การจับคาร์บอนในโรงไฟฟ้าที่ใช้ก๊าซธรรมชาติ

ปัญหาคาร์บอนที่ไม่อาจหายไปได้

ก๊าซธรรมชาติถูกนำเสนอว่าเป็นเชื้อเพลิงฟอสซิลที่สะอาดที่สุดมาโดยตลอด และในแง่ของการเผาไหม้ ข้อกล่าวอ้างนี้ก็ถูกต้องตามหลักวิทยาศาสตร์—เพราะก๊าซธรรมชาติปล่อย CO2 น้อยกว่าถ่านหินหรือน้ำมันประมาณ 30% ถึง 50% ต่อหน่วยพลังงาน แต่คำว่า 'สะอาดกว่า' ไม่ได้หมายความว่า 'สะอาดอย่างแท้จริง' ขณะที่ความต้องการก๊าซธรรมชาติทั่วโลกยังคงเพิ่มขึ้น และการค้าก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) คิดเป็นสัดส่วนประมาณ 59% ของการค้าก๊าซธรรมชาติทั้งหมด การปล่อย CO2 สะสมจากการแปรรูปก๊าซธรรมชาติและการเผาไหม้ยังคงมีปริมาณมาก

สำนักงานพลังงานระหว่างประเทศได้ชี้แจงอย่างชัดเจนว่า หากไม่มีการนำเทคโนโลยีดักจับคาร์บอนมาใช้อย่างกว้างขวาง แก๊สธรรมชาติจะไม่สามารถถือเป็นแหล่งพลังงานที่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกต่ำในระยะยาวได้ หน่วยงานดังกล่าวยังระบุอีกว่า การปล่อยมลพิษจากแอลเอ็นจีสามารถลดลงได้มากกว่า 60% โดยใช้เทคโนโลยีที่มีอยู่แล้ว—หากมีการลงทุนที่เหมาะสม นี่คือเงื่อนไขสำคัญที่ยังไม่แน่นอน แต่ก็ช่วยให้เห็นภาพโอกาสที่แท้จริงได้ชัดเจนยิ่งขึ้น

สำหรับโรงกลั่นแก๊สธรรมชาติโดยเฉพาะ ความท้าทายในการดักจับคาร์บอนนั้นแตกต่างจากโรงผลิตไฟฟ้าหรือแหล่งอุตสาหกรรมอื่นๆ เนื่องจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มักมีอยู่ในก๊าซป้อนเข้า (feed gas) โดยมีความเข้มข้นที่ผันแปรอย่างมากตามแหล่งก๊าซแต่ละแห่ง การกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์นี้เป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการบำบัดก๊าซอยู่แล้ว ประเด็นหลักจึงอยู่ที่การตัดสินใจว่าจะเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ไว้เพื่อกักเก็บ (sequestration) หรือปล่อยทิ้งสู่ชั้นบรรยากาศ

เทคโนโลยีที่ถูกนำมาใช้งานจริง

การดูดซับสารเคมีที่มีอะมีนยังคงเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับการจับ CO₂ ในการประยุกต์ใช้กับก๊าซธรรมชาติ เทคโนโลยีนี้มีความพร้อมใช้งานสูง มีความเข้าใจอย่างลึกซึ้ง และสามารถจับ CO₂ ได้ในอัตราสูง หลักการพื้นฐานนั้นเรียบง่าย: ตัวทำละลายอะมีนสัมผัสกับกระแสก๊าซในคอลัมน์ดูดซับ โดยทำปฏิกิริยาแบบเลือกสรรกับ CO₂ เพื่อสร้างพันธะเคมีที่อ่อนแอ ตัวทำละลายที่อิ่มตัวด้วย CO₂ แล้วจะไหลไปยังคอลัมน์ฟื้นฟู ซึ่งความร้อนจะทำลายพันธะนั้นและปล่อยกระแส CO₂ ที่มีความเข้มข้นสูงออกมา

