Mineraler og CO 2 -fangst

Transkript

1 NGU-dagen 2014 Trondheim 6-7. februar 2014 Mineraler og CO 2 -fangst Are Korneliussen 1, Ingar Walder 2 og Richard 3 Bialecki 1 Norges geologiske undersøkelse, tlf / are.korneliussen@ngu.no 2 Kjeøy Research and Education Center, tlf , IFWalder@kjeoy.no 3 Konsulent, London, e-pulse@dircon.co.uk

2 EN NATURENS MEKANISME FOR HÅNDTERING AV ATMOSFÆRISK CO 2 Dannelse av kalkstein via forvitring/erosjon H 2 O CO 2 FORVITRING/EROSJON Dekomponering/forvitring av bergarter Ca HCO 3 - Ca (Mg,Fe) fra berggrunnen danner sammen med CO 2 fra lufta kalsium bikarbonat Ca(HCO 3 ) 2 som er løselig i vann (egentlig Ca HCO 3- ) TRANSPORT som bikarbonat med grunnvann og elver mot havet 50 % returneres MINUS det som bindes i biologisk materiale UTFELLING som karbonat (ved endret ph) Ca HCO - 3 CaCO 3 ( sediment) + CO 2 Biologiske prosesser er viktige for å binde CO 2 Rolla i Troms Ca HCO - 3 CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Karbonat Kalkstein Geologiske prosesser Svært store mengder CO 2 er lagret som karbonat i berggrunnen i visse deler av landet millioner år gammel kalkstein (marmor)

3 NATURLIGE PROSESSER tar tusener av år Det bør kunne la seg gjøre å akselerere naturens prosesser for CO 2 -fangst H 2 O CO 2 En rekke forslag mht å øke naturens CO 2 -fangst Industrialisere forvitringsprosessen, industriell dekomponering av egnede bergarter og reaksjonsproduktene spres i havet; suger til seg CO 2 fra havvannet; vil etter hvert føre til karbonatdannelse på havbunnen. En variant av dette er å spre olivin langs strender (Schuiling & de Boer 2011); olivin forvitrer, frigjør mineralske komponenter som binder seg med CO 2 og danner karbonat. Er testet på strender i Nederland. Algeproduksjon (mange muligheter). Flere av løsninger vil innvirker på biologiske prosesser i havet, med mulighet for utilsiktede bivirkninger. Div. mineralogisk materiale Gruvedrift CO 2 CO 2 CO 2 Karbonat

4 En annen mulighet er INDUSTRIELL fangst av CO 2 Kontrollert deponering av CO 2 -holdig mineralogisk materiale integrert med produksjon av verdifulle mineralske produkter Må være industrielt attraktivt Krav om lønnsomhet Prosessen må være rask Salg av produkter CO 2 -håndteringen Samlede utgifter INNTEKTER UTGIFTER FORTJENESTE Verdifulle produkter Industrielle prosesser Kontrollert deponering av CO 2 holdig mineralogisk materiale

5 BETYDELIG POTENSIAL FOR VERDISKAPING VED INTEGRERTE INDUSTRIELLE LØSNINGER Konvensjonell prosessindustri Produserer CO 2 som avfall Gass, kull, elektrisk kraft (vannkraft) Mineraler VERDIFULLE PRODUKTER Verdiskaping PROSESSINDUSTRI CO 2 -basert Konvensjonell CO 2 GRUVEDRIFT CO 2 F. eks. Jernmalm: Fe 3 O 4. (magnetitt) Fe 3 O 4 + C Fe + CO 2 Olivin + CO 2 Karbonat + verdifulle produkter VERDIFULLE PRODUKTER KREVER NYE LØSNINGER HOVEDTEMA I DETTE FOREDRAGET Mineraler fra gruvedrift CO 2 - og mineralbasert prosessindustri CO 2 holdig mineralogisk materiale for deponi

6 KREC Kjeøy Research and Education Center (KREC) Et nedlagt fiskemottak, ombygget mht diverse geologisk forskning, Vestbygd i Lødingen kommune, Dr. Ingar Walder PhD i geokjemi fra New Mexico Tech (USA). KJEØY Laboratorieeksperimenter Kjeøy Lofoten Dr. Richard Bialecki PhD i fysikk fra Imperial Collage London, nå konsulent (London) Har testet idekonsept for oppløsning av mineraler i karbonsyre ved atmosfærisk trykk og temperatur Prosjekt Støttet av Nordland fylkeskommune, Innovasjon Norge og NGU

