Möjligheter för avskiljning och lagring av koldioxid i Sverige. - Underlagsrapport till Vägval för framtidens teknikutveckling

Transkript

1 Möjligheter för avskiljning och lagring av koldioxid i Sverige - Underlagsrapport till Vägval för framtidens teknikutveckling

2 Möjligheter för avskiljning och lagring av koldioxid i Sverige Bakgrund Följande sammanfattning av möjligheterna att utnyttja avskiljning och lagring av koldioxid som en klimatåtgärd i Sverige har utarbetats av Stefan Grönkvist och Bengt Nippe Hylander på ÅF i Stockholm. Materialet är en underlagsrapport som beställts av arbetsgruppen teknikutveckling inom Kungliga Ingenjörvetenskapsakademiens (IVA) projekt Vägval Koldioxidavskiljning och -lagring i ett globalt perspektiv Avskiljning av koldioxid från stora utsläppskällor med efterföljande geologisk lagring (på engelska: carbon dioxide capture and storage, CCS) är globalt sett kanske den mest diskuterade metoden för att minska utsläppen av växthusgaser. Att metoden endast har diskuterats sparsamt i Sverige beror sannolikt på att metoden huvudsakligen diskuteras för tillämpningar på fossilbaserad kraftproduktion och att det finns få sådana anläggningar i Sverige. En annan orsak kan vara att förutsättningarna för geologisk lagring av koldioxid är bättre i många andra länder. Stora punktutsläpp av koldioxid i Sverige i förhållande till övriga världen Att diskussionen om CCS globalt sett är inriktad på fossilbaserad kraftproduktion är inte speciellt anmärkningsvärt om vi betraktar världens stora punktutsläpp av koldioxid, se figur 1. Sverige saknar dock inte stora punktutsläpp av koldioxid men fördelningen av dessa mellan olika industriella sektorer ser helt annorlunda ut, se figur 2. Järn och stål Raffinaderier Petrokemi Olje- och gasbehandling Övriga källor Bioetanol och bioenergi Cement Kraftproduktion/energisektorn Figur 1 Fördelning av globala utsläpp av koldioxid från punktemissionskällor med utsläpp över ton CO 2 under år (Källa: IPCC, 2005) 1

3 Kraftproduktion/energisektorn Massa och papper Cement och mineral Raffinaderier Petrokemi, kemisk och övrig metallindustri Järn och stål Figur 2 Fördelning av svenska utsläpp av koldioxid från punktemissionskällor med utsläpp över ton CO 2 under år 2006 (Källa: ÅF, 2008) Figur 1 och 2 visar samtliga utsläppskällor över ton koldioxid per år. För Sveriges del är industriella utsläppskällor än mer dominanta för riktigt stora utsläppskällor. Energisektorns andel motsvarar endast 5 % av utsläppen från Sveriges 14 utsläppskällor med utsläpp över en miljon ton koldioxid per år. De totala utsläppen från dessa stora punktutsläpp är ungefär 23 miljoner ton koldioxid, vilket motsvarar en försvarlig mängd i förhållande de 65,7 miljoner ton koldioxidekvivalenter som år 2006 motsvarade Sveriges totala utsläpp av växthusgaser [Swedish Environmental Protection Agency, 2008]. Även om den relativa signifikansen inte är lika stor internationellt sett, är avskiljning och lagring av koldioxid från industriella källor inte en bortglömd möjlighet. International Energy Agency (IEA) påpekade exempelvis att 10 till 20 fullskaliga avskiljningsprojekt från industriella utsläppskällor behöver vara igång vid år 2025 (för att kunna upprätthålla en global industriell utvecklingsnivå kombinerat med en nödvändig och ansvarsfull klimatpolitik, författarnas anmärkning) [IEA, 2008]. Samtidigt påpekades att 20 till 30 fullskaliga avskiljningsprojekt från kraftsektorn behövs mycket snart för att tekniken skall kunna vara kommersiellt mogen vid år Vilken roll spelar koldioxidavskiljning och lagring i en kommande global klimatpolitik. Internationella sammanslutningar som G8 och Europeiska unionen har aviserat att CCS kommer att ha en nyckelroll i framtidens klimatpolitik. Efter energieffektivisering och ett ökat användande av förnybar energi pekar IEA ut CCS som den tredje viktigaste faktorn för att globalt sett kunna uppnå en nödvändig sänkning i nettoutsläppen av växthusgaser. I vilka sammanhang kan då koldioxidavskiljning och -lagring vara mer intressant än andra metoder för att dämpa klimatpåverkan? Frågan kan inte besvaras med ett enda övergripande svar då specifika förutsättningar är av stor vikt för vilken eller vilka klimatåtgärder som är mest lämpade för en industri, ett land eller en region. 2