ความท้าทายหลักคือการใช้พลังงาน ขั้นตอนการฟื้นฟูต้องใช้ความร้อนจำนวนมาก โดยปกติจะจัดหาความร้อนนี้ในรูปของไอน้ำแรงดันต่ำจากระบบสาธารณูปโภคของโรงไฟฟ้า ภาระความร้อนนี้ถือเป็นต้นทุนการดำเนินงานหลักของระบบที่ใช้อะมีน และยังเป็นเหตุผลสำคัญที่ทำให้เทคโนโลยีนี้มีผลกระทบเชิงลบต่อประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ซึ่งผู้ประกอบการบางรายมองว่าไม่คุ้มค่าที่จะลงทุน

เทคโนโลยีเมมเบรนกำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในฐานะทางเลือกหรือส่วนเสริมของกระบวนการดูดซับด้วยแอมีน เมมเบรนพอลิเมอริกสามารถแยกก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากมีเทนได้อย่างจำเพาะ จึงให้ประสิทธิภาพในการกำจัดปริมาณมากโดยใช้พลังงานน้อยกว่า ตัวติดต่อแบบไฟเบอร์กลวงที่ผสานกับสารละลายแอมีนสามารถลดต้นทุนการดำเนินงานลงได้ประมาณร้อยละ 30 เมื่อเทียบกับระบบทั่วไป และใช้พื้นที่น้อยลงได้สูงสุดถึงร้อยละ 50 .

แต่ละวิธีมีจุดแข็งเฉพาะตัว ระบบแอมีนเหมาะอย่างยิ่งเมื่อต้องการอัตราการจับก๊าซสูงและคุณภาพผลิตภัณฑ์สูง เมมเบรนนั้นน่าสนใจสำหรับการกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในปริมาณมาก โดยที่ระดับความบริสุทธิ์ปานกลางยังยอมรับได้ และต้นทุนพลังงานเป็นปัจจัยหลัก ขณะเดียวกัน ระบบไฮบริดที่ผสานเทคโนโลยีทั้งสองแบบก็เริ่มปรากฏขึ้น โดยใช้เมมเบรนสำหรับการแยกเบื้องต้น และใช้แอมีนสำหรับการขัดเงาให้บริสุทธิ์สูงสุด

สถานที่ที่การจับก๊าซคาร์บอนมีความเหมาะสมในโรงกลั่นก๊าซ

ไม่ใช่ทุกสถานีแปรรูปก๊าซธรรมชาติที่เหมาะสมสำหรับการจับคาร์บอน ด้านเศรษฐศาสตร์ขึ้นอยู่กับปริมาณ CO₂ ในก๊าซป้อนเข้าเป็นหลัก รวมถึงความพร้อมของเส้นทางการกักเก็บหรือการนำกลับมาใช้ประโยชน์ และสภาพแวดล้อมด้านกฎระเบียบหรือแรงจูงใจ

สถานีที่แปรรูปก๊าซจากแหล่งกักเก็บที่มีปริมาณ CO₂ สูง—บางครั้งสูงถึง 10% ถึง 20% หรือมากกว่านั้น—มีกรณีที่ชัดเจนที่สุด เนื่องจาก CO₂ ถูกแยกออกอยู่แล้วเพื่อให้สอดคล้องกับข้อกำหนดสำหรับระบบส่งก๊าซผ่านท่อ การจับ CO₂ เพื่อกักเก็บจึงเพิ่มต้นทุนเพียงเล็กน้อย แต่อาจคุ้มค่าเมื่อพิจารณาจากราคาคาร์บอนหรือสิทธิลดหย่อนภาษี ตัวอย่างเช่น ในสหรัฐอเมริกา กระทรวงพลังงานได้จัดสรรงบประมาณจำนวนมากสำหรับโครงการจับคาร์บอนที่สถานีก๊าซธรรมชาติ โดยมีเป้าหมายอัตราการจับคาร์บอนที่ร้อยละ 90

