 要求한다. 二酸化炭素 包집을 위한 先導的인 모노 에탄올 아민 (MEA) 溶液은 大部分 물이기 때문에 3-4 J/g의 熱容量을 가지고 있다. 더 높은 熱容量은 溶媒 再生 段階에서 에너지 페널티를 增加시킨다. 따라서 炭素 包집을 위한 MOF, 낮은 熱容量 및 吸着熱이 要求된다. 또한, 높은 作業 容量 및 높은 選擇性은 鳶島 가스로부터 可能한 많은 量의 二酸化炭素를 捕執하는데 適合하다. 그러나 選擇性과 에너지 消費로 인해 에너지가 相殺된다. 捕執된 CO2의 量이 增加함에 따라, 再生하는 데 必要한 에너지 및 費用이 增加하는데 그 理由는 CCS에 MOF를 使用하는데 있어 큰 短點은 化學的 安定性과 열 安定性 때문이다. 現在 硏究는 CCS에 對한 MOF 屬性을 最適化하려고하지만 安定的인 MOF를 利用할 수 있도록 最適化하는 方案을 찾기가 어렵다는 것이 立證되었다. 金屬 貯藏所는 또한 MOF에 對한 制限 要素다.

捕執費用은 CCS의 總 費用의 約 3 分의 2에 該當한다. 二酸化炭素 包집 工程을 最適化하기 위해 運送 및 貯藏 段階에 새로운 技術을 適用함으로써 CCS의 實現 可能性을 높일 수 있다.

開發 中인 代案은 化學 循環 燃燒 (CLC)이다. 化學 루핑은 金屬 酸化物을 固體 酸素 運搬體로 使用한다. 金屬 酸化物 粒子는 流動層 燃燒器에서 固體, 液體 또는 氣體 燃料와 反應하여 固體 金屬 粒子 및 二酸化炭素와 水蒸氣의 混合物을 生成한다. 水蒸氣는 凝縮되어 純粹한 二酸化炭素를 남기고 分離 될 수 있다. 固體 金屬 粒子는 空氣와 反應하는 다른 流動層으로 循環되어 熱을 生成하고 流動層 燃燒器로 재순환되는 金屬 酸化物 粒子를 再生한다. 化學 루핑의 變形은 칼슘 루핑(calcium looping)이며, 이는 反復的 인 炭酸鹽을 使用하고 酸化칼슘의 小成을 利用한다.

直接 空氣 包집 [ 編輯 ]

直接 空氣 捕執이란 周邊 大氣에서 直接 CO2를 除去하는 過程을 일컫는다. 직접的인 空氣 捕執과 炭素 貯藏所의 結合은 二酸化炭素 除去 技術로서의 役割을 할 수 있으며 大規模로 配置된다면 氣候 工學의 한 形態가 될 수 있다.

이러한 直接的인 空氣 捕捉을 위해 몇 가지 工學的 提案이 이루어졌지만, 이 分野는 아직 初期 段階다. 파일럿플랜트는 2015年부터 캐나다의 브리티시 콜롬비아에서 運營되었다. 이 工場에 對한 2018年 經濟的 硏究에 따르면 大氣 CO2 捕執量을 톤當 US $94~232로 推定했다. 이 推定値는 직접的인 空氣 抛집이 톤 黨 600 달러의 費用이 所要되는 것으로 推定 된 2011年 硏究와 比較하여 減少했다.

探究中인 特定 化學 工程 中 3 가지가 注目받고 있는데 알칼리 및 알칼리 土類 水酸化物로 苛性化, 炭酸化, 그리고 多孔性 吸着劑로 지지된 아민으로 構成된 遺棄/武器 하이브리드 吸着劑가 이에 該當한다.

待機 中 二酸化炭素가 點 汚染源 二酸化炭素 捕執과 比較하여 많이 稀釋된다면, 包집 費用은 더 높을 것으로 推定된다. 그러나 氣候 變化 緩和를 위한 費用과 奬勵金이 今世紀 後半에 높아지면 自動車 나 航空機와 같은 擴散 된 排出源의 排出量을 處理하는 데 效果的일 수 있다. 글로벌 리서치 테크놀로지스 (Global Research Technologies)는 2007年에 大氣中 包집 技術의 프로토타입을 試演했다.

運送 [ 編輯 ]

捕獲 後 CO2는 適切한 貯藏 場所로 移送되어야 한다. 이것은 大部分 二酸化炭素 大量의 輸送을 위해 가장 低廉한 形態인 파이프 라인에 依해 遂行될 可能性이 높다. 2008年, 美國에서 約 5,800km의 二酸化炭素 파이프 라인이 있었으며, 이 파이프 라인을 통해 石油 生産 分野에 二酸化炭素를 運送했으며, 이 分野에서 石油를 抽出하기 위해 오래된 分野에 注入한다. 石油 生産을 위한 二酸化炭素 注入은 一般的으로 向上된 石油 回收라고 한다. 또한, 石油를 生産하지 않는 地質 形成에서 CO2의 長期 貯藏을 試驗하기 위한 다양한 段階의 試驗 프로그램이 여러個 있다.

