Koldioxid kan slutlagras i jorden

På 1970-talet oroade vi oss för att de fossila bränslena skulle ta slut. I dag är det nästan så att man kan fråga sig om inte problemet är det omvända – att de inte hinner ta slut innan påverkan på klimatet har blivit alltför omfattande.

De flesta människor på jorden har en levnadsstandard och energiförbrukning som är mycket lägre än vår. God ekonomisk tillväxt, framför allt i utvecklingsländerna, kan förväntas ge en kraftigt ökad efterfrågan på energi. Samtidigt talar allt mer för att de totala koldioxidutsläppen måste minskas. Det kan också visa sig dyrt och svårt att snabbt ersätta de fossila bränslena med alternativa energikällor. En svårlöst ekvation kan det tyckas – men det finns faktiskt en möjlighet att använda de fossila bränslena utan att släppa ut koldioxid.

Koldioxiden går att lagra

Länge har det ansetts meningslöst att minska koldioxidutsläppen genom rening eftersom man ändå inte har haft någonstans att göra av koldioxiden. Nu finns emellertid goda skäl att omvärdera detta. Utvecklingen av teknik för att utvinna olja och gas på stora djup har ökat tillgången på fossila bränslen men paradoxalt nog också öppnat en möjlighet för att göra sig av med koldioxid.

Slutlagring av koldioxid i större skala är inte bara teknisk möjlig, det görs redan i dag. I Sleipnerfältet i Nordsjön lagras sedan fem år tillbaka en miljon ton koldioxid årligen, vilket kan jämföras med de totala svenska utsläppen på 60 miljoner ton om året. Koldioxiden i Sleipnerfältet är en restprodukt från rening av naturgas och lagras ungefär tusen meter under havets botten i en akvifär, dvs poröst berg som innehåller vatten.

Denna typ av lagring anses säker, och potentialen är stor: man har uppskattat att Utsira-akvifären i Nordsjön, som är 200-300 meter hög och har en yta av 26 000 kvadratkilometer, skulle kunna lagra en mängd koldioxid som motsvarar utsläppen från samtliga Europas kraftverk under många hundra år. Ett annat koldioxidlager planeras i Natunafältet utanför Borneo. Här handlar det om att ta emot mycket stora mängder årligen, 200 miljoner ton koldioxid per år. Det är lika mycket som en fjärdedel av utsläppen från Europas kraftverk.

Koldioxiden sjunker

Koldioxid kan också förvaras i djuphavet. På djup under 500 meter är trycket så högt att denna gas är flytande. Koldioxiden är visserligen något lättare än havsvattnet, men om den blandas med havsvattnet på lämpligt sätt blir densiteten högre, vilket gör det möjligt att lagra koldioxid i havet. Ett ännu bättre alternativ kan vara att lagra den under 3 000 meters djup där även ren koldioxid är tyngre än vattnet och alltså lägger sig på bottnen. För denna typ av lagring finns det också gott om plats. Medeldjupet i världshaven är 3 700 meter och tre fjärdedelar av världshaven är djupare än 3 000 meter. Men det krävs mer forskning om hur denna lagring påverkar miljön innan metoden kan tillämpas i större skala.

Att använda oljefält och gasfält, liksom djupt liggande kollager, är ytterligare tänkbara platser för att lagra koldioxid. Alla dessa olika lagringsplatser är relativt billiga. Kostnaderna beräknas till några tiotal kronor per ton koldioxid, dvs en bråkdel av den svenska koldioxidskatten på 530 kronor per ton koldioxid. Lagring i oljefält kan göras i samband med s k utökad oljeutvinning, vilket innebär att man ökar produktionen av olja från ett fält genom att injicera koldioxid i tomrummet efter tidigare uppumpad olja. Lagringen blir i detta fall till och med lönsam tack vare intäkterna från den ökade oljeproduktionen.

Dubbelt så dyr el

Men det måste väl finnas någon hake? Jo, det gör det, för det kostar både pengar och energi att avskilja koldioxid från de rökgaser som bildas vid förbränning. Här talar vi om en minskning i verkningsgraden hos kraftverk från ca 40 till 30 procent för ett kolkraftverk, och från ca 60 till 50 procent för ett gaseldat kraftverk. Kostnaden ligger i storleksordningen 500 kronor per ton koldioxid, och kostnaden för att producera el skulle kanske öka med 50-100 procent, eller med omkring 10-

15öre per kilowattimme. Ändå talar vi om kostnader som är jämförbara med kostnaderna för el från vindkraft och är betydligt lägre än el från solenergi. Det är alltså dyrt att ta bort koldioxid, men det är inte orimligt dyrt om det visar sig nödvändigt att kraftigt begränsa utsläppen av växthusgaser.