สำหรับโรงงานที่มีปริมาณ CO₂ ต่ำ ด้านเศรษฐศาสตร์จะท้าทายยิ่งขึ้น เนื่องจากต้นทุนเพิ่มเติมในการจับก๊าซ CO₂ ต่อตันสูงกว่า เนื่องจากอัตราการไหลของก๊าซโดยรวมมีมากเมื่อเทียบกับปริมาณ CO₂ ที่ถูกกำจัด โรงงานเหล่านี้อาจจำเป็นต้องพึ่งพาการสนับสนุนจากนโยบาย หรือรายได้จากการขายเครดิตคาร์บอน เพื่อให้โครงการคุ้มค่า

นอกจากนี้ยังมีคำถามว่าควรจัดการกับ CO₂ ที่จับได้อย่างไร วิธีการเสริมการผลิตน้ำมัน (enhanced oil recovery) เป็นทางเลือกดั้งเดิม โดยนำ CO₂ ฉีดเข้าไปในแหล่งกักเก็บน้ำมันที่หมดแล้วเพื่อเพิ่มการผลิต อีกทางเลือกหนึ่งคือการเก็บกักในชั้นน้ำเค็ม (saline aquifers) ซึ่งต้องอาศัยการประเมินลักษณะพื้นที่อย่างรอบคอบและการติดตามผลอย่างต่อเนื่อง ส่วนแนวทางการใช้ประโยชน์—เช่น การแปลง CO₂ ให้เป็นสารเคมี น้ำมันเชื้อเพลิง หรือวัสดุก่อสร้าง—กำลังเริ่มปรากฏขึ้น แต่ยังมีขนาดเล็กมาก

โครงการแรกของโลกที่น่าจับตามอง

โครงการที่เพิ่งเริ่มดำเนินการเมื่อไม่นานมานี้ในภาคตะวันตกเฉียงใต้ของจีน ให้ตัวอย่างที่เป็นประโยชน์ในการศึกษา สถานที่ดังกล่าวเป็นโรงงานกำจัดก๊าซธรรมชาติ ซึ่งทำหน้าที่แยกก๊าซเปรี้ยวจากแหล่งก๊าซใกล้เคียง หน่วยจับคาร์บอนถูกเพิ่มเข้ามาในฐานะโครงการสาธิต เพื่อพิสูจน์ความเป็นไปได้ทางเทคนิคและเศรษฐกิจของการจับ CO₂ จากก๊าซท้ายของโรงงาน .

โครงการนี้ใช้กระบวนการดูดซับเชิงเคมี โดยใช้สารอะมีนสูตรเฉพาะที่ปรับแต่งให้เหมาะสมกับกระแส CO₂ ที่มีความดันต่ำและมีความเข้มข้นปานกลาง ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของก๊าซท้ายจากโรงงาน การออกแบบรวมส่วนล้างด้วยน้ำไว้เหนือหอดูดซับ เพื่อลดการพาสารอะมีนออกไปพร้อมก๊าซให้น้อยที่สุด ควบคู่ไปกับขั้นตอนการแยกด้วยไมโครไซโคลนเพื่อกู้คืนตัวทำละลายที่ถูกพัดพาไป .

CO₂ ที่จับได้จะถูกอัดแรงแล้วฉีดกลับเข้าไปยังแหล่งก๊าซเดิมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการกู้คืนก๊าซ สิ่งนี้สร้างระบบแบบปิดวงจร ซึ่งก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มีบทบาทเชิงผลิตอย่างแท้จริง ขณะเดียวกันก็ไม่ปล่อยเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ กำลังการจับก๊าซต่อปีอยู่ที่ประมาณ 26,500 ตัน และผลการเพิ่มประสิทธิภาพการกู้คืนก๊าซ (enhanced recovery) รายงานว่าช่วยเพิ่มปริมาณการผลิตได้ราวร้อยละ 10