美議會 調査 서비스에 따르면, "파이프 라인 네트워크 要求 事項, 經濟 規制, 유틸리티 費用 回收, CO2 自體의 規制 分類와 파이프 라인 安全에 對해 重要한 解答이 없다. 게다가, 오늘날 向上된 石油 回收를 위한 二酸化炭素 파이프 라인은 이미 使用되고 있으므로 二酸化炭素 파이프 라인에 影響을 미치는 政策 決定은 많은 사람들이 認識하지 못하는 緊迫感을 낳는다. (國土 管理廳에 依한) 商品 및 (環境 保護局에 依한) 汚染 物質로서의 二酸化炭素의 聯邦 分類는 潛在的으로 卽刻的인 葛藤을 일으킬 수 있으며, 이는 未來의 CCS 履行을 위해서뿐만 아니라 未來의 CCS와 오늘날 二酸化炭素 파이프 라인 運營의 一貫性을 保障하기 위해 努力하고 있다."

또한, 船舶은 파이프 라인이 輸送할 수 없는 곳에 輸送하는데 活用될 수 있다. 이 方法은 現在 다른 用途로 CO2를 運搬하는 데 使用된다.

隔離 [ 編輯 ]

의 永久的인 保管을 위하여 다양한 形態가 考案되었다. 이러한 形態에는 다양한 深層 地質 構造에 가스 貯藏과 (食鹽水 形態와 消耗된 가스 空間 包含) 安定的인 炭酸鹽 形成을 위한 金屬 酸化物과의 反應을 利用한 固體 貯藏이 包含된다. 過去에는 를 바다에 貯藏할 수 있다고 提案되었지만, 이는 海洋의 酸性化를 악화시킬 것이며 런던 協約 OSPAR 協約 에 따라 不法이 되었다. 海洋 貯藏은 더 以上 實行 可能하지 않은 것으로 看做된다.

地質 貯藏 [ 編輯 ]

地質 隔離라고도 하는 이 方法은, 一般的으로 超臨界 形態 의 二酸化炭素를 地下 脂質에 直接 注入하는 方法이다. 油田, 가스田, 食鹽水 地層, 採鑛할 수 없는 石炭層, 食鹽水로 채워진 玄武巖 地層이 貯藏 場所로 提案되었다. 다양한 物理的 特徵(예:불침투성 덮개巖) 및 地區-化學的 捕獲 메커니즘은 表面으로의 露出을 막는다.

가 石炭의 表面에 붙기 때문에 採掘할 수 없는 炭層을 使用하여 를 貯藏할 수 있다. 그러나 技術의 可能性은 石炭層의 透過性에 달려있다. 過程에서 石炭은 以前에 吸收한 메탄을 放出하고 메탄을 回收할 수 있다.( enhanced coal bed methane recovery ) 메탄 販賣는 貯藏 費用의 一部를 相殺하는데 使用될 수 있다. 그러나 生産된 메탄을 태우면 隔離의 利點이 一部 無效化된다.

食鹽水 形態는 高度로 鑛物化 된 鹽水가 包含되어 있으며 只今까지 人間에게 有益하지 않은 것으로 看做되어 왔다. 食鹽水 帶水層은 몇 가지 化學 廢棄物 貯藏에 使用되었다. 食鹽水 帶水層의 主要한 利點은 潛在的 貯藏 부피가 크고 自然的으로 發生한다는 點이다. 食鹽水 帶水層의 主要한 短點은 特히 遺傳에 비하여 알려진 것이 거의 없다는 것이다. 受容 可能한 量을 알아내기 위한 地球-物理學的 調査가 提案되어 있어 帶水層 構造에 對한 不確實性이 크다. 遺傳이나 石炭層 貯藏과 달리 어떠한 副産物도 貯藏 費用을 相殺하지 않는다. 構造的 트래핑, 殘留 트래핑, 溶解度 트래핑 및 미네랄 트래핑과 같은 트래핑 메커니즘은 를 地下에 固定시키고 漏出 危險을 감소시킨다.

向上된 石油 回收 [ 編輯 ]

向上된 石油 回收 技術로 二酸化炭素를 遺傳에 注入하는 境遇가 많지만, 石油를 태울 때 二酸化炭素가 放出되기 때문에 炭素 中立 過程이 아니다.

二酸化炭素 分解 鳥類 및 박테리아 [ 編輯 ]

地球-化學的 注入의 代案은 二酸化炭素 分解 能力을 갖춘 鳥類나 박테리아가 있는 勇氣에 二酸化炭素를 貯藏하는 것이다. 理論的 二酸化炭素 貯藏 容器 안에 二酸化炭素 大使 박테리아인 Clostridium thermocellum을 利用하는 것이 理想的일 것이다. 이 박테리아를 利用하면 理論的 二酸化炭素 貯藏 容器의 過押을 防止할 수 있다.

