Kiedy podziemne składowanie CO2 się opłaca?

Redukcja emisji i wychwytywanie CO2 to szansa, potrzeba i warunek konieczny na drodze do polskiej dekarbonizacji. Cenną lekcją dla przedsiębiorstw planujących tego typu inwestycje mogą być przeprowadzone w Luizjanie badania. Badania, które wykazały, w jakich warunkach wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla może być faktycznie rentowne.

Wydajny system energetyczny to taki, który zakłada wspólne działanie w określonym celu zarówno w skali makro, jak i w skali mikro. Podobne założenie należy przyjąć także do działania na rzecz dekarbonizacji z zastosowaniem CCUS (ang. Carbon Capture, Utilization and Storage).

Badanie przeprowadzone na Uniwersytecie Princeton przez Andlinger Center for Energy and the Environment wraz z ekspertami z Deloitte, wskazuje na rozwiązania, którym warto się bliżej przyjrzeć, jeżeli rozważamy zastosowanie podziemnego składowania CO2.

Luizjana – idealny poligon

Andlinger Center for Energy and the Environment przeprowadziło szczegółową analizę i modelowanie możliwości zastosowania CCUS w gęstym skupisku obiektów przemysłowych wzdłuż wybrzeża Zatoki Meksykańskiej (w szczególności południowo-wschodniej Luizjany)2. Badanie ukończono w 2023 r. Zajęto się w nim luką w literaturze dotyczącej CCUS, a mianowicie szczegółowym modelowaniem głównie źródeł przemysłowych emisji punktowych, które wymagają modernizacji istniejących obiektów dzięki technologii wychwytywania i transportu dwutlenku węgla.3

Polski potencjał składowania CO2 wynosi 12 813-15 612 mln t. To umożliwia składowanie emisji z procesów przemysłowych przez około 830 lat

Modernizacja istniejącej sieci obiektów przemysłowych stanowi zarówno szansę, jak i wyzwanie. Szansa ta związana jest z cyklem życia typowego obiektu przemysłowego. Planowanie funkcjonowania wielu inwestycji przemysłowych przewiduje okres użytkowania aktywów mierzony w dziesięcioleciach, a nie latach. Co więcej, tak zwana rewolucja łupkowa spowodowała w ciągu ostatniej dekady znaczne inwestycje w aktywa petrochemiczne. Amerykańska Rada Chemiczna (American Chemical Council), która śledzi tego typu inwestycje poinformowała, iż od 2010 r. w tym sektorze w Stanach Zjednoczonych zainwestowano 200 mld USD.4

W związku z powyższym modernizacja istniejących zakładów dzięki technologii redukcji emisji dwutlenku węgla oferuje drogę do produkcji chemikaliów i produktów materialnych o niższych emisjach bez porzucania cennego aktywa, które przez cały czas ma wieloletnią wartość produkcyjną. Wyzwanie polega jednak na tym, iż indywidualne modernizacje odizolowanych obiektów z całkowitym wychwytywaniem, transportem i ewentualnym wykorzystaniem lub składowaniem dwutlenku węgla obciążają wszystkie koszty inwestycji w produkty.

Najbardziej prawdopodobną drogą rozwoju jest grupowanie emisji punktowych, obiektów wychwytywania, transportu i składowania. Współdzielenie infrastruktury w tego typu „klastrze” może przynieść korzyści skali, które następnie wpływają na obniżenie kosztu w przeliczeniu na tonę CO2. Ta przedmiotowa koncepcja jest określana jako hub CCUS.

Przemyślany wybór

Badanie Andlinger Center dotyczyło stanu Luizjana. Był to przemyślany wybór, który pozwala na uzyskanie pierwszych informacji na temat tego, co będzie prototypowym hubem CCUS. Pomocne będzie odwołanie się do dynamiki „podaży i popytu” polegającej na redukcji emisji gazów cieplarnianych. Strona podażowa to antropogeniczna emisja CO2. Jednak źródła przemysłowe emitujące punktowe emisje gazów cieplarnianych nie są równomiernie rozłożone.