โครงการนี้มีความสำคัญไม่ใช่เพราะขนาดของมัน—มีสถาน facility สำหรับการจับคาร์บอนที่ใหญ่กว่านี้อยู่ที่อื่นอีกหลายแห่ง—แต่เพราะแสดงให้เห็นถึงการผสานรวมกระบวนการจับก๊าซเข้ากับการเพิ่มประสิทธิภาพการกู้คืนก๊าซในบริบทของการแปรรูปก๊าซธรรมชาติ แนวทางทางเทคนิค การเลือกสารทำละลาย (solvent) และกลยุทธ์การฉีด (injection strategy) ทั้งหมดจำเป็นต้องพัฒนาขึ้นโดยเฉพาะสำหรับการประยุกต์ใช้นี้ และบทเรียนที่ได้รับกำลังถูกนำไปใช้กับโครงการในลำดับถัดไป

ต้นทุนที่แท้จริงและข้อแลกเปลี่ยนที่เกิดขึ้น

การอภิปรายอย่างซื่อสัตย์เกี่ยวกับการจับคาร์บอนจำเป็นต้องยอมรับทั้งต้นทุนและข้อแลกเปลี่ยนที่เกิดขึ้น ผลกระทบด้านพลังงานนั้นมีจริง การนำแอมีนกลับมาใช้ใหม่ต้องใช้ไอน้ำซึ่งมิฉะนั้นจะสามารถผลิตไฟฟ้าหรือสนองความต้องการกระบวนการอื่นได้ ภาระพลังงานแบบพึ่งพา (parasitic load) นี้ทำให้กำลังผลิตสุทธิของสถาน facility ลดลง หรือเพิ่มการบริโภคเชื้อเพลิง

ตารางข้างต้นสรุปข้อแลกเปลี่ยนหลักที่สำคัญ ระบบที่ใช้แอมีนให้อัตราการจับคาร์บอนสูงสุด แต่ก็มีต้นทุนด้านพลังงานสูงสุดเช่นกัน ระบบที่ใช้เมมเบรนมีประสิทธิภาพด้านพลังงานดีกว่า แต่มักไม่สามารถบรรลุอัตราการจับคาร์บอนในระดับเดียวกันได้โดยไม่ต้องใช้การจัดเรียงแบบหลายขั้นตอน วิธีแบบผสมพยายามผสานจุดแข็งของทั้งสองระบบ แต่ยังมีหลักฐานการใช้งานจริงในระดับเชิงพาณิชย์น้อยกว่า

ยังมีปัจจัยด้านการดำเนินงานอื่นๆ ที่ต้องพิจารณาด้วย ตัวอย่างเช่น การเสื่อมสภาพของแอมีนตามระยะเวลา ซึ่งจำเป็นต้องมีการฟื้นฟูและเปลี่ยนสารทำละลายเป็นระยะๆ รวมถึงการอุดตันและการเสื่อมสภาพของเมมเบรน ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานและจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนใหม่เป็นครั้งคราว นอกจากนี้ ความสมบูรณ์ของกระแส CO₂ สำหรับการขนส่งและเก็บกักก็ต้องรักษาไว้ให้ดี—สิ่งปนเปื้อน เช่น น้ำ ออกซิเจน และสารประกอบกำมะถัน อาจก่อให้เกิดการกัดกร่อน หรือส่งผลต่อความสามารถในการฉีดเข้าชั้นหิน

ด้านเศรษฐศาสตร์ขึ้นอยู่กับปัจจัยภายนอกเป็นอย่างมาก ตัวอย่างเช่น ราคาก๊าซคาร์บอน ภาษีเครดิต และข้อบังคับเชิงกฎหมาย อาจทำให้โครงการที่มีศักยภาพต่ำกลายเป็นโครงการที่คุ้มค่าได้ แต่หากไม่มีการสนับสนุนดังกล่าว โรงงานที่ปล่อย CO₂ สูงที่สุดเท่านั้น หรือโรงงานที่มีข้อตกลงการกู้คืนน้ำมันแบบเสริม (EOR) ที่เอื้ออำนวย จึงจะสามารถสร้างเหตุผลเพียงพอในการลงทุนได้