鑛物 貯藏 [ 編輯 ]

이 過程에서, 는 利用 可能한 酸化物과 發熱反應을 일으켜 安定的인 炭酸鹽(예: 方解石 , 마그네사이트 )을 生成한다. 이 過程은 數年에 걸쳐서 自然的으로 發生하며 많은 量의 表面 石灰巖을 生成한다. 橄欖石 을 使用하는 아이디어는 地球-化學者 Olaf Schuiling에 依하여 推進되었다. 反應 速度는 觸媒를 使用하거나 높은 溫度 및 壓力에서 反應하거나 미네랄 前處理를 통하여 빠르게 할 수 있지만, 이 方法은 追加的인 에너지가 必要할 수 있다. IPCC 는 鑛物 貯藏을 利用하는 CCS發電所는 CCS를 使用하지 않는 發電所보다 60-180%의 에너지가 더 必要하다고 推定한다.

規模에 따른 鑛物 炭化의 經濟性은 濠洲, Newcastle에 있는 世界 最初의 Pilot plant 프로젝트에서 시험되고 있다. 鑛物 活性과 反應을 爲한 技術은 GreenMag 그룹과 Newcastle 大學校에서 開發되었으며, 濠洲 政府 및 New South Wales의 資金 支援으로 2013年까지 運營된다.

2009年, 科學者들은 美國에서 美國의 500年 分量의 二酸化炭素를 貯藏하는데 使用할 수 있는 6000平方 마일(16,000 )의 巖石을 指導化하였다고 報告했다. 美國의 鑛物 貯藏에 關한 硏究:

自然的으로 發生하는 Mg와 Ca 含有 鑛物質을 와 反應시켜 炭酸鹽을 形成하는 炭素 隔離는 많은 固有의 利點이 있다. 가장 注目할만한 點은 炭酸鹽의 에너지 狀態가 보다 낮다는 것이다. 이것이 鑛物의 炭酸化가 熱力學的으로 유리하고 自然的으로 發生하는 理由이다(예:지질학적 期間 동안의 巖石 風化). 둘째로, 마그네슘 基盤 鑛物과 같은 原料가 豐富하다. 마지막으로 生成된 炭酸鹽은 疑心할 餘地없이 安定的이므로 가 待機中으로 再放出되는 것은 全혀 問題가 되지 않는다. 그러나 旣存의 炭酸化 方式은 周邊 溫度와 壓力에서 느리다. 이러한 努力으로 解決되는 重要한 課題는 鑛物 貯藏이 受容 可能한 經濟性으로 可能하도록 産業과 環境的으로 實現 可能한 炭酸化 方式을 찾는 것이다.

다음 表는 知覺의 主要 金屬 酸化物을 羅列한 票이다. 理論的으로 이 鑛物들 質量의 22퍼센트가 炭酸鹽을 形成할 수 있다.

Earthen oxide Percent of crust Carbonate Enthalpy change (kJ/mol)
SiO 2 59.71
Al 2 O 3 15.41
CaO 4.90 CaCO 3 ?179
MgO 4.36 MgCO 3 ?118
Na 2 O 3.55 Na 2 CO 3 ?322
FeO 3.52 FeCO 3 ?85
K 2 O 2.80 K 2 CO 3 ?393.5
Fe 2 O 3 2.63 FeCO 3 112
21.76 All carbonates

Ultramafic 廣眉는 鑛山産業에서 溫室 가스를 줄이기 위한 人工 炭素 吸收원 役割을 할 수 있는 微細粒子 金屬 酸化物의 供給源이다. 미네랄 炭酸化를 통한 受動的 隔離 加速化는 미네랄 溶解 및 炭酸鹽 沈澱을 向上시키는 微生物 工程을 통하여 이룰 수 있다.

에너지 要件 [ 編輯 ]

炭素 貯藏을 열 發展에 使用할 境遇 電氣 費用에 $0.18/kWh를 追加되며 再生에너지에 비하여 收益性 및 競爭 優位에 到達하지 못하게 한다.

CCS 프로젝트 例示 [ 編輯 ]

2017年 9月 國際 CCS 學會는 國際 CCS 狀態 報告書에서 37個의 大規模 CCS 施設을 確認하였다. 이는 2016年 CCS 報告書 以後로 한個가 減少한 것이다. 이 프로젝트 中 21個가 運營 中이거나 建設 中이며 年間 3千萬 톤 以上의 를 捕獲하고 있다. 最新 情報는 國際 CCS 學會 웹사이트에서 Large Scale CCS facilities를 參照하면 된다. [1] EU 프로젝트에 對한 情報는 Zero Emissions Platform 웹사이트를 參照하면 된다. [2]

國家別 [ 編輯 ]

알제리 [ 編輯 ]

In Salah CO 2 injection [ 編輯 ]

인살라 에는 注入으로 運營되는 陸上 가스田이 있었다. 는 生成된 가스와 完全히 分離되어 1900m 깊이의 Krechba 地質 地層에 다시 注入되었다. 2004年 以來로, 約 3.8Mt의 가 天然가스 抽出 過程에서 捕執되어 貯藏되었다. 封印의 無結成, 母巖 (caprock)으로의 龜裂 및 漏出, 크레車바層 炭化水素 外部로의 移動에 對한 憂慮로 2011年 6月 注入이 中斷되었다. 이 프로젝트는 MMV(Monitoring, Modeling, and Verification) 方式을 先驅的으로 使用한 것으로 有名하다.