Ny viten om hydratdannelse i CO2-rør

  Hugo Ryvik
05. november 2013

Norske forskere har fått ny innsikt om hvor mye vann som kan tillates i CO2-gass under rørtransport. Det gir bedre grunnlag for å vurdere risikoen for at det blir dannet hydrater i transportrørene. (Prosjekt nr 208508)
 

Hydrater er krystallstrukturer som kan oppstå når vannmolekyler og gassmolekyler blir kombinert, og er uønsket fordi det kan føre til tilstopping av rørene og utilsiktede driftsstopper og driftsforstyrrelser.

Det er kjent at forekomst av fritt vann i rørene kan føre til hydrater ved visse temperaturer og trykk. Derfor blir det i dag brukt spesifikasjoner for det høyeste tillatte vanninnholdet i CO2 ut ifra CO2 i en vannløselig bulkfase, det vil si slik gassen tilstand er før den bli transportert i rør.

Dette er en metode som kan forbedres. Data for når det kan oppstå fritt vann i CO2-rør er mangelfulle, og urenheter som ofte forekommer i gassen og rørveggene kan også spille inn. 

Modell av vann-H2S-hematitt.jpg
 

Modell av vann-H2S-hematitt. H2S løst i CO2 eller naturgass er en "versting" i hydrat-sammenheng. H2S løst over fra CO2 og inn i vann kan lage et eget hydrat parallelt med CO2-dominert hydrat på grenseflaten. Adsorbert H2 lager effektivt hydrat med vann utenfor hematitt.

Laget grunnlag for nye modeller

http://www.gassnova.no/frontend/files/CONTENT/Bjorn%20Kvamme%20200%202.jpg

Bjørn Kvamme.jpgProfessor Bjørn Kvamme ved Universitetet i Bergen har gått i spissen for å drive fram ny kunnskap på området. Et prosjekt ledet av Gassco, med deltakelse av Total, Polytec, Universitetet i Bergen, Institutt for Energiteknologi (IFE) og Hydrafact, har studert inngående hvilke faktorer som kan lede til hydrater.

Prosjektet har fått navnet "CO2/H2O PLUS: Understanding of hydrate formation, water deposition and water drop-out in CO2-streams", og er støttet av CLIMIT-programmet.


 


Bjørn Kvamme er sentral i arbeidet med å skaffe frem ny kunnskap om hydrater. Foto: Privat

Utgangspunktet er at det manglet eksperimentelle data og modeller som er nødvendig for mer nøyaktig beregning av det tillatte vanninnholdet i CO2-en ved temperaturer under ti grader.

– Vi har laget et datasett som kan bli brukt til å utvikle nye typer modeller for beregning av hydratdannelse der aktive overflatelag blir tatt med som termodynamiske faktorer, sier Antonie Oosterkamp fra Polytec, som har ledet prosjektet.

Hydrater uten fritt vann

http://www.gassnova.no/frontend/files/CONTENT/Tony%20Oosterkamp%20200%202.jpg

Tony Oosterkamp.jpgForskerne har gjennom teori og eksperimenter kommet fram til at det kan dannes hydrater selv om det ikke er fritt vann i rørene som er utfelt fra gassen. Molekylaktiviteter i rørveggene kan også påvirke. Vann som fins i gassen kan feste seg på veggene ved hjelp av adsorpsjon. Dermed står det klart at rørveggene er aktivt med i den termodynamiske prosessen.

– Stålrør uten belegg (coating) er det mest økonomiske og hensiktsmessige til transport av CO2. Inni disse oppstår det en rustoverflate av hematitt og andre rustformer, og vi har funnet ut at denne rusten kan adsorbere vann i CO2, forteller Oosterkamp.

Tony Oosterkamp fra Polytec har ledet prosjektet. Foto: Privat

I tillegg til hematitt er effekten av urenhetene Ar, H2S, N2 og CH4 studert i prosjektet. Det viser seg at H2S kan føre til aggressiv og rask dannelse av hydrater selv ved svært små mengder. Innvirkningen fra H2S har blitt lite eksperimentert med tidligere i denne sammenhengen.

hematit-oksyygen-vann-CO2-hydrat.jpg 

Sluttresultatet av en simulering hvor det er hematit-oksyygen-vann-CO2-hydrat. Grønt er jern, rødt er oksygen, blått er vann, lyseblått er hydratvann og mørkerødt er CO2.

12 veier til hydrater

I prosjektet studerte forskerne også hvilke veier som potensielt kan føre til at det blir dannet hydrater i et CO2-rør med urenheter til stede. Gjennom bruk av molekylær dynamikksimulering og teoretisk termodynamikk kom de fram til at det fins tolv veier til hydrater, og de mest sannsynlige veiene er sortert ut.

Prosjektlederen understreker at det går fint an å transportere CO2 i lange rør nede på havbunnen i dag uten større problemer, bare du sørger for at CO2-en er tørr nok. Det forskerne har sett på er hvordan du kan sette opp beregningene så nøyaktig som mulig gjennom å forstå bedre det som skjer med fasene i røret.

Dette har gitt en utvidet forståelse for hydratdannelse, og hvilken påvirkning rust har.

Mye grunnforskning

– Prosjektet har hatt et stort innslag av grunnforskning. Uten støtten fra CLIMIT ville vi ikke vært i stand til å utrede det omfattende teoretiske grunnlaget. Universitetet i Bergen, ledet av professor Bjørn Kvamme, har for øvrig lagt ned en betydelig større arbeidsinnsats i den teoretiske utredingen enn det som ligger i budsjettet, sier Antonie Oosterkamp.

– Prosjektet har gitt en mye bedre forståelse for når hydrater kan dannes. Dette er nyttig kompetanse som industrien vil ha behov for når CO2 etter hvert skal transporteres i stor skala i rørledninger, sier Aage Stangeland, spesialrådgiver i Forskningsrådet og programkoordinator for CLIMIT-FoU.

FAKTA OM PROSJEKTET

Prosjektnavn: CO2/H2O PLUS: Understanding of hydrate formation, water deposition and water drop-out in CO2-streams
 

Prosjektansvarlig: Gassco 


ProsjektpartnereTotal, Polytec, Universitetet i Bergen, Institutt for Energiteknologi (IFE), Hydrafact 

Budsjett: 4,8 millioner kroner 

CLIMIT-støtte: 50 % 

Prosjektperiode: 2011 – 2013

​​​

 


CLIMIT © 2017