ΣΧΗΜΑΤΑ
Σχήμα 1.1: Συνολικές ετήσιες ανθρωπογενείς εκπομπές αερίων των θερμοκηπίου 1970–2010 Σχήμα 1.2: Διακύμανση μέσης παγκόσμιας θερμοκρασίας εδάφους και επιφάνειας ωκεανών
Σχήμα 1.3: Συνολικές ανθρωπογενείς εκπομπές ανά τύπο αερίων του θερμοκηπίου από τον τομέα της ενέργειας Σχήμα 2.1: Σύνολο ανθρωπογενών εκπομπών CO2 από Καύση Ορυκτών Καυσίμων, Καύση, Τσιμέντο, καθώς και Δασικές Εκτάσεις και Άλλες Χρήσεις Γης (Forestry and Other Land Use, FOLU) ανά περιφέρεια μεταξύ 1750 και 2010 Σχήμα 2.2: Διάγραμμα μονάδας παραγωγής ενέργειας με καύση κονιοποιημένου άνθρακα και σύστημα δέσμευσης CO2 με αμίνη και άλλους ελέγχους των εκπομπών Σχήμα 2.3: Διάγραμμα παραγωγής υγρού καυσίμου, ηλεκτρικής ενέργειας και υδρογόνου από αεριοποίηση άνθρακα με δέσμευση του CO2 και αποθήκευση Σχήμα 3.1: Διάγραμμα διεργασίας για την ανάκτηση του CO2 από καυσαέρια με χημική απορρόφηση Σχήμα 3.2: Το σταθμισμένο κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας (Levelised Cost of Electricity, LCOE) των ολοκληρωμένων έργων CCS (μπλε ράβδοι) σε σύγκριση με τους σταθμούς παραγωγής ενέργειας αναφοράς χωρίς CCS (πράσινες ράβδοι)
Σχήμα 3.3: Το κόστος αποφυγής CO2 για πιθανούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας σε ανάθεση στα μέσα της δεκαετίας του 2020 Σχήμα 4.1: Σύγκριση εκλεκτικότητας σε υδρογονάνθρακες (αριστερά): και CO ή CO2 εκλεκτικότητα (δεξιά) κατά τη μετάβαση από CO ή CO2. Σχήμα 4.2: Σύνθεση φάσεων-σιδήρου του καταλύτη σε συνάρτηση με το χρόνο στο ρεύμα κατά τη διάρκεια της FTS, όπως προσδιορίζεται με φασματοσκοπία Mössbauer (20 Κ).
ΠΙΝΑΚΕΣ
Πίνακας 1.1: Εκτιμήσεις των ορυκτών αποθεμάτων και πόρων, και η περιεκτικότητά τους σε άνθρακα Πίνακας 2.1: Επισκόπηση εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (GHG) στην ΕΕ-28 συν την Ισλανδία από το 1990 έως το 2014 σε εκατομμύρια τόνους ισοδύναμου CO2
Πίνακας 2.2: Επισκόπηση εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (GHG) στην ΕΕ-28 (σε εκατομμύρια τόνους ισοδύναμου CO2) στις κύριες κατηγορίες πηγών για την περίοδο 1990–2014
Πίνακας 3.1: Μετά την καύση δέσμευση: επίδραση του τύπου του άνθρακα και της μονάδας ηλεκτροπαραγωγής (ΟΟΣΑ μόνο)
Πίνακας 3.2: Προ-καύσης δέσμευση: επίδραση του τύπου του άνθρακα (ΟΟΣΑ μόνο) (International Energy Agency, 2011) Πίνακας 3.3: Όξυ-καύση με δέσμευση: επίδραση του τύπου του άνθρακα και της μονάδας ηλεκτροπαραγωγής (ΟΟΣΑ μόνο)
Πίνακας 3.4: Δεδομένα μέσου κόστους και απόδοσης από τη διαδρομή δέσμευσης του CO2 (ΟΟΣΑ μόνο) Πίνακας 3.5: Μετά την καύση δέσμευση με αμμωνία από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα
Πίνακας 4.1: Καταλυτική δραστικότητα Fe/Me καταλυτών για την υδρογόνωση του CO2
Από την αρχή του 21ου αιώνα, παρατηρείται ραγδαία αύξηση των παγκόσμιων εκπομπών CO2, η οποία ως επί το πλείστον αποδίδεται στην ανάπτυξη των τομέων βιομηχανίας και ενέργειας. Τα δυο τρίτα των παγκόσμιων εκπομπών αντιπροσωπεύει ο τομέας της ηλεκτροπαραγωγής, γεγονός που τον καθιστά κύριο στόχο πολιτικών μείωσης.
Η αποφασιστικότητα για περιορισμό της αύξησης της θερμοκρασίας σε 1,5°C πάνω από τα προ-βιομηχανικά επίπεδα, για να μειωθούν σημαντικά οι κίνδυνοι και η επίδραση της κλιματικής αλλαγής επισφραγίστηκε στη COP21 που έγινε το 2015 στο Παρίσι.