Vätgasbilar eller vätgaskraftverk

Hur ser då tekniken ut för att avskilja koldioxid? För att få rimlig ekonomi på hantering och transport av koldioxid bör avskiljningen ske i stor skala, och då finns det två möjligheter: att koldioxiden avskiljs innan bränslet används eller samtidigt som det används.

I det första fallet omvandlas det fossila bränslet till koldioxid och vätgas, koldioxiden avskiljs och i stället distribueras vätgas som bränsle. Vätgas har den stora fördelen att dess förbränning är mycket miljövänlig. Det blir i princip bara vattenånga som avgas. Tekniken för att producera vätgas är dessutom väl känd – detta görs i stor skala i samband med exempelvis framställning av konstgödsel. Vätgasen är dock betydligt dyrare än kommersiella bränslen. Det krävs dessutom uppbyggnad av distributionsnät för vätgas, liksom att t ex bilmotorer anpassas för detta bränsle.

I det andra fallet används det fossila bränslet för att producera el i ett kraftverk med koldioxidrening. Potentialen hos sådan koldioxidrening är stor, en tredjedel av koldioxidutsläppen kommer från kraftverk, och av allt att döma kommer elanvändningen att öka snabbare än övrig energiförbrukning. I det följande kommer jag därför att beskriva kraftverk med koldioxidrening.

Det ofrånkomliga kvävet

Förbränning innebär att syre i luft reagerar med ett bränsle, dvs något som är uppbyggt av grundämnena kol och väte, till koldioxid och vatten i form av ånga. Vattenångan är lätt att skilja från koldioxiden eftersom den bildar en vätska om rökgasen kyls till omgivningens temperatur.

Det stora problemet är att luft till fyra femtedelar består av kväve, och vid normal förbränning är det ofrånkomligt att kvävet blandar sig med förbränningsprodukterna koldioxid och vatten. Det är inte alls lika enkelt att skilja koldioxiden och kvävet som att avskilja vattnet. Det finns förslag på ett stort antal processer där fossila bränslen som kol och naturgas omvandlas till nyttig energi samtidigt som koldioxid avskiljs. Dessa kan indelas i fyra grupper (bild 3).

En beprövad metod

Den enda teknik som kan sägas vara etablerad innebär att koldioxiden avskiljs från rökgasen efter förbränningen. Metoden användes i kraftverk i början av 1980-talet för att producera koldioxid som pumpades tillbaka till oljefälten för att öka utvinningen. Tekniken utnyttjas även i dag i enstaka kraftverk för att producera koldioxid för livsmedelsindustrin.

Avskiljningen åstadkoms genom att man låter rökgasen komma i kontakt med ett absorptionsmedel, monoetanolamin, som binder koldioxiden. Absorptionsmedlet avger sedan koldioxiden genom att det värms i en annan reaktor. Problemet är då att det går åt en hel del energi, vilket minskar verkningsgraden, samt att den här typen av reningsanläggningar kostar en hel del pengar. Forskning och utveckling pågår, bl a för att hitta effektivare absorptionsmedel.

Reningen kan också göras före förbränningen, s k O2/CO2-förbränning, och innebär att man i stället avskiljer kvävet från förbränningsluften. Rent syre är inte så lämpligt att använda direkt för förbränning utan man späder ut det genom att återcirkulera rökgas, dvs koldioxid. Man förbränner alltså bränslet i en blandning av syre och koldioxid, därav namnet. Att avskilja kvävet i förbränningsluften är av allt att döma ungefär lika dyrt och energikrävande som att skilja koldioxid från rökgas.

Koloxidskift är ett tredje alternativ. Metoden innebär att man först omvandlar bränslet genom att tillsätta luft, rent syre eller vatten. Man får då en gas som innehåller vattenånga, koldioxid, vätgas och koloxid. Genom skiftreaktionen omvandlas vattenånga och koloxid till vätgas och koldioxid. Därefter avskiljs koldioxiden, och vätgasen kan förbrännas. Fördelen med detta förfarande är att koldioxiden har en mycket högre koncentration vid reningssteget. Därmed blir reningen enklare och billigare. Å andra sidan är själva förbränningsprocessen mer komplicerad.