7 H 2 O + CO 2 1. OPPLØSNING 2. UTFELLING OG SEPARASJON.. MINERAL - Karbonsyre - ph T o C (1) Oppløsning av olivin i karbonsyre Få så mye som mulig av bestanddelene i løsning Binde CO 2 som bikarbonat (vannløselig) (Mg,Fe,Ni) 2 SiO 4 (olivin) + CO 2 + H 2 O Mg - + Fe - + Ni - + OH - + H 4 SiO 4 + HCO 3 - (bikarbonat) (2 ) Utfelling av mineralogiske bestanddeler, binding av CO 2 mineralogisk som karbonat, og anrikning av verdifulle komponenter til salgbare produkter Mg - + Fe - + OH - + Ni - + H 4 SiO 4 + HCO 3 - (Mg,Fe)CO 3 (karbonat) + SiO 2 + Ni + H 2 O (vann) CO 2 bundet som stabilt mineralogisk materiale Kontrollert deponering Verdifulle produkter for salg

8 H 2 O + CO 2 1. OPPLØSNING 2. UTFELLING OG SEPARASJON.. MINERAL - Karbonsyre - ph T o C Mg, Fe, Ni I PRAKSIS Mg, Fe og Ni går i løsning SiO 2 anrikes i kornoverflaten og danner et impermeabelt lag som stopper den videre reaksjonen DEN IMPERMEABLE RANDSONEN MÅ FJERNES LIKE FORT SOM DEN DANNES Olivin (Mg,Fe,Ni) 2 SiO 4 SiO 2 (silika) anriket omvandlingssone FE-SEM bilde (McKelvy et al. 2003)

9 ENERGI-PULS TEKNOLOGI ER NØKKELEN TIL Å FÅ OPPLØSNINGEN AV MINERALER I KARBONSYRE TIL Å SKJE RASKT VED ATMOSFÆRISKE BETINGELSER

10 . Grunnprinsipp Utnytte den kjemiske prosessens evne til å reagere raskt ved å tilføre EKSTREMT KRAFTIG PULSERT ENERGI Energiintensitet PULSERT energitilførsel Denne teknologien kan benyttes for: (1) Knusing av stein mht effektiv friknusing av mineralene (ikke tema i dette foredraget) (2) Oppnå rask oppløsning av mineraler i karbonsyre DETTE FOREDRAGET. KONVENSJONELL mekanisk energitilførsel Tid

11 Bruk av ekstremt kraftige energi pulser (ekstremt kraftig ultralyd) for omrøring og abrasjon Kontinuerlig abrasjon av mineralkornene fjerner impermeabelt SiO 2 -anriket reaksjonsmateriale slik at frisk olivin kommer i kontakt med karbonsyre og oppløsningsprosessen fortsetter Olivin (Mg,Fe) 2 SiO 4. i vandig løsning (karbonsyre) Vann er et ypperlig medium for pulsert energi - Karbonsyre - ph T o C

12 H 2 O + CO 2 1. OPPLØSNING 2. UTFELLING OG SEPARASJON.. MINERAL Nærbilde av kjemisk utfelte mineralpartikler som svever rundt i vannet Foto tatt i motlys gjør at hvite partikler blir mørke Mineralpartikler på bunnen av beholderen etter utfelling

13 H 2 O + CO 2 1. OPPLØSNING 2. UTFELLING OG SEPARASJON.. MINERAL Delvis omvandlet olivinkorn Reaksjonsprodukter (grå) innstøpt i epoxy (sort) Video Olivin Randsone med omvandlet mineralogisk materiale

14 Olivin (Mg,Fe,Ca,Ni) 2 Si 4 Ekstremt finkornet mineralogisk materiale (reaksjonsprodukter, grå farge) innstøpt i epoxy (sort) Oppsprekking i randen av olivinkorn Inneholder SiO 2, MgCO 3 o.a. Olivinkorn 0.01 mm (10 µm)

15 Det enkleste først Kalkspatmarmor % verdifull kalkspat (CaCO 3 ) % andre mineraler Verdi skaping Renset karbonat produkt Gruve produksjon

16 Kvarts Kalkspatmarmor Grafitt Kalkspat Inneslutninger av andre mineraler i kalkspat; disse må fjernes for å skape et verdifullt kalkspat produkt. Kalkspat kan løses i karbonsyre mens de øvrige mineralene ikke løses. Gir mulighet for selektiv oppløsning av kalkspat og utfelling som et renset produkt. Produkt H 2 O + CO 2 Kalkspat 1. OPPLØSNING 2. UTFELLING OG SEPARASJON.. Kalkspatmarmor

