Seks lovende innovative CLIMIT-prosjekter

  Claude R. Olsen
08. november 2012

Innovativ CO2-fangst er et prioritert område i CLIMIT. Nedenfor er vist seks eksempler på innovative prosjekter på ulike stadier i utviklingen, fra storskala demonstrasjonsanlegg til forskning og utvikling på nanopartikler.
 

SOLVit: Forskning i stor skala og stort omfang

SOLVit tester med MTU ved National Carbon Capture Centre i Alabama, USA. Foto: ACC

konstruksjon.jpgCO2-fangst fra store industriutslipp med kommersielt tilgjengelig aminteknologi krever mye energi. Den utfordringen har et av de største forskningsprosjektene i Europa innenfor CO2-fangst gjort noe med. I SOLVit (Solvents for the next generation of post combustion CO2 capture systems​) er målet å utvikle bedre kjemikalier og prosesser for etterbrenningsanlegg (post-combustion). Etter fire år har SOLVit redusert energibehovet med 35 prosent, og målet om en reduksjon på 50 prosent er innen rekkevidde.

Aker Clean Carbon AS (som nå er en del av Aker Solutions), SINTEF og NTNU etablerte i 2008 et åtte års FoU-program for utvikling av nye kjemikalier og prosesser til etterbrenning CO2-fangst. Prosjektet er et tett samarbeid mellom industrien og akademia. For et drøyt år siden kom også det tyske energiselskapet EnBW med i prosjektet, sammen med E.ON, som har deltatt fra starten i 2008. Til nå har prosjektet brukt rundt 200 millioner kroner og omlag 40 forskere er involvert. Programmet har også en utdanningsdel ved NTNU, som bl. a. inkluderer fem doktorgradsstillinger. Utdanningsdelen støtter resten av SOLVit-programmet med utdyping av spesifikke teknologiområder.

‒ SOLVit er grunnmuren for alt vårt teknologiutviklingsarbeid. Vi så allerede i 2006 at for å komme noen vei i et marked som er dominert av store tunge aktører, måtte vi satse tungt og langsiktig, sier teknologidirektør for karbonfangst i Aker Solutions, Oscar Fr. Graff.

De to første fasene er gjennomført, der mer enn 80 kjemikalieblandinger med aminer og ikke-aminer er undersøkt med hensyn til energiforbruk, degradering og absorpsjonsevne for CO2. Et av fokusområdene har vært å redusere mulig amin utslipp til luft. Flere metoder har blitt testet med positive resultat. I Trondheim har prosjektet bygd opp et laboratorieanlegg på Tiller med en fangstkolonne som er like høy, men mye slankere enn en fullskala CO2-fanger. Aker Solutions har bygd en mobil fangstenhet (MTU – Mobile Test Unit) som til nå har mer enn 15.000 driftstimer ved ulike kraftverk i Europa og USA. Parallelt har Staten bygd et anlegg i 1/10 skala i teknologisenteret på Mongstad (TCM). Aminanlegget ble designet og levert av Aker Solutions, som nå gjennomfører et omfattende 15- måneders testprogram på TCM.

I fase 3 ønsker SOLVit å teste tredjegenerasjons fangstanlegg med en ny prosessdesign. Den vil kunne redusere energibehovet til det halve slik det langsiktige målet i SOLVit er. Planen er at SOLVit skal benytte pilotanlegg i ulike størrelser og teste på røykgass fra gasskraftverk (TCM, MTU og Tiller) og raffineri (TCM og MTU), samt kullkraft med innblandet biobrensel (Heilbronn).

ZEG: El og hydrogen med null utslipp

BioZEG skal stå klart på Lillestrøm om et år. Ill: ZEG Power

ZEG.jpgEt anlegg med ZEG-prosessen (Zero Emission Gas) har potensial for veldig høy energieffektivitet. Målet er