4 För långtgående och långsiktiga minskningar av växthusgasutsläpp innebär CCS ofta mindre förändringar av dagens industriella och samhälleliga infrastruktur än andra klimatåtgärder, eftersom fossila bränslen utgör stommen i världens energiförsörjning. Det är också en situation som sannolikt inte kommer att förändras dramatiskt under de kommande decennierna. För industrin kan det även vara svårt eller omöjligt att på annat sätt begränsa utsläppen utan att samtidigt begränsa produktionen, speciellt för koldioxid som genereras i processen. Kostnader för olika delar i kedjan avskiljning till lagring Det finns en mängd faktorer som kommer att avgöra möjligheterna att utnyttja CCS som en klimatåtgärd, bland annat den allmänna spridningen och kommersiella tillgängligheten av tekniken samt allmän och politisk acceptans. Avgörande för huruvida tekniken kan komma att utnyttjas i stor skala är också den specifika kostnaden för undvikta koldioxidutsläpp i förhållande till kostnaden för någon form av utsläppsrätter och därigenom också i förhållande till kostnaden för andra klimatåtgärder. Förutom olika teknikers mognadsgrad finns ett antal tekniska och geografiska faktorer som påverkar den specifika kostnaden för avskiljning, transport och lagring av koldioxid. För avskiljning rör det sig om storleken på utsläppet, årlig driftstid (utnyttjandegraden), koldioxidkoncentrationen, föroreningar samt specifika processtekniska förutsättningar som totaltryck och möjligheter att effektivt integrera avskiljningsprocessen i den befintliga processen genom att exempelvis utnyttja spillvärme för avskiljningen. När det gäller de specifika kostnaderna för transport av koldioxid är geografiska förutsättningar som avstånd, havs- eller landbaserad transport, terräng och struktur på utsläppskluster avgörande tillsammans med storleken på det flöde som ska transporteras. De transportsätt som framför allt diskuteras för storskalig CCS är rörledningar och fartygstransport, där det senare transportsättet även ställer krav på mellanlager. Slutligen påverkas kostnaden för lagring av geologiska förutsättningar som berggrundens genomsläpplighet, storleken på lagret, djupet och om lagren är land- eller havsbaserade. Lagringskostnaden påverkas också av storleken på flödet som ska injiceras, behovet av, och kraven på, övervakning samt möjligheten att utnyttja befintlig infrastruktur från exempelvis gas- eller oljeindustrin. I samtliga steg i kedjan avskiljning till lagring kommer således storleken på koldioxidflödet in som en faktor som påverkar den specifika kostnaden för koldioxidavskiljning och -lagring, vilket är avgörande för diskussionen om de svenska möjligheterna att kunna utnyttja metoden i en framtida klimatpolitik. Geografisk fördelning av punktutsläpp i Sverige En illustration av den geografiska fördelningen av stora svenska punktutsläpp visas i figur 3. Figuren visar också de totala årliga utsläppen från olika utsläppskluster. 3