Zakład petrochemiczny – zbiorniki rafineryjne (zdjęcie: Shutterstock)

Zwykle występują w ścisłym zgrupowaniu w podregionach w Europie, Ameryce Północnej i Azji. W przypadku CCUS jest to sprzyjająca okoliczność, ponieważ koszty CC (ang. Carbon Capture) są silnie powiązane z lokalizacją i koncentracją CO2 w emisjach przemysłowych.

Strona popytowa CCUS jest dwojaka. Do utylizacji CO2 popyt jest liniowo powiązany z ekonomiką biznesową CO2 jako surowca (na przykład z zastosowaniem zielonego wodoru w celu dekarbonizacji metanolu). Jednak ogólnogospodarcze modelowanie ścieżek redukcji emisji gazów cieplarnianych nieuchronnie prowadzi do wniosku, iż większość wychwyconego CO2 będzie składowana lub sekwestrowana. 5 Wykorzystanie CO2 na dużą skalę jako surowca, przynajmniej przez najbliższe 5 do 10 lat, nie będzie powszechne. Większość wychwyconego CO2 zostanie zmagazynowana.

Struktury geologiczne

W tym przypadku strona „popytowa” jest powiązana z dostępnością, niezawodnością i niskobudżetowymi opcjami — prawie zawsze o charakterze geologicznym. Korzystne struktury geologiczne, takie jak wyczerpane złoża ropy naftowej i gazu, formacje solne i formacje mineralizacyjne, są również nierównomiernie rozmieszczone. Podczas gdy Ameryka Północna ma korzystne warunki geologiczne w wielu lokalizacjach, Europa posiada je już w mniejszym zakresie, a Japonia praktycznie nie ma ich wcale.

Polski potencjał składowania CO2 wynosi 12 813-15 612 mln t, co umożliwia składowanie emisji z procesów przemysłowych przez około 830 lat, a emisji z elektrowni i elektrociepłowni przez około 100 lat, przy założeniu pełnego wychwytu CO2.6

Zarówno względy „podaży”, jak i „popytu” sprawiają, iż Luizjana w Stanach Zjednoczonych jest idealnym studium przypadku. Uważa się, iż Luizjana ma doskonałe perspektywy dla podziemnego geologicznego składowania CO2. Jest to również jeden z najbardziej zagęszczonych przemysłowo stanów w kraju ze 190 zakładami przemysłowymi, które w 2019 r. wyemitowały 130 t metrycznych dwutlenku węgla (Mt CO2), czyli prawie trzy czwarte całkowitych emisji stanu.7

Analiza i najważniejsze ustalenia

Badanie Andlinger Center rozważa potencjał redukcji przemysłowych emisji gazów cieplarnianych przy użyciu CCUS w Luizjanie z trzech perspektyw: kosztów wychwytywania emisji CO2, lokalizacji źródła przemysłowego, odpowiedzialnego za punktowe emisje do wychwytywania oraz optymalnej lokalizacji sieci rurociągów CO2 zarówno z punktu widzenia kosztów, jak i wsparcia wspólnotowego.

Optymalizacja i uwzględnienie (w przypadku wsparcia interesariuszy) wszystkich trzech zakresów, będzie miało zasadnicze znaczenie dla wszystkich wdrożenia CCUS na skalę, która może znacząco zmniejszyć przemysłowe emisje CO2. 8

Budowa dużego gazociągu w środku lasu (zdjęcie: Shutterstock)

Modelowanie kosztów

Nowoczesne urządzenia do wychwytywania dwutlenku węgla na bazie rozpuszczalników aminowych mogą wychwytywać 95% emisji CO2 i dlatego mogą stanowić realne rozwiązanie kwestii dekarbonizacji źródeł przemysłowych emisji punktowych. Poszczególne etapy procesu obejmują wychwytywanie, sprężanie i odwadnianie — ostatni etap ma najważniejsze znaczenie dla transportu w rurociągach (CO2 i woda tworzą kwas węglowy, który może uszkadzać rury i urządzenia, co już jest źródłem uszkodzeń w sprzęcie i infrastrukturze naftowej i gazowej).