Για την επίτευξη της μείωσης και της χαμηλής σταθεροποίησης ακολουθούνται τρεις στρατηγικές: η αύξηση της ενεργειακής απόδοσης σε συνδυασμό με τη μείωση έντασης άνθρακα στην ενεργειακή τροφοδοσία όταν η τελευταία είναι εφικτή, η δέσμευση και αποθήκευση (CCS) και η in situ ενεργοποίηση του CO2, που είναι το αντικείμενο της παρούσης.
Γίνεται παρουσίαση των μεθόδων δέσμευσης CO2, προ-καύσης, οξυ-καύσης και μετά-καύσης (χημική και φυσική απορρόφηση, προσρόφηση και άλλες σύγχρονες μέθοδοι). Επιπλέον, γίνεται οικονομική σύγκριση των διεργασιών δέσμευσης χωρίς/με αποθήκευση του δεσμευμένου CO2 (CCS) σε εξαντλημένα κοιτάσματα πετρελαίου και φυσικού αερίου (depleted oil and gas fields, DOGF) ή σε μεγάλου βάθους αλατούχους υδροφορείς, στη θάλασσα ή στη ξηρά, με βάση δυο μελέτες της Διεθνούς Επιτροπής για την Ενέργεια (ΙΕΑ) και της Ευρωπαϊκής Πλατφόρμας για Μηδενικές Εκπομπές (ΖΕΡ), του 2011, που αφορούν αποκλειστικά τον τομέα της παραγωγής ενέργειας.
Η ενεργοποίηση του CO2 σε καύσιμα και χημικά προϊόντα προστιθέμενης αξίας προτείνεται ως πιθανή λύση για μικρές διάσπαρτες εγκαταστάσεις, με αραιωμένα σε CO2 καυσαέρια, των οποίων το κόστος της CCS ολοκλήρωσης γίνεται υψηλό.
Στην παρούσα μελέτη, επικεντρωνόμαστε στην ετερογενή καταλυτική υδρογόνωση του CO2 και κυρίως στο ρόλο που παίζουν οι ενισχυμένοι καταλύτες μετάλλων μετάπτωσης για την παραγωγή διαφορετικών προϊόντων, που αποτελεί κεντρικό επιστημονικό πεδίο του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Κατάλυση και Προστασία του Περιβάλλοντος του ΕΑΠ.
Η υδρογόνωση του CO2 γίνεται με βάση καταλύτη χαλκό (αντίστροφη μετατόπιση χαμηλής θερμοκρασίας) και με βάση καταλύτη σίδηρο (αντίστροφη μετατόπιση υψηλής θερμοκρασίας), ο σίδηρος μπορεί να αντικατασταθεί από νικέλιο και κοβάλτιο για την παραγωγή κυρίως μεθανίου. Απ’ όλη τη σχετική βιβλιογραφία, συγκεντρώσαμε τις περιπτώσεις όπου ενισχύεται η κατάλυση των δυο αντιδράσεων με προσθήκη ενισχυτών, όπως άλλου/ων μετάλλου/ων μετάπτωσης, όξινων/βασικών ομάδων και στοιχείων της ομάδας λανθανίδων.
Τέλος, αναφέρονται ξεχωριστά τα ευγενή μέταλλα που ενώ ανήκουν στα μέταλλα μετάπτωσης, μπορούν να αντικαταστήσουν τον καταλύτη χαλκό (Cu) για την παραγωγή κυρίως μεθανόλης, γιατί παρουσιάζουν ενδιαφέρον ως νέοι καταλύτες με συγκριτικά πλεονεκτήματα τη χαμηλή θερμοκρασία υδρογόνωσης του CO2, την μη τοξικότητα, την ασφάλεια (μη πυροφορικότητα), την ανοχή σε έκθεση στον αέρα και τους υδρατμούς, τη σταθερότητα και την εφαρμογή σε μικρές εγκαταστάσεις και κινητές εφαρμογές.
Συμπεραίνεται ότι, για έναν ολοκληρωμένο CCS βελτιστοποιημένο σταθμό ηλεκτροπαραγωγής (optimized power plant, OPTI) με καύσιμο φυσικό αέριο (Combined Cycle Gas Turbine, CCGT), περίπτωση Μια Μονάδα–Ένας Αποδέκτης, το κόστος αποφυγής του CO2 (εξαρτάται πολύ από τη τιμή των καυσίμων) είναι πολύ υψηλότερο από το κόστος αποφυγής του CO2 (εξαρτάται κυρίως από το κόστος αποθήκευσης του CO2) για ολοκληρωμένο CCS βελτιστοποιημένο σταθμό ηλεκτροπαραγωγής με καύσιμο ασφαλτούχο άνθρακα. Ως εκ τούτου, είναι φθηνότερο να κατασκευάζονται σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής με φυσικό αέριο χωρίς CCS και να πληρώνουν για τα επιτρεπόμενα δικαιώματα σε εκπομπές CO2 (Emission Units Allowances, EUAs), από την κατασκευή τους με CCS.