5 5,6 5,6 3,3 2,1 4,3 4,3 6,6 6,6 2,7 3,5 1,8 4,9 4,9 5,0 Figur 3 Regionala kluster av större svenska koldioxidutsläpp. Ringarna indikerar områden med högre täthet där de samlade utsläppen anges i miljoner ton koldioxid per år. (Källa: ÅF, 2008.) Vad talar för respektive mot de svenska möjligheterna? De specifika kostnaderna för avskiljning av koldioxid är starkt beroende av de lokala förutsättningarna och behöver studeras i varje enskilt fall innan vederhäftiga skattningar kan göras. Det finns dock vissa faktorer som kan ge en indikation på den relativa kostnaden för avskiljning från svenska punktutsläpp i förhållande till avskiljning från exempelvis kolkondenskraftverk. Förhållanden som talar för att avskiljning från svenska punktutsläpp kan vara relativt kostnadseffektiva är: att de industriella punktutsläpp som utgör den absoluta merparten av svenska punktutsläpp ofta genererar höga koldioxidkoncentrationer, att det i vissa fall går att utnyttja industriell spillvärme för avskiljningen och att det kan finnas processpecifika förutsättningar som kan medföra att någon särskild avskiljningsteknik kan bli effektiv i förhållande till motsvarande tillämpning inom kraftindustrin. Det sist nämnda gäller till exempel vissa processpecifika förutsättningar inom cementindustrin. Förhållanden som talar i motsatt riktning är att Sverige inte har några punktutsläpp i storleksordningen 10 miljoner ton koldioxid per år, vilket finns i våra grannländer Polen och Tyskland, och att kapital- och driftkostnaden för den energi som krävs för avskiljningen kan bli lägre i ett kraftverk än i de industriella tillämpningarna. När det gäller den specifika kostnaden för transport och lagring av koldioxid pekar det mesta mot att dessa skulle bli höga i förhållande till kostnaden i flera av våra grannländer. Huvudskälet till detta är att de geologiska lagringsmöjligheterna i Sverige inte är fördelaktiga då de 4

6 enda potentiella lagringsplatser som identifierats ligger syd eller sydost om Gotland, i sydvästra Skåne och i ett område mellan Sverige och Danmark. Dessa potentiella lagringsplatser ligger i många fall på stora avstånd från utsläppskällorna. För att kostnaden för transport inte skall bli oöverstigligt stor krävs troligtvis lagring i Östersjöregionen för huvuddelen av utsläppskällorna och där finns inte någon befintlig infrastruktur för transport och lagring. Det är inte heller säkert att geologiska formationer under Östersjön verkligen lämpar sig för koldioxidlagring. I Skåne och på Västkusten är förhållandena för transport och lagring gynnsammare, då det både kan finnas möjligheter att lagra koldioxid och att utnyttja de förutsättningar för lager och infrastruktur som finns i Danmark och i Norge. Teknikens utveckling kommer till största delen att bero på de incitament som klimatregelverk kommer att ge och EU:s finansiering av storskaliga demonstrationsprojekt kan komma att bli avgörande. Under förutsättningarna att tekniken kommer att nå en kommersiell mognad och att huvudinstrumentet för EU:s interna klimatpolitik även fortsättningsvis kommer att vara handelssystemet för utsläppsrätter, kommer troligtvis priset på utsläppsrätter långsiktigt att bestämmas av kostnaderna för koldioxidavskiljning och -lagring från stora kolkraftverk. Det kan på så sätt sätta ett kommersiellt tak för möjligheterna att utnyttja tekniken i Sverige. Uppskattade kostnader för koldioxidavskiljning och -lagring i Sverige Det finns mängder av kostnadsuppskattningar för koldioxidavskiljning och -lagring i litteraturen och vissa av dessa är dessutom presenterade som modeller. Säkerheten i kostnadsuppskattningar är av naturliga skäl inte särskilt stor då CCS inte utnyttjas kommersiellt för avskiljning från olika typer av utsläppskällor, utom i några specifika fall. Tekniker i vissa delsteg i kedjan avskiljning till lagring av koldioxid utnyttjas dock kommersiellt, exempelvis kompression och rörtransport av koldioxid samt vissa former av avskiljning. För dessa delsteg bör säkerheten i kostnadsuppskattningar därför vara bättre. De flesta kostnadsuppskattningar som gjorts redovisar kostnader för CCS som en kommersiellt mogen teknik och så är också fallet med de källor som används i de uppskattade kostnader som redovisats nedan. Tidsperspektivet för en sådan uppskattning blir på så vis snarare 2030 än 2020, eftersom tekniken sannolikt inte kommer att vara kommersiellt tillgänglig vid det tidigare årtalet. Även 2030 kommer att kräva en kraftsatsning enligt uppskattningar av bland annat IEA. Den specifika kostnaden som är förknippad med utnyttjandet av en viss teknik går generellt sätt ned när tekniken utvecklas och spridningsgraden ökar. Det finns inte någon anledning att tro att så inte kommer att bli fallet med CCS. Det finns emellertid också en trend som kan gå i motsatt riktning när det gäller kostnadsutveckling för avskiljning och lagring av koldioxid och det är att lågt hängande frukt kommer att plockas först. Det gäller troligtvis både vilka möjligheter som finns för koldioxidavskiljning och lagring av koldioxiden. För avskiljning av koldioxid finns det enligt det som beskrivits ovan ett antal faktorer som talar för att den kan utföras relativt kostnadseffektivt i Sverige medan det motsatta troligtvis gäller för lagring där det ofta finns betydligt bättre förutsättningar i några av våra grannländer. De uppskattningar av kostnader som redovisas i tabell 2 nedan är genomförda med utgångspunkt i de källor som redovisas nedan och med utsläppsdata från rapporten CO 2 -avskiljning i Sverige [ÅF, 2008]. De utsläppskällor som redovisas är från olika regionala kluster av utsläppskällor innefattande utsläppskällor över ton koldioxid per år. Dessa kluster innefattar inte samtliga stora svenska utsläppskällor av koldioxid och exempel på svenska utsläppskällor över eller omkring en miljon ton koldioxid per år som inte finns med är Billerud AB Gruvöns bruk, Södra Cell 5