Kluczowymi zmiennymi w strumieniu przemysłowym są stężenie CO2 w strumieniu i całkowity przepływ objętościowy strumienia. Stężenie CO2 różni się znacznie w zależności od rzeczywistej stechiometrii chemicznej procesu. Typowe procesy spalania paliwa kopalnego (w warunkach przemysłowych często kotła lub pieca) wynoszą od 4 do 14% objętości, podczas gdy bezpośrednie emisje CO2 z procesów przetwarzania chemicznego mogą być znacznie wyższe i zwykle są również mniej zanieczyszczone, co sprawia, iż procesy te są szczególnie dobrymi kandydatami do redukcji emisji CO2 dzięki CCUS.

Szczegółowe modelowanie inżynierii chemicznej typowej jednostki wychwytywania dwutlenku węgla ze źródła przemysłowego wykazało, iż uśredniony koszt na tonę wychwyconego CO2 wahał się znacznie – od poniżej 25 USD do nieco poniżej 200 USD. Największym czynnikiem napędzającym jest koncentracja emisji CO2 w strumieniu wychwytywania z dodatkowym wpływem wynikającym z rocznego współczynnika wychwytywania (mierzonego w Mt CO2 wychwyconego w ciągu roku). Te dwa czynniki generujące koszty wskazują na to, co byłoby idealną lokalizacją do stworzenia sieci jednostek CC – a mianowicie obszar o dużym wolumenie stosunkowo skoncentrowanych emisji.

Podsumowanie badania modelowego centrum Andlingera

• Przemysłowe źródła emisji gazów cieplarnianych są dość zróżnicowane i różnią się znacznie w zakresie działalności jednostek generujących emisje (elektrownia, produkcja chemiczna, przetwórstwo gazu, rafineria itp.).
• Pomimo złożoności procesu, rzeczywiste koszty wychwytywania są najsilniej uzależnione od koncentracji co2 w strumieniu i całkowitej ilości co2 produkowanego w ciągu roku.
• Istnieją znaczne rożnice między jednostkami pierwszymi w swoim rodzaju i n-tymi w swoim rodzaju, przy czym koszty uśrednione spadły aż o 43%. Efekt ten jest często widoczny we wdrażaniu nowych technologii, gdy przechodzi się przez krzywą doświadczenia – taką jak opisana przez krzywe „s” i prawo Wright’a.
• Nawet na obszarach o gęsto zabudowanych obiektach przemysłowych znajduje się znaczna liczba mniejszych obiektów. Są one szczególnie korzystne dla bycia częścią infrastruktury i udostępniania jej w klastrze.
• Optymalizacja sieci przesyłu co2 (najlepsza jest krótsza długość większych rurociągów) obniża koszty choćby o dwie trzecie.

Klastry emisji przemysłowych

Do badania wybrano Luizjanę jako poligon doświadczalny do rozważenia zoptymalizowanej sieci CCUS, ponieważ w zakresie kosztów wychwytywania dwutlenku węgla oraz innych istotnych czynników Luizjana była najodpowiedniejszym terenem9. Jak wspomniano powyżej, Luizjana ma doskonałe podziemne uwarunkowania do magazynowania CO2 oraz duży wolumen emisji punktowych ze źródeł przemysłowych.

Aby zobrazować skalę tych emisji, tylko Teksas ma wyższe całkowite przemysłowe emisje gazów cieplarnianych – Teksas i Luizjana razem wzięte są większe niż kolejne osiem stanów z 10 największych emitentów przemysłowych razem wziętych. Prawie dwie trzecie emisji przemysłowych Luizjany pochodzi z zakładów w południowo-wschodniej części stanu. Mimo, iż istnieją pojedyncze zakłady, których emisje są większe niż 5 Mt rocznie, 25% emisji pochodzi z mniejszych zakładów (mniej niż 1 Mt rocznie), co stanowi 78% zakładów przemysłowych w Luizjanie. Można przypuszczać, iż takie mniejsze obiekty mają wyższe koszty wychwytywania CO2 niż większe obiekty.

