BIGCO2 prosjekteksempler 2010

   
06.06.2011
Eksempler på prosjekter innenfor forskningsområdene i det store programmet BIGCO2.

​​

 

​Task A: Høytemperatur oksygenmembraner for renere kraftproduksjon
Task B: Post-combustion CO2-fangst
Task C: Trykksatt forbrenning av nye blandinger
Task D: Integrasjon med kraftprosessen
Task E: CO2-verdikjede
Task F: Økt olje og gassutvinning med CO2 og sikker undergrunnslagring av CO2
Task G: Kjemisk sirkulasjonsforbrenning (CLC– Chemical Looping Combustion)

Effektiv produksjon av oksygen til oxyfuel-kraftverk (Task A)
Bytt ut luft med oksygen i fossilfyrte kraftverk og du får en eksosgass som bare består av vanndamp og CO2. Det er grunnideen i såkalte oxyfueldrevne kraftverk. Fordelen ved å brenne naturgass eller kull i rent oksygen er at det er enkelt å skille ut CO2-en uten noe eget fangstanlegg. Ulempen er at produksjon av oksygen fra lufta med dagens metoder bruker mye energi. I BIGCO2 Task A utvikles membraner som kan trekke oksygen ut fra lufta med lavt energiforbruk.

Membranene er laget av keramisk materiale som bare slipper oksygen-ioner gjennom, mens de andre molekylene i luften holdes tilbake. I praktisk bruk formes membranene som porøse rør med et tynt membranlag på utsiden og der luften strømmer utenpå membranrøret mens oksygenet samles opp på innsiden.

Utfordringen for forskerne er å finne materialer og produksjonsmetoder som gjør at rørene kan lages i industriell skala. For å få god transport av oksygen gjennom membranen må den ha en temperatur på rundt 900 C. Forseglingen som skal holde rørene tette ved så høy temperatur har vært og er fortsatt en utfordring som det jobbes aktivt med å løse.

BIGCO2 har langt på vei lykkes i laboratorieskala med membranrør som er opp til en meter lange og ca en cm i diameter. I industriell skala må rørenes overflate være flere tusen kvadratmeter. Membranrørene vil da pakkes sammen i moduler ved kraftverket.

Økt kunnskap om aminforbindelser (Task B)
CO2-fangst direkte fra eksosen i gass- og kullkraftverk med kjemisk absorpsjon er teknologien som er nærmest realisering i full skala. Aminer er det mest brukte kjemikaliet. BIGCO2 jobber i Task B med å øke forståelsen av den helt grunnleggende kjemien rundt aminene. Hvordan påvirkes bindingen mellom CO2 og aminer av temperaturendringer? Hvilke typer aminmolekyler er bedre enn andre når det gjelder å unngå dannelse av nedbrytningsprodukter? Hvilke komponenter i utslippet skal man være mest på vakt overfor når det gjelder å forebygge negative miljø- og helseeffekter? Her samarbeider BIGCO2 blant andre med University of Missouri.

Aminosyresalter er en ny type kjemikalieblanding som kan brukes til å fange CO2. De er i utgangspunktet miljøvennlige kjemikalier som ikke fordamper og utgjør derfor ingen risiko når de slippes ut. Aminosyresaltene består av aminer og aminosyrer, der man forsøker å få det beste fra hver av komponentene. Ved å kombinere stabile aminosyrer med amin vil BIGCO2 kunne utvikle en blanding som gir lavt energibehov, lave utslipp og er miljøvennlig. Det er testet 6 ulike blandinger av denne typen i laboratoriet. En av blandingene er testet i pilotanlegg, og viser resultater som er lovende for det videre arbeidet.

Fanger CO2 før forbrenning (Task C)
I et kull- eller gasskraftverk som allerede er bygget, må CO2-en i eksosen fanges i et separat anlegg. En mer effektiv måte vil være å bruke prosesser der hele fangstanlegget unngås, slik at CO2-fangst er integrert i prosessen. Den ene metoden er oxyfuel der gass eller kull brennes med oksygen i stedet for luft for å få ren CO2 og vanndamp. Den andre er å omdanne kullet eller naturgassen til karbonmonoksid og hydrogen. Karbonmonoksidet gjøres om til CO2 mens hydrogenet brennes i en gassturbin.

Både forbrenning av oksygen og av hydrogen skjer ved høy temperatur og stiller store krav til utformingen av brennkammeret og til materialene i det. BIGCO2 Task C vil utvikle nye oxyfuel-brennere og sikrere hydrogenbrennere.

Bruk av ren oksygen istedenfor luft er en såpass ny forbrenningsmåte at lite er kjent. BIGCO2 gjennomfører avanserte eksperimenter der flere målemetoder, inklusive laser, er tatt i bruk for å øke kunnskapen. I samarbeid med forskere ved Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ser BIGCO2 på om hva som skjer når oksygen brenner under trykk. I et spesiallaget kammer kan flammene studeres med ulike blandinger av oksygen og CO2 for å finne den beste blandingen som gassturbinene kan tåle. Forsøksanlegget som ble gjort ferdig i år, er det første som studerer oxyfuel-forbrenning under trykk.

I studiene av hydrogen samarbeider BIGCO2 med forskere ved Technische Universität München (TUM). Under forbrenning av hydrogen med bruk av lav-NOx-brennere, kan flammene få såkalt flashback, det vil si at flammefronten beveger seg mot gasskilden. Dette kan føre til maskinsvikt og skade. SINTEF-forskere utvikler avanserte strømningsmodeller som kan simulere flammeutvikling i hydrogenbrennere og kjører eksperimenter for å validere disse modellene.

Integrasjon senker kostnadene (Task D)
Dersom fangstanlegget og kraftverket sees i sammenheng i et integrert post-combustion-anlegg, kan prosessene utnyttes bedre og energibruken reduseres. Det vil også kutte kostnadene med fangst av CO2.