7 AB Mönsterås bruk, M-real Sverige AB Husum, SCA Östrands massafabrik, Store Enso Skoghalls bruk och Mälarenergi Västerås kraftvärmeverk. De regionala klustren av utsläppskällor som redovisas kallas Region Luleå, region Gävle, Region Linköping, Norrköping, Nyköping, Region Gotland, Region Skåne och Region Göteborg. De utsläppskällor som finns redovisade i respektive region redovisas i tabell 1. Tabell 1 I tabellen redovisas punktutsläpp med koldioxidutsläpp över ton per år i de regionala utsläppsklustren. Region Punktutsläpp Utsläpp [Mton/år] Luleå Billerud Karlsborg Luleå Kraftvärmeverk SSAB Tunnplåt Smurfit Kappa Kraftliner Gävle Rottneros, Vallviks Bruk Korsnäs, Korsnäsverket Stora Enso Skutskärs bruk Linköping, Norrköping, Nyköping SSAB Oxelösund E.ON, Händelöverket Billerud Skärblacka Gotland Cementa AB Slite Skåne Södra Cell AB, Mörrum Stora Enso Nymölla bruk E.ON, Heleneholmsverket Göteborg Preemraff, Lysekil Borealis krackeranläggning Shell raffinaderi Preemraff, Göteborg Södra Cell AB, Värö bruk De kostnadsuppskattningar som redovisas nedan är uppskattade efter olika källor i litteraturen och det är kostnaden för undvikta koldioxidutsläpp som avses i uppskattningarna även om det i vissa fall är något oklart om det är kostnaden för undvikta eller infångade koldioxidutsläpp som anges i källorna. Skillnaden beror på att processerna för avskiljning och lagring av koldioxid i sig själva kräver energi vilket också genererar koldioxidutsläpp. För avskiljning av koldioxid inkluderar kostnadsuppskattningarna också kompression av koldioxid. Från järnoch stålindustrin har kostnaden för undvikta koldioxidutsläpp skattats till 35 USD/ton [Farla m.fl., 1995], 18 USD/ton [Gielen, 2003] och 29 euro/ton + 6 till 10 euro/ton för komprimering [Ecofys/TNO-NITG, 2004]. För raffinaderier är motsvarande kostnad euro/ton + 6 till 10 euro/ton för komprimering [Ecofys/TNO-NITG, 2004]. Skattningarna för avskiljningskostnaden från cementindustrin är 28 euro/ton + 6 till 10 euro/ton för komprimering [Ecofys/TNO-NITG, 2004] och för massa- och pappersindustrin 34 USD/ton [Möllersten m.fl., 2003]. För alla utsläppskluster utom Region Skåne och Region Göteborg anges transportavstånd i tabell 2 fågelvägen till ett tänkt lager sydost om Gotland. För Region Skåne anges ett tänkt lager i sydvästra Skåne och för Region Göteborg anges ett tänkt lager mellan Sverige och Danmark i höjd beläget mellan Ängelholm och Halmstad. För Region Luleå har även en transportväg redovisats till ett potentiellt koldioxidlager vid Hammerfest i Norge där 6