Korzystając z algorytmu geoprzetwarzania, w badaniu Andlinger Center wytypowano osiem klastrów w południowo-wschodniej Luizjanie, które objęło 77 indywidualnych źródeł emisji. Rodzaje obiektów w tych klastrach dobrze oddają różnorodność źródeł emisji, począwszy od przetwarzania gazu ziemnego, a skończywszy na instalacjach do produkcji wodoru, amoniaku, metanolu, etylenu i różnego rodzaju elektrowni. Stężenie CO2 wahało się od 4% w elektrowniach na gaz ziemny do 99% w przetwarzaniu gazu ziemnego. Roczne wskaźniki wychwytywania również różniły się o dwa rzędy wielkości, co podkreśla dodatkową złożoność wdrażania CCUS.

Koszty i opcje transportu

Koszty rurociągów CO2 zwykle zależą od średnic i długości rur, a także od topografii trasy.10 W badaniu11 zastosowano model open source, SimCCUSPRO, który obejmuje różne kategorie kosztów: koszty nabycia gruntów lub pasów drogowych; koszty materiałów i budowy; koszty operacyjne oraz możliwość dostosowania kosztów rurociągu do cech topograficznych różnych tras. Zgodnie z oczekiwaniami – krótsze odcinki i częstsze korzystanie z infrastruktury rurociągów CO2 obniżają koszty transportu.

W badaniu oceniono scenariusz zakładający obniżenie kosztów transportu o dwie trzecie z 12 USD za tonę dwutlenku węgla (USD/ tCO2) do 4 USD za tonę CO2 poprzez zredukowanie zagregowanego CO2 w kilometrze rurociągu (km) od ponad 700 km do około 200 km. 12

Implikacje dla przedsiębiorstw

Dane i spostrzeżenia z tego badania mogą być cennym wkładem w decyzje biznesowe i polityczne dotyczące dekarbonizacji przemysłu ciężkiego. Polski Instytut Ekonomiczny szacuje, iż w Polsce budowa instalacji do wychwytu CO2 jest opłacalna ekonomicznie przy wysokich cenach uprawnień do emisji CO2. w tej chwili prognozy wskazują, iż większość polskich planowanych projektów CCS może być opłacalna przy cenach na poziomie 90-140 EUR/t, z wyjątkiem Projektu CCS Radom, który mógłby być zrealizowany w niższych kosztach (40-90 EUR/t). 13 W artykule przedstawiono analityczną metodę oceny ekonomiki węzłów CCUS w danym regionie.

Wynika z niego jasno, iż huby CCUS mogą być atrakcyjną strategią redukcji emisji tylko na obszarach o korzystnej geologii i wysokiej koncentracji źródeł emisji. Badanie wykazało, iż w odpowiednich regionach i w odpowiednich warunkach model wdrażania CCUS w oparciu o węzeł to pożądana pomoc w osiągnięciu znacznych ograniczeń kosztów. Branżowa kooperacja w zakresie współdzielonej infrastruktury może pomóc obniżyć koszty o połowę w porównaniu z projektami typu „punkt-punkt” (point to point) dla samego tylko wychwytywania CO2 do magazynu.

W zakresie wychwytywania – jako największego składnika kosztów CCUS – wspólna instalacja do wychwytywania spalin jest sposobem na obniżenie kosztów procesu. Natomiast wspólny transport i magazynowanie z dużych i małych źródeł wspiera zwiększenie opłacalności małych źródeł. Dla badanego w analizie regionu wykazano, iż koszt wychwytywania, transportu i składowania CO2 wynosi zaledwie około 115 USD/t CO2. Jest to wynik bliski benchmarkowi 100 USD/t CO2.