Ιδιαίτερα ο χρυσός (Au) από τα ευγενή μέταλλα, που ανήκει στην ίδια ομάδα του Περιοδικού Πίνακα με το χαλκό (ΙΒ), αποδεικνύεται κατάλληλος καταλύτης βάσης για τη σύνθεση μεθανόλης με υδρογόνωση του CO2, γιατί ακολουθεί τον ίδιο διπλό μηχανισμό (άμεση και έμμεση διαδρομή) και παρουσιάζει υψηλή δραστικότητα, σε σύγκριση με τους ενισχυμένους για αυτή τη σύνθεση καταλύτες Cu-ZnO (κλασσικοί καταλύτες της μετατόπισης χαμηλής θερμοκρασίας).
Χρειάζεται περαιτέρω βελτιστοποίηση των ετερογενών καταλυτικών συστημάτων με αξιοποίηση σύγχρονων μεθόδων προσδιορισμού, όπως π.χ. η ανάλυση Bader (Quantum Theory of Atoms in Molecules, QTAIM), των φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών τους, της μικροσκοπικής δομής και των χημικών χαρακτηριστικών της επιφάνειας τους, σε πρώτη φάση για εφαρμογή σε μικρές εγκαταστάσεις και κατόπιν σε μεγάλης κλίμακας εφαρμογές.
Since the beginning of the 21st century, there is a rapid increase in global CO2 emissions, mostly attributed to the development of industry and energy sectors. The power sector accounts for the two thirds of global emissions, being therefore the main target of abatement policies.
The resolution of limiting temperature’s increase up to 1,5°C above pre-industrial levels, in order to significantly reduce the risks and the impacts of climate change was consummated at COP21 held in Paris in 2015.
In order to achieve the reduction and low stabilization three strategies are implemented: the increase of energy efficiency combined with the reduction of carbon intensity in energy supply when the latter is possible, capture and storage (CCS) and the ‘in situ’ recovery of CO2, which is the object of the present study.
The CO2 capture methods, such as the pre-combustion, the oxy-combustion and the post-combustion processes (including chemical and physical absorption, adsorption, and other modern processes) are presented. Furthermore, a comparative financial assessment of these processes without/with the storage of the captured CO2 (CCS) in depleted oil and gas fields or in deep saline aquifers, offshore or onshore, on the base of two studies of the International Energy Agency and the European Platform for Zero emissions, held in 2011, exclusively related to the energy sector, is demonstrated.
The utilization of CO2 for fuels and chemicals with added value is proposed as a possible solution for small dispersed industrial facilities, with low-concentration CO2-diluted flue gases, and elevated CCS integration costs.
In this study, we are focusing on heterogeneous catalytic hydrogenation of CO2, particularly on the role of the promoted transition metal catalysts for the production of different products, i.e. on a central scientific field of the Master ‘Catalysis and Environmental Protection’ of the Hellenic Open University.
The CO2 hydrogenation could take place on copper-based catalysts (reverse low temperature shift) and on iron-based catalysts (reverse high temperature shift), the iron could be replaced by cobalt or nickel mainly for methane production.
All the relative literature regarded, we assumed all the cases where both reactions where enhanced by promoted catalysts by promoters such as, other transition metals, acid/basic groups and elements of the lanthanide group.
Finally, separate out the noble metals, while belonging to the transition metals they can replace the Cu catalyst to produce mainly methanol, because of interest in new catalysts with their comparative advantages, such as low-temperature CO2 hydrogenation, non-toxicity, safety (non-pyrophoric), tolerance to exposure to air and water vapor, stability, application in small industrial facilities and mobile applications.
It is concluded that, for the integrated CCS natural gas-fired optimized power plant, Single Plant–Single Sink case, CO2 avoidance costs (strongly dependent on fuel prices) are much higher than those for hard coal (mainly dependent on the level of CO2 storage costs). It will therefore be cheaper to build natural gas-fired plants without CCS and pay for EUAs, than to build them with CCS.
In particular, the gold (Au) from the noble metals, belonging to the same group of the Periodic Table with copper, is proved a suitable base catalyst for methanol synthesis by CO2 hydrogenation, because it follows the same dual mechanism (direct and indirect path) and exhibit a high activity as compared with promoted for this synthesis Cu-ZnO catalysts (classic catalysts of the low-temperature shift).
Further optimization of heterogeneous catalytic systems is needed by using modern methods of characterization, such as the Bader analysis (Quantum Theory of Atoms in Molecules, QTAIM), of their physical and chemical characteristics, of the microscopic structure and the chemical characteristics of their surface, at first for application in small facilities and then to large-scale industrial applications.
Items in Apothesis are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Main Files
Διαχείριση εκπομπών CO2 από βιομηχανικές διεργασίες προς παραγωγή χρήσιμων χημικών προϊόντων και καυσίμων - Identifier: 73066
Internal display of the 73066 entity interconnections (Node labels correspond to identifiers)
