Застосування методології оцінювання життєвого циклу для аналізу процесів уловлення діоксиду вуглецю

Останнім часом турботи щодо кліматичних змін на Землі набувають все більшої актуальності. Відомо те, що кліматичні зміни викликані головним чином викидами парникових газів, серед яких найбільшої уваги заслуговують викиди діоксиду вуглецю. Основною причиною утворення викидів СО2 є спалювання палива для забезпечення світових енергетичних потреб.

Приблизно 86% глобального використання енергії та 75 % антропогенних викидів СО2 є похідними спалювання викопного палива [1]. Зокрема, Австралія є однією з країн, де зосереджені значні поклади вугілля, а тому основним способом енергозабезпечення у цій країні є спалювання вугілля на теплових електростанціях. Отже, проблеми зниження концентрацій діоксиду вуглецю в світлі Кіотського протоколу для Австралії є особливо актуальними. Останніми роками багаточисленні проекти, наукові дослідження і дискусії були проведені з метою зниження кількості атмосферних викидів СО2.

Впровадження технологій уловлення та фіксації СО2 може служити шляхом до зменшення глобальних кліматичних змін. З метою уникнення майбутнього глобального потепління викиди СО2 можуть бути уловлені на виході з теплових електростанцій і потім зафіксовані у певній стабільній формі.  Багато науковців пропонують зберігати великі кількості СО2 у глибинах океану. Літературні дослідження показують, що багато дослідників висувають можливість уловлення СО2 морською водою активованою лужним розчином гідроксиду натрію, який в свою чергу продукують електролітичним шляхом [2,3]. Альтернативний метод уловлення і зберігання СО2 - це так зване мінеральне уловлення, в результаті якого СО2  хімічно зв’язується у твердій карбонатній кам’яній породі [4].

Метою досліджень, приведених у цій статті, є аналіз шляхом оцінки життєвого циклу методу уловлення діоксиду вуглецю морською водою, порівняння кількості діоксиду вуглецю, який може поглинутися морською водою, активованою лужним розчином гідроксиду натрію, із кількістю СО2, яка викидається у повітря тепловою електростанцією і забезпечує електроенергію, необхідну для реалізації електролітичного процесу виробництва гідроксиду натрію. Отже, загальна ціль досліджень полягає у визначенні доцільності застосування процесу електролізу для виробництва гідроксид-іонів, які є середовищем для уловлення діоксиду вуглецю морською водою.   

Методологія оцінки життєвого циклу та її застосування для аналізу процесу уловлення діоксиду вуглецю морською водою. Оцінка життєвого циклу (Life Cycle Assessment) – це збирання та оцінювання вхідних та вихідних характеристик, а також потенційного екологічного впливу системи продукту упродовж його повного циклу життя, починаючи від видобування та придбання сировини, через енергетичні та матеріальні баланси етапів виробництва, стадії експлуатації і завершуючи переробкою в кінці життя та кінцевим захороненням (ISO 14040) [5]. Для реалізації цього складного процесу оцінки життєвого циклу Міжнародна Стандартизаційна Організація (ISO) встановила методологічну структуру для здійснення досліджень з ціллю оцінки життєвого циклу, яка враховує чотири етапи, включаючи визначення цілей та меж аналізу, інвентаризаційний аналіз, оцінку екологічного впливу та інтерпретацію результатів.

На етапі визначення цілей та меж аналізу формулюють мету досліджуваної оцінки життєвого циклу, межі системи, функціональну одиницю, альтернативні системи, які приймаються до уваги, в цілому обсяг та глибину (або рівень деталізації) дослідження щодо оцінки життєвого циклу у співвідношенні до його мети. Інвентаризаційний аналіз – це фаза кількісної оцінки вхідних та вихідних потоків, складання інвентаризаційної таблиці вхідних та вихідних даних для усіх компонентів процесів, включених у систему оцінки життєвого циклу дослідження. Мета оцінки екологічного впливу в циклі життя полягає в тому, щоб зрозуміти і оцінити розмір та значення потенційних екологічних впливів системи продукту. На цьому етапі категорії впливу (а саме, глобальне потепління, закислення водойм, токсичність для людини та інші) визначають індикатори категорій та фактори характеризування, інвентаризаційні результати розподіляють за окремими категоріями і потім перетворюють в індикатори категорій за допомогою факторів характеризування. Фактори характеризування дозволяють перетворювати екологічні потоки у екологічні впливи. Інтерпретація – це фаза, на якій одержані дані інвентаризаційного аналізу та оцінки екологічного впливу аналізують в залежності від визначених цілей та меж аналізу для того, щоб встановити висновки, пояснити обмеження та надати рекомендації щодо можливих способів зменшення екологічного впливу продукту або системи (ISO 14040).

Щодо аналізу глобальних кліматичних змін, то необхідним є застосування кількісного та методологічного засобу, який надає можливість точно розрахувати кількість СО2, яку можна зменшити. Застосування такого системного широкого підходу гарантуватиме те, що будь-яка дія для попередження кліматичних змін не створюватиме сама по собі інших ще більших екологічних навантажень та проблем. Саме метод оцінки життєвого циклу (LCA) забезпечує ці вимоги. LCA може бути використаний для того, щоб розширити екологічні дебати стосовно єдиної проблеми (глобальне потепління / кліматичні зміни) і звернути увагу на широкий діапазон екологічних проблем (виснаження ресурсів, токсичні гази і т.д.). LCA успішно застосовується для аналізу стратегій уловлення та фіксації СО2 [4].