Taką wartość przyjmuje się jako konieczny koszt wychwytywania, aby proces był ekonomicznie opłacalny na dużą skalę. Na podstawie analizy mamy przesłanki do przypuszczeń, iż region południowo-wschodniej Luizjany i inne o podobnych cechach mogą zasługiwać na rozważenie CCUS przy braku dostępności opcji dekarbonizacji o lepszych warunkach ekonomicznych. W badaniu obliczono, iż całkowity koszt kapitałowy wymagany do wychwytywania 100% przemysłowych emisji CO2 w południowowschodniej Luizjanie (czyli 73 Mt CO2 rocznie) wynosi około 45 mld USD rozłożonych na dwie dekady, czyli 2,25 mld USD rocznie. Odpowiada to średniemu rocznemu wydatkowi kapitałowemu dla wszystkich z 77 emitentów w wysokości około 30 mln USD.

Powyższe korzyści skali można osiągnąć jedynie poprzez branżową współpracę w celu alokacji kosztów w sposób akceptowalny dla wszystkich uczestników. Biorąc pod uwagę liczbę zaangażowanych obiektów i organizacji, stanowi to niemałe wyzwanie koordynacyjne, ale istnieją podstawy do pogłębionej analizy. Na kształt, jaki może przybrać kooperacja branżowa, będzie miało wpływ wiele czynników, niektóre z nich mają charakter czysto ekonomiczny. Dla przykładu pionierzy najprawdopodobniej będą musieli uporać się z wysokimi kosztami budowy jednostek CCUS, ponieważ koszt urządzeń, co do zasady, maleje wraz z kolejnymi wdrożeniami oraz skalą. To sprawia, iż na większych firmach spoczywa ciężar związany z adaptacją nowego rozwiązania do zastosowań rynkowych.

Kolejnym wyzwaniem, które rządy i podmioty komercyjne powinny rozważyć od samego początku, jest społeczna akceptacja dla takich projektów infrastrukturalnych. W kilku obszarach pojawiły się już pewne reakcje na proponowane projekty CCUS. najważniejsze znaczenie ma uwzględnienie opinii zainteresowanych stron, takich jak pobliskie społeczności, grupy ekologiczne i organy regulacyjne przy opracowywaniu projektów wielkoskalowych.

Kontenery z ciekłym gazem ziemnym w strefie przemysłowej Europort w Rotterdamie (zdjęcie: Shutterstock)

Wnioski

Na podstawie lektury kluczowych analiz dotyczących dekarbonizacji można wysnuć wniosek, iż nie ma drogi do zerowej emisji netto do 2050 r., która nie wykorzystuje CCUS. W porównaniu z dziesiątkami opracowywanych technologii ograniczania emisji przemysłowych, CCUS jest stosunkowo dojrzały, co oznacza, iż może być skutecznie wdrażany w krótkim okresie, a także, jak pokazuje przedmiotowe badanie, w odpowiednich okolicznościach może mieć korzystne warunki ekonomiczne. Zadaniem, przed którym stoją emitenci przemysłowi i decydenci jest zrozumienie, w jaki sposób i gdzie je wdrożyć, aby zmaksymalizować korzyści skorygowane o koszty i zminimalizować ryzyko w porównaniu z innymi alternatywami w sposób akceptowalny społecznie.

Z badania wynika, iż wdrożenie hubów CCUS w klastrach przemysłowych zlokalizowanych na obszarach o korzystnej geologii może prowadzić do korzyści skali, które zapewniają stosunkowo atrakcyjną rentowność. Osiągnięcie tego celu wymagałoby współpracy między uczestnikami branży, organami regulacyjnymi i rządem oraz konsultacji z zainteresowanymi stronami, w tym grupami obywatelskimi i ekologicznymi. Nie bez znaczenia jest też fakt, iż amerykańska ustawa z 2022 r. (Ustawa o redukcji inflacji – IRA, ang. Inflation Reduction Act) rozszerza i zwiększa zachętę ekonomiczną do budowy przemysłowych obiektów CCUS.