บริบทด้านนโยบายและผลกระทบของมัน

สภาพแวดล้อมด้านนโยบายกำลังเปลี่ยนแปลง สำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ (IEA) ได้ระบุเทคโนโลยีการจับกัก ใช้ประโยชน์ และเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CCUS) ว่าเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญยิ่งต่อการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนในห่วงโซ่มูลค่าก๊าซ ขณะนี้มีโครงการสนับสนุนทางการเงินจากรัฐบาลเกิดขึ้นในหลายเขตอำนาจศาล กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา (U.S. DOE) ได้จัดสรรงบประมาณจำนวนพันล้านดอลลาร์สหรัฐฯ สำหรับการสาธิตและนำเทคโนโลยีการจับก๊าซคาร์บอนไปใช้งานจริง โครงการที่คล้ายคลึงกันนี้ยังมีอยู่ในยุโรป เอเชีย และตะวันออกกลาง

อย่างไรก็ตาม การสนับสนุนจากนโยบายไม่ใช่สิ่งที่รับประกันได้ งบประมาณอาจถูกยกเลิก สิทธิประโยชน์ทางภาษีอาจหมดอายุ และข้อกำหนดด้านกฎระเบียบอาจเปลี่ยนแปลงได้ ผู้พัฒนาโครงการจึงจำเป็นต้องประเมินความเป็นไปได้ทั้งด้านเทคนิคและเศรษฐกิจ รวมทั้งความเสี่ยงด้านนโยบายด้วย บางโครงการจึงดำเนินการด้วยการออกแบบแบบ "พร้อมสำหรับการจับก๊าซคาร์บอน" (capture-ready) ซึ่งช่วยให้สามารถติดตั้งอุปกรณ์จับก๊าซคาร์บอนเพิ่มเติมในอนาคตได้ โดยเลื่อนการลงทุนด้านทุนออกไปก่อน จนกว่าจะมีความชัดเจนมากขึ้นทั้งในด้านนโยบายและเหตุผลเชิงเศรษฐกิจ

เทคโนโลยีนี้ยังคงพัฒนาต่อไปอย่างต่อเนื่อง สารทำละลายสูตรใหม่ให้แนวโน้มว่าจะใช้พลังงานในการฟื้นฟูน้อยลง วัสดุเมมเบรนขั้นสูงให้ความสามารถในการแยกที่สูงขึ้นและทนทานมากขึ้น กลยุทธ์การผสานกระบวนการ—เช่น การนำความร้อนเสียมาใช้ในการฟื้นฟู หรือการปรับแต่งระบบจับก๊าซให้เหมาะสมกับองค์ประกอบของก๊าซเฉพาะ—สามารถเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมได้

สำหรับผู้ดำเนินการโรงงานก๊าซธรรมชาติ การตัดสินใจติดตั้งระบบจับคาร์บอนไม่ใช่เรื่องง่าย จำเป็นต้องประเมินองค์ประกอบของก๊าซป้อน เครื่องมือและสาธารณูปโภคที่มีอยู่ ทางเลือกในการกักเก็บคาร์บอน นโยบายสนับสนุน และสภาพตลาดอย่างรอบคอบ โครงการที่ประสบความสำเร็จคือโครงการที่เลือกเทคโนโลยีให้สอดคล้องกับเงื่อนไขเฉพาะของสถานที่ และมีแนวทางที่ชัดเจนสู่การพาณิชย์

กรีนเฟอร์ให้อุปกรณ์การบำบัดและแยกก๊าซ ซึ่งสามารถปรับแต่งเพื่อรองรับการผสานระบบจับคาร์บอน พร้อมด้วยศักยภาพในการผลิตที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน ASME และ CE ห่วงโซ่อุปทานด้านอุปกรณ์มีอยู่แล้ว และมีผู้เชี่ยวชาญด้านวิศวกรรมพร้อมให้บริการ ปัจจัยที่จำกัดมักเป็นด้านเศรษฐศาสตร์ของโครงการและสภาพแวดล้อมเชิงนโยบาย มากกว่าตัวเทคโนโลยีเอง