Som tidigare nämnts är tekniken för att producera vätgas väl känd. Norsk Hydro aviserade redan våren 1998 planer på att bygga naturgaseldade kraftverk med koldioxidrening med denna teknik. För närvarande ligger dock dessa planer på is.

Indirekt förbränning

Ett fjärde alternativ och ett helt annat sätt att närma sig problemet är förbränningsprocesser där förbränningsluften inte är i direktkontakt med bränslet. På detta sätt blandas aldrig koldioxiden med kvävet, och man slipper göra en rening. För att detta ska fungera måste man på något sätt flytta syret från förbränningsluften till bränslet. Två exempel på sådana processer är bränsleceller och tvåstegsförbränning.

I bränsleceller är bränslet och luften separerade av ett elektrolytiskt membran genom vilket syret transporteras. Elektrolyten omges av två ytor: katoden, där syret tas upp ur luften, och anoden, där syret reagerar med bränslet under bildning av koldioxid och vatten. Reaktionerna ger upphov till en spänning mellan katoden och anoden. På detta sätt produceras alltså elektrisk energi direkt utan att man går den vanliga omvägen via värme. Eftersom membranet inte släpper igenom kväve kan man få koldioxiden för sig och slipper separationsprocesser.

Kostnaden per kilowattimme för el från bränsleceller har uppskattats vara ungefär dubbelt så hög som i ett modernt naturgasbaserat kraftverk, men verkningsgraden kan bli mycket hög för denna typ av kraftverk – uppemot 70 procent. Ett mindre bränslecellkraftverk med koldioxidrening, som byggs av Shell i Norge, ska stå klart om något år.

I tvåstegsförbränning används metalloxidpartiklar för att flytta syret mellan två reaktorer: den ena en luftreaktor där syret tas upp av partiklarna, den andra en bränslereaktor där syret avges till bränslet. Reaktorerna utförs lämpligen i form av två hopkopplade bubblande partikelbäddar som har utformats så att man får ett utbyte av partiklar mellan de två reaktorerna. Partikelflödet mellan reaktorerna tjänar alltså som syretransportör. Gasen som lämnar bränslereaktorn består av koldioxid och vattenånga, den senare avskiljs enkelt genom kondensering, och vi får då en förbränningsprocess där koldioxid erhålls i ett separat flöde utan någon energikrävande rening. Denna förbränningsprocess kan ersätta vanlig förbränning, och kraftverk med den här förbränningstekniken bör kunna få samma verkningsgrad som kraftverk med vanlig förbränning utan rening.

Processen befinner sig i ett tidigt utvecklingsskede och har endast testats i laboratorieskala. Det finns ännu inga tillförlitliga uppskattningar av kostnaden för dessa kraftverk, men tekniken har stora likheter med trycksatt bubblande partikelbäddförbränning av kol och man kan förvänta sig likartade kostnader. I Sverige bedrivs forskning på processen vid Chalmers tekniska högskola i Göteborg, med inriktning på utveckling av partiklar och på utformning av reaktorsystemet, liksom på Kungl Tekniska Högskolan i Stockholm där kraftprocessens utformning studeras.

Reningen fällde regering

Trots att frågan om koldioxidrening har fått sådan politisk sprängkraft i Norge att Bondevik-regeringen våren 2000 fick avgå på denna fråga, har möjligheten till koldioxidrening fått oväntat liten uppmärksamhet i Sverige.

Vilken roll kan då koldioxidrening och lagring få i framtiden? I nuläget är koldioxidrening ganska ointressant, eftersom de krav som ställs på minskning av utsläppen (i Kyoto-protokollet) är måttliga och många åtgärder finns som är mycket billigare. Men om mer kraftfulla åtgärder erfordras kan kostnaderna för att minska koldioxidutsläppen öka snabbt. Då kan koldioxidrening bli en mycket viktig faktor för att utsläppen ska kunna begränsas till rimliga kostnader. Därmed ökar också sannolikheten för att det ska gå att nå globala överenskommelser om begränsningar av utsläppen.