W Polsce instalacje CCUS byłyby ogromnym wsparciem dla podniesienia konkurencyjności na globalnym rynku w średnim i długim okresie, szczególnie dla przemysłu chemicznego, cementowego oraz stalowego i metalurgicznego. Należy pamiętać, iż produkty tych sektorów mają najważniejsze znaczenie dla budowania zrównoważonej krajowej gospodarki. Biorąc pod uwagę pilny charakter wyzwania związanego ze zmianą klimatu, kilka dużych inicjatywy przemysłowych zapowiedzianych przez czołowych emitentów krajowych oraz kierunek rozwoju unijnych i polskich regulacji w zakresie CCS, wdrożenie hubów CCUS w klastrach przemysłowych zlokalizowanych na terenie Polski jest jedną z perspektyw rozwoju tej technologii.

Deloitte jest parterem Raportu Carbon Capture w Polsce

Tekst:
Piotr Hałoń, Deloitte, Partner Associate Energy, Resources & Industrials
Marta Iwańczuk-Grzywna, Deloitte, Senior Manager Energy, Resources & Industrials
Artykuł powstał na podstawie raportu Deloitte: Carbon capture, utilization and storage hubs: A necessity to achieve emissions goals in hard-to-abate sectors, 2023 Deloitte Development LLC

Pobierz nasz Raport Carbon Capture w Polsce bezpłatnie:

Raport Carbon Capture w Polsce 2024

Pobierz raport ZA DARMO i zapisz się do newslettera

Wyślij link na adres email:

Zaznaczenie pola oznacza wyrażenie zgody na otrzymywanie od Biomass Media Group Sp. z o.o. z siedzibą w Poznaniu drogą e-mailową newslettera oraz innych informacji handlowych w celu marketingu bezpośredniego, która jest świadczeniem wzajemnym w zamian za otrzymanie możliwości pobrania określonych treści. Zgoda ta może zostać wycofana w dowolnym momencie poprzez wykorzystanie linku dezaktywacyjnego dostępnego w każdej wiadomości. Więcej informacji na temat przetwarzania Twoich danych znajdziesz w Polityce prywatności [https://magazynbiomasa.pl/polityka-prywatnosci/].

PRZYPISY

1. Gunawan, T.A., Luo, Greig, C., and Larson, E., Shared CO2 capture, transport, and storage for decarbonizing industrial clusters, Applied Energy, vol. 359, p. 122775, 2024.
2. American Chemistry Council (ACC), “US chemical industry investment linked to shale gas tops $200 billion,” press release, May 16, 2022.
3. Eric Larson et al., Net-zero America: Potential pathways, infrastructure, and impacts [Final report summary] (Princeton, NJ: Princeton University, 2021).
4. Czas na polski CCS? Szanse i wyzwania wychwytu i składowania CO2 w polskim przemyśle, Polski Instytut Ekonomiczny, Warszawa, 2024.
5. David E. Dismukes et al., Integrated carbon capture and storage in the Louisiana chemical corridor, Louisiana State University Center for Energy Studies, February 18, 2019.
6. Gunawan, T.A., Luo, Greig, C., and Larson, E., Shared CO2 capture, transport, and storage for decarbonizing industrial clusters, Applied Energy, vol. 359, p. 122775, 2024
7. Gary Teletzke et al., Evaluation of practicable subsurface CO2 storage capacity and potential CO2 transportation networks, onshore North America, presented at the 14th Greenhouse Gas Control Technologies Conference (Melbourne, Australia), October 21–26, 2018.
8. ArcGIS Pro, a desktop Geographic Information System (GIS) software developed by Esri.
9. Brendan Hoover, Sean Yaw, and Richard Middleton, “CostMAP: An open-source software package for developing cost surfaces using a multi-scale search kernel,” International Journal of Geographical Information Science 34, no. 3 (2020): pp. 520–38
10. Gunawan, T.A., Luo, Greig, C., and Larson, E., Shared CO2 capture, transport, and storage for decarbonizing industrial clusters, Applied Energy, vol. 359, p. 122775, 2024
11. Czas na polski CCS? Szanse i wyzwania wychwytu i składowania CO2 w polskim przemyśle, Polski Instytut Ekonomiczny, Warszawa, 2024.