8 StatoilHydro idag bedriver utvinning av naturgas. Transportkostnaderna är uppskattade utifrån den internationella klimatpanelens (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) sammanställningar [IPCC, 2005] och med avstämning mot skattningar av IEA [IEA, 2004]. Generellt avser de uppskattade kostnaderna transport i rör utom för transport mellan Region Luleå och ett potentiellt lager utanför Gotland där uppskattningen baseras på fartygstransport. Eftersom de potentiella lagringsplatserna i den här sammanställningen inte har någon utbyggd infrastruktur för lagring av koldioxid utom i fallet med Hammerfest, används uppskattade kostnader för lagring som är betydligt högre än de som ofta anges i litteraturen för uttömda olje- eller gasfält. För lagring av koldioxid i uttömda olje- eller gasfält uppskattas ofta lagringskostnaden till i storleksordningen 0,5-8 USD/ton. De uppskattade kostnaderna för lagring av koldioxid som anges nedan är erhållna från en rapport från Elforsk där kostnaden för lagring i potentiella lager utanför Gotland och i sydvästra Skåne har skattats till SEK/ton respektive SEK/ton [Elforsk, 2004] Skattningen av de olika kostnaderna för kostnaderna nedan är konservativt hållen utifrån de uppgifter som finns i de redovisade källorna. Trots detta kan uppskattningarna ses som relativt optimistiska och mer som en indikation på kostnadsbilden när storskalig CCS har utvecklats till en mogen teknik. Tabell 2 Uppskattning av framtida kostnader för avskiljning, transport och lagring av koldioxid från svenska utsläppskluster. Utsläppskällor med årliga koldioxidutsläpp motsvarande 0,5 miljoner ton koldioxidutsläpp under 2006 har inkluderats. Region Utsläpp Avstånd lagring [Mton/år] [km] Luleå* 5, * Genomsnittlig avskiljningskostnad [euro/ton] * [euro/ton] [euro/ton] ,5-6* Transportkostnad Lagringskostnad Totalkostnad [euro/ton] * Gävle 3, Linköping, 3, Norrköping, Nyköping Gotland 1, Skåne 2, Göteborg** 4, * Uppskattningar för transport och lagring vid Hammerfest i Norge. ** Mellan Stenungsund och Mongstad i Norge är det 600 till 650 km sjövägen. I Mongstad kommer det sannolikt att finnas möjligheter för koldioxidlagring i framtiden men det alternativet har inte tagits upp i den här sammanställningen. 7