BIGCO2 ser i Task D på hvordan de ulike elementene fungerer sammen. For eksempel kan dampen fra dampturbinene i kraftverket brukes til fangstprosessen, og overføres mellom anleggene på ulike måter. Integrasjon av prosessene er en viktig faktor for å nå målet om at under syv prosent av energien skal gå til å fange CO2.

Integrasjon er også aktuell i andre typer kraftproduserende prosesser. For eksempel i pre-combustion der brenselet først blir omdannet til en blanding av hovedsaklig CO2 og hydrogen. Her fanges CO2 fra brenselet før forbrenningen finner sted. Ettersom CO2-fangstforholdene i et slikt tilfelle er veldig forskjellige fra de man finner i eksos, vil også de mest effektive fangstteknologiene og deres integrasjon med resten av kraftverket være forskjellig fra post-combustion.

Får ned kostnadene i hele verdikjeden for CO 2 (Task E)
Alle delene i CO2-kjeden fra kraftverket til lagring i reservoarer under bakken, påvirker hverandre. Alt fra politiske beslutninger, reguleringer og folks holdninger til CO2-håndtering, til teknologi, økonomi og miljøhensyn gjør valget av den beste løsningen svært komplisert.

BIGCO2 utvikler i Task E modeller som skal gjøre det enklere å se konsekvensene av ulike valg og bistå beslutningstagerne til å finne den beste løsningen. Montana State University er trukket inn i prosjektet.

Grunnmodellen EXPAND er ferdig og forskerne vil nå hente inn realistiske data for å teste ut modellen i praksis. Den skal kunne gi svar på spørsmål som: Hvordan vil bedre fangstmetoder slå ut? Eller bedre oxyfuel-forbrenning? Eller bedre overvåking av lagringen av CO2? Hva vil den beste infrastrukturen for transport av CO2 være?

Hvordan slår offentlige støtteordninger ut? Analysene kan munne ut i totalkostnadene per tonn fanget CO2 for ulike typer teknologivalg, politiske rammer og utviklingen av det globale markedet. EXPAND skal også kunne brukes av operatørene til å vurdere når det er klokest å investere i CO2-håndtering.

BIGCO2s innsats siden 2007 la grunnlaget for EU-prosjektet ECCO som utvikler en tilsvarende modell med mange flere parametre. Arbeidet blir også videreført i BIGCCS.

Hva skjer når CO2 injiseres i bakken? (Task F)

CO2-en som transporteres fra CO2-kilden på land til et reservoar under havbunnen, vil i mange tilfeller nå injeksjonsbrønnen som en blanding av gass og væske. Sammensetningen av de to fasene har betydning for hvordan CO2-en vil oppføre seg nede på reservoardypet. Forskerne skulle gjerne hatt flere måleinstrumenter nede i borehullet for å ha full oversikt over trykk, temperatur og dermed hvilke faser CO2-en er i. Men operatørselskapene er svært lite lystne på driftsstans og kostnader for å installere flere instrumenter nede i borehullet. BIGCO2 har i Task F utviklet en regnemodell som kan vise trykk og temperatur nede i borehullet ut fra gass- og væskevolumet som går gjennom røret på overflaten.

Slipper fangstanlegg for CO2 (Task G)

Forbrenning av naturgass og kull kan skje helt uten åpen flamme, slik det gjøres i en metode som kalles kjemisk sirkulasjonsforbrenning (CLC - Chemical Looping Combustion). Et CLC-kraftverk består i prinsippet av to deler. I den ene delen bindes oksygen fra lufta til et metall og danner metalloksid. Metalloksidet føres over til den andre delen der det reagerer med naturgass som omdannes til CO2 og vanndamp. Metallet føres tilbake til den første delen av anlegget der det reagerer på nytt med oksygen i lufta. I denne syklusen frigjøres energien i naturgassen i form av varme. Varmen brukes til å lage damp som driver dampturbiner og generatorer som produserer strøm. Ut fra anlegget kommer CO2 og vann der ren CO2 samles opp ved å kondensere vanndampen.

Et CLC-anlegg har potensial til å oppnå høy virkningsgrad, nesten opp på samme nivå som et konvensjonelt kraftverk uten CO2-fangst. Men anleggene blir noe mer komplisert og mer testing i pilotanlegg er nødvendig for å få til en optimal drift.
BIGCO2 har fått bygd et av verdens største plexiglass-anlegg for kaldstrøm testing av CLC. Anlegget viser at teknikken fungerer også utenfor laboratoriebenken. Nå testes ulike metaller for å finne det som er den mest effektive oksygenbæreren. Deretter skal det bygges et 150 kW pilotanlegg for drift med reelle CLC-temperaturer på opp mot 1000 °C. Forsøkene i pilotanlegget skal gi svarene som trengs for å bygge et anlegg i industriell skala. En av måtene å øke effektiviteten på er å kjøre hele prosessen under trykk.

Roterende kraftverk

En helt annen måte å bruke kjemisk sirkulasjonsforbrenning på er å la metallet ligge fast i en roterende skive der det blir utsatt for luft, damp og naturgass etter tur. Dette prinsippet utforskes ved SINTEF i Oslo der forskerne har lykkes med å bygge et anlegg i laboratorieskala som viser at roterende CLC fungerer i praksis. Med en rotasjonshastighet på 2 runder i minuttet ble 83 prosent av CO2-en fanget. Utfordringen er å få tette overganger mellom de ulike sektorene. Laboratoriemodellen skal nå brukes til å kjøre omfattende forsøk med ulike temperaturer og trykk.

 

​​​

​BIGCO2 

 

 


CLIMIT © 2017