Oxyfuel gjør det enklere å fange CO2

  Stein Koren
03.11.2011
Når hydrokarboner brenner i ren oksygen, blir avgassene CO2 og vanndamp. Slike oxyfuel-anlegg er derfor svært attraktive kraftverk. Utfordringen er å få ned energibruken til å produsere oksygenet.

Prinsippskisse for et oxyfuel gasskraftverk. 

Gassnova

Flere forsøksanlegg med oxyfuel er i gang eller under oppføring i Tyskland, Australia, Frankrike, USA og Japan, med kull som brensel. I Frankrike er det et forsøksanlegg med en gassfyrt kjel. I USA er det kjørt noen forsøk med en liten gassturbin. Foreløpig er det ingen forsøksanlegg i Norge, men CLIMIT har støttet og støtter noen forprosjekter hvor forsøksanlegg med oxyfuel på gassturbiner utredes.

Fordelene med et kraftverk fyrt med oxyfuel er at det fanger nær all CO2 i røkgassen, er mer kompakt og er uten miljøproblemer. I tillegg er produksjon av oksygen en mer moden prosess enn fangst og stripping av CO2 i et aminanlegg.

Hett
I et oxyfuel-kraftverk er luft byttet ut med ren oksygen, noe som krever en viss ombygging av forbrenningssystemet. Ved vanlig forbrenning med luft blir oksygenet i luften brukt til forbrenning mens nitrogenet følger med og reduserer forbrenningstemperaturen. Når hydrokarboner forbrenner i ren oksygen, blir temperaturen svært høy, mye høyere enn det materialene i brennkammeret tåler. I et oxyfuel-anlegg blir derfor deler av røkgassen ført tilbake inn i brennkammeret for å senke forbrenningstemperaturen fra flere tusen °C til nær samme temperaturen som ved forbrenning med luft.

Mens andre land primært ser på kullkraftverk basert på dampproduserende kjeler og dampturbiner, ønsker CLIMIT-programmet å få i gang oxyfuel-prosjekter for gasskraftverk basert på en kombinasjon av gassturbin og dampturbin, såkalte Combined Cycle Gassturbin (CCGT) kraftverk som på Kårstø.

Prinsipielt består gassturbinen av en kompressor som komprimerer luften, et brennkammer og en arbeidsturbin hvor gassen ekspanderer og avgir kraft til å drive kompressoren og en generator. Kompressoren tilfører brennkammeret mer luft enn nødvendig slik at overskuddsluften gir tilstrekkelig kjøling. Med oxyfuel tilføres brennkammeret ren oksygen og får derfor ingen luft til kjøling.

En del av røkgassen blir da ført tilbake til kompressoren og videre til brennkammeret for kjøling. De resirkulerte forbrenningsproduktene følger med videre gjennom arbeidsturbinen. Egenskapene til arbeidsmediet (gassblandingen) endres og det medfører at det må undersøkes i hvilken grad eksisterende materialer i kompressor og arbeidsturbin kan nyttes eller må skiftes ut.

I stedet for å bruke røkgassen til kjøling, kan det også kjøles ved å sprøyte inn store mengder vann i brennkammeret. Brennkammeret virker da som en dampgenerator og selve syklusen nærmer seg en dampsyklus. Amerikanske CES (Clean Energy System) som norske Nebb Engineering samarbeider med, arbeider med denne metoden.

Går rett på turbinen
SINTEF, Siemens Finspång og Nebb Engineering samarbeider i en studie hvor de ser på hvordan en eksisterende turbin kan modifiseres til oxyfuel og hvilke kostnader dette medfører. Prosjektet støttes med midler fra CLIMIT-programmet. SINTEF gjør tekniske beregninger og simuleringer for selve forbrenningsprosessen og brennkammeret mens løsningene testes av Siemens i samarbeide med universitetet i Lund. Nebb Engineering bidrar med teknologikunnskap rundt en spesiell termisk arbeidsprosess.

En utfordring med å resirkulere røkgassen, som jo består av CO2 og vanndamp, er at den er korrosiv når dampen kondenserer. Materialet i i gassturbinen må derfor tåle denne blandingen der dampen kan kondensere.

Hvis resultatet av studien er positivt er planen å fortsette i neste fase med pilotanlegg. Det endelige målet er å ha klart et fullskala demo anlegg rundt 2020. Virkningsgraden må være på linje med eller bedre enn for kraftverk med andre fangstprosesser.

Trenger kvantesprang
Det store spranget med å forbedre virkningsgraden for oxyfuel vil likevel bli å finne mindre energikrevende måter å produsere oksygen på. Den tradisjonelle metoden er å kjøle ned luft helt til oksygenet kondenserer og kan skilles fra nitrogen og de andre gassene i lufta. Denne kjøleprosessen krever mye energi, noe som reduserer virkningsgraden for kraftproduksjon med CO2 fangst basert på oxyfuel-teknologien.

Hvis man kunne finne en mindre energikrevende metode å produsere oksygen på, kan oxyfuel ha en fordel fremfor andre fangstmetoder.

Den mest lovende alternative måten å skille oksygen fra lufta på, er å bruke membraner. Her pågår forskning i Norge og mange andre land, men gjennombruddet for kommersielle løsninger som produserer oksygen med tilstrekkelig renhet, er fortsatt ikke kommet.

CO2-transporten
En siste utfordring som forskerne må løse, er krav til renheten for CO2-en som skal transporteres i rør til lagringsstedet.

Sammenlignet med CO2 fra et aminanlegg vil CO2 fra et oxyfuel-anlegg etter tørking inneholde mer urenheter. De er rester av nitrogen og argon ved oksygenproduksjonen, restoksygen fra forbrenningen samt forbrenningsprodukter. Det siste gjelder spesielt NOx og SOx ved urent brensel. Innholdet av urenheter lar seg redusere dels før og dels etter fangsten, men det medfører ekstra kostnader.

Urenhetene kan medføre økt fare for korrosjon i kompressor og rør og kan også ha uheldige virkninger på reservoaret eller feltet der CO2-en skal lagres. En kombinasjon av urenheter kan ha en annen konsekvens enn hvert element alene. Grensene for å unngå uheldige virkninger kan være ulik for de forskjellige lagringsfeltene. Her må det forskes mer for å finne realistiske grenser for innhold av urenheter i CO2-en for å redusere kostnadene. ​​

​​​

​Oxyfuel


 


 

 


CLIMIT © 2017