17 Selektiv oppløsning av kalsiumkarbonat og utfelling som et renset produkt CO 2 er i dette tilfellet kun reagens i en tenkt industriell prosess Ingen CO 2 nettoeffekt Metoden bør kunne gi grunnlag for ny industriell utvikling Svært store mineralressurser; en rekke kjente forekomster kan være egnet Verdien av renset kalsiumkarbonat INNTEKTER UTGIFTER FORTJENESTE CO 2 fra industriell kilde CO 2 CO 2 Verdifullt produkt av renset kalkspat (PCC) Kalkspatmarmor fra gruvedrift Selektiv oppløsning av kalkspat i karbonsyre Utfelling som høyrent produkt Relativt lite mineralogisk materiale for deponi

18 Når formålet er å binde mest mulig CO 2

19 Når formålet er å binde mest mulig CO 2 Mineralet OLIVIN (bergarten dunitt; andre bergarter er også aktuelle) 1000 kg olivin kan binde ca. 400 kg CO 2 CO 2 + (Mg,Fe,Ni) 2 SiO 4 (olivin) (Mg,Fe)CO 3 (karbonat) + SiO 2 + Ni Svært store mineralressurser; en rekke kjente forekomster kan være egnet. Verdien av mineralproduktene Verdien av CO 2 -håndteringen INNTEKTER FORTJENESTE CO 2 fra industriell kilde CO 2 UTGIFTER VERDIFULLE PRODUKTER Olivin fra gruvedrift Industriell prosess for oppløsning av olivin i karbonsyre Relativt mye mineralogisk materiale for deponi CO 2 holdig mineralogisk materiale Annet ikke salgbart mineralogisk materiale

20 Metodikken kan videreutvikles mht en rekke typer av mineralske ressurser Kalkspatmarmor FELLES BASIS TEKNOLOGI Olivin /ultramafiske bergarter Felles basisteknologi Ulike tilpasninger for ulike mineraler og bergarter Anortositt Andre bergarter

21 Behov for TEKNOLOGIUTVIKLING Mht mineralogisk CO 2 -håndtering basert på karbonsyreoppløsning av visse bergarter og mineraler Kostnadsnivået må ned DAGENES NIVÅ i utviklingen NØDVENDIG VIDERE UTVIKLING Teknologisk mulig men ikke lønnsomt Indikativ nivå for industriell gjennomførbarhet INDUSTRIELT REALISERBAR Ikke teknologisk mulig FoU-innsatsen må økes

22 OPPSUMMERING av noen ulike potensielle metoder for mineralogisk CO 2 -fangst Industrielt, kombinert med produksjon av verdifulle produkter og kontrollert deponering av CO 2 -holdig mineralogisk materiale. Vil neppe kunne få signifikant betydning mht globalt CO 2 -regnskap, men kan gi stor industriell verdiskaping. Salg av produkter CO 2 -håndteringen Samlede utgifter INNTEKTER UTGIFTER FORTJENESTE "Supergreen" energiproduksjon; utvinne varme ved oppløsning av olivin (eksotermisk reaksjon) som del av prosessen med industriell mineralogisk CO 2 -fangst. Ulike former for geo-engineering ; i dette tilfellet tiltak som benytter naturens egne prosesser; egnet mineralogisk materiale tilføres havet og binder etter hvert CO 2 fra havvannet, og ender etter hvert opp som stabilt karbonat på havbunnen. Påvirker biologiske prosesser STORT FOU-BEHOV

23 VISJON 100 Integrert mineralbasert industriell utvikling med mineralogisk CO 2 -håndtering FABELAKTIGE MULIGHETER FOR CO 2 -MINERAL VERDISKAPING Har tilstrekkelige mineralressurser En rekke egnede mineralske råvarer er tilgjengelig fra gruver i produksjon og fra kjente forekomster som enda ikke er i drift Har tilstrekkelige energiressurser Vannkraft, gass/lng, kull Har i hovedsak tilstrekkelig teknologisk og industriell kompetanse Behov for koordinert utvikling STØRSTE UTFORDRINGER SAMFUNNSAKSEPT og behov for insentiver rettet mot denne type industriell utvikling TEKNOLOGI, PROSESSUTVIKLING Utvikle miljøakseptable DEPONERINGSLØSNINGER for CO 2 -holdig mineralogisk materiale

24 VISJON 100. kan bli mulig, men krever Samfunnsaksept Langsiktig og helhetlig tenkning VERDI skaping El. kraft Kull Olje og Gass CO 2 Politiske grep PROSESS industri GRUVEDRIFT Kontrollert deponering av CO 2 -mineraler (karbonater)