9 Vad krävs för att avskiljning och lagring av koldioxid skall kunna bli ett alternativ för Sverige? Två saker som utmärker de svenska möjligheterna att utnyttja avskiljning och lagring av koldioxid i förhållande till motsvarande möjligheter i EU och globalt är att andelen koldioxid av biologiskt ursprung från de stora svenska punktutsläppen är hög och att andelen stora punktutsläpp från energisektorn är låg. Dessa förutsättningar påverkar de svenska möjligheterna på flera sätt. Det faktum att 58 % av de 23 miljoner ton koldioxid som kommer från svenska utsläppskällor över 1 miljon ton CO 2 per år är av biogent ursprung påverkar förutsättningarna att kunna använda metoden som en klimatåtgärd. Koldioxidens ursprung påverkar naturligtvis inte metodens klimateffekt om koldioxiden i annat fall hade nått atmosfären. Därför är det rimligt att styrmedlen för avskiljning och lagring av koldioxid ger likartade incitament oavsett koldioxidens ursprung. De förslag till incitament för CCS som håller på att utformas inom EU ger dock inte samma incitament för koldioxid av biologiskt ursprung som för koldioxid av fossilt ursprung, vilket troligtvis kan bli det största enskilda hindret för att CCS skall kunna utnyttjas till sin fulla potential i Sverige.. En annan faktor som är avgörande för hur CCS skall kunna tillämpas i Sverige är att kunskapen om avskiljning från industriella källor ökar och att demonstrationsprojekt i full skala blir en realitet för såväl industri- som för energisektorn. Teknik för avskiljning av koldioxid kommer sannolikt först att nå en kommersiell mognad för tillämpningar applicerat på fossilbaserad kraftproduktion. Bland annat IEA påpekar dock vikten av att tekniken även utvecklas för storskalig avskiljning från industriella källor då kostnaderna bedöms ligga i samma härad som för avskiljning från fossilbaserad kraftproduktion. Den specifika kostnaden för koldioxidavskiljning minskar med storleken på utsläppen men skalekonomiska faktorer är än mer betydelsefulla för transport och lagring. Några av de svenska utsläppsklustren är av tillräcklig storlek för att på sikt kunna vara intressanta för kommersiell tillämpning av CCS i Sverige. Infrastrukturen för transport och lagring av koldioxid är en nödvändig del för att metoden skall kunna tillämpas, men eftersom potentiella lager inte är jämt fördelande mellan olika länder bör utbyggnaden av dessa system ske tillsammans med andra länder. Här finns flera tänkbara lösningar, exempelvis en utbyggd infrastruktur i Danmark eller Östersjöregionen som flera länder kan utnyttja. När väl en infrastruktur har kommit på plats påverkas kostnadsbilden dramatisk och en utbyggnad av rörbunden infrastruktur som till exempel utnyttjar Danmarks goda förutsättningar för koldioxidlagring skulle på sikt kunna göra koldioxidavskiljning från utsläppskällor i Väst- och Sydsverige kommersiellt gångbar. Förutsättningarna för lagring av koldioxid i Skåne och Östersjön bör dock utredas vidare då det även skulle kunna öppna för avskiljning och lagring av koldioxid från andra svenska utsläppskluster. 8

10 Referenser Ecofys/TNO-NITG, Global Carbon Dioxide Storage Potential and Costs, Hendriks, C., Graus, W. and van Bergen, F., Utrecht, The Netherlands, Elforsk, CO 2 -lagring i Sverige, Elforsk rapport 04:27, juli Elforsk, Lagring av koldioxid i djupa akviferer Lagringsmöjligheter i Sverige och Danmark, Elforsk rapport 08:84, december Europeiska gemenskapernas kommission, Förslag till EUROPAPARLAMENTETS OCH RÅDETS DIREKTIV om geologisk lagring av koldioxid och ändring av rådets direktiv 85/337EEG, 96/61/EG, direktiv 2000/60/EG, 2001/80/EG, 2004/35/EG, 2006/12/EG och förordning (EG) nr 1013/2006, KOM (2008) 18 slutlig, Bryssel den Farla, J.C., Hendriks, C.A. and Blok, K.: Carbon dioxide recovery from industrial processes, Climate Change, 29, (1995), , 1995 Gielen, D.J.: CO 2 removal in the iron and steel industry, Energy Conversion and Management, 44 (7), , IEA (International Energy Agency), CO 2 Capture and Storage A key carbon abatement option, Paris, IEA (International Energy Agency), Ship transport of CO 2, IEA Greenhouse Gas R&D Programme, Report Number PH4/30, July IPCC Special Report on Carbon dioxide Capture and Storage, A Special Report of Working Group III of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Möllersten, K., Yan, J. and Moreira, J.: Potential market niches for biomass energy with CO 2 capture and storage opportunities for energy supply with negative CO 2 emissions, Biomass and Bioenergy, 25(2003), Swedish Environmental Protection Agency, Sweden s National Inventory Report 2008 Submitted under the United Nations Framework Convention on Climate Change, ÅF på uppdrag av Ångpanneföreningens forskningsstiftelse och Naturvårdsverket, CO 2 - avskiljning i Sverige, september