У цьому дослідженні для оцінки життєвого циклу процесу уловлення діоксиду вуглецю морською водою функція системи може бути сформульована як виробництво лужного розчину гідроксиду натрію шляхом електролізу, який здійснюється на основі електроенергії, отриманої за рахунок спалювання вугілля на тепловій електростанції, і застосування цього розчину в процесі уловлення СО2 морською водою. Функціональна одиниця цієї системи може бути виражена як  1 кілограм виробленого розчину NaOH.

Межі досліджуваної системи оцінки життєвого циклу включають три основні блоки: 1) теплова електростанція, де відбувається спалювання вугілля; 2) хлор-лужна установка для виробництва розчину NaOH; 3) уловлення СО2 морською водою, активованою лужним розчином NaOH.

У межі системи входять всі основні процеси, необхідні для виробництва електроенергії з вугілля, а саме видобування вугілля, виробництво обладнання, транспортування, а також синтез хімікатів для гірничо-видобувних робіт та функціонування теплової електростанції. 

Враховані всі матеріальні та енергетичні потоки процесів, що належать до видобування сировинних матеріалів та проміжних продуктів, а також розташування відходів. Схематично інвентаризаційна модель оцінки життєвого циклу процесу спалювання вугілля зображена на рис.1 [1].


Рис.1. Інвентаризаційна модель оцінки життєвого циклу
процесу спалювання вугілля

 

                Діаграма потоків  промислового хлор-лужного виробництва із застосуванням мембранної електролітичної камери представлена на рис.2 [6]. В загальному електролітичний процес відбувається згідно реакції:

2Na+вод + 2Cl-вод + 2Н2О → 2Na+вод + 2OH-вод + Cl2газ + H2газ

Промисловий хлор-лужний процес полягає у електролізі насиченого розчину хлориду натрію. У мембранному процесі анод і катод розділені за допомогою водонепроникної іонопровідної мембрани.

                                                                                                                                       

Рис.2. Діаграма потоків  промислового хлор-лужного виробництва із застосуванням мембранної електролітичної камери

 

Переваги мембранного процесу у порівнянні з іншими електролітичними комірками (наприклад, ртутними або діафрагмовими) полягають у виробництві розчину NaOH високої чистоти, меншому енергоспоживанні та екологічності процесу (не використовуються високотоксичні матеріали, такі як ртуть і азбест). 

Оцінка життєвого циклу досліджуваного процесу уловлення діоксиду вуглецю морською водою здійснювалася за допомогою програми SimaPro 7 (Голландія).  

Висновки

На основі проведених розрахунків та оцінки екологічного впливу досліджуваної системи процесів доведено, що кількість СО2, яка викидається у навколишнє середовище тепловою електростанцією, що продукує електроенергію для електролітичного процесу виробництва розчину NaOH, значно перевищує кількість СО2, яка може бути потім поглинута морською водою із додаванням цього лужного розчину.

Це підтверджує неефективність та недоцільність застосування електролітичного способу створення лужного середовища для поглинання СО2 морською водою. В свою чергу тоді більш перспективним виступає альтернативний спосіб мінерального уловлення СО2. До того ж, Австралія має значні поклади мінералу серпентиніту (мінерал силікату магнію), який після етапу його попередньої термічної активації реагує з СО2 і в результаті реакції утворюється карбонат магнію, який є стійкою твердою сполукою, тобто СО2 переходить у стійку геологічну структуру, що запобігає його викидам у атмосферу. Але цей метод є достатньо новий і становитиме тему для наступних наукових досліджень.      

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  1. Anna Korre, Zhenggang Nie, Sevket Durucan. Life cycle modelling of fossil fuel power generation with post-combustion CO2 capture. International Journal of Greenhouse Gas Control (2010), 4(2), 289-300.
  2. Thoms, Graham Edward; Green, Kenneth. Improved method of capturing carbon dioxide and converting to carbonate anions and then combining with calcium cations to form calcium carbonate. From Granted Innovation Pat. (Australia) (2008), AU 2007101174 A4 20080131
  3. Lin, Chien-Feng. Method for the sequestration of carbon dioxide. From German Offen. (2010), DE 102008054395 A1 20100617
  4. Hsien H. Khoo, Reginald B.H. Tan. Life Cycle Evaluation of CO2 recovery and mineral sequestration alternatives. Environmental Progress (2006), vol. 25, № 3, 208-217.
  5. ДСТУ ISO 14040:2004 Екологічне керування. Оцінювання життєвого циклу. Принцип та структура.
  6. L. Nilsson, P. Olof Persson, L. Ryden, S. Darozhka, A. Zaliauskiene. Cleaner Production. Technologies and Tools for Resource Efficient Production. Book 2 in a series on Environmental Management. The Baltic University Press, Uppsala, 2007.

УДК 66.074.5:551.588.74
Дерейко Х. О. Застосування методології оцінювання життєвого циклу для аналізу процесів уловлення діоксиду вуглецю [Електронний ресурс]  / [Дерейко Х. О., Dlugogorski B.-Z.,  Мальований М.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.2. – С.516–518. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf:

Оцінка: 
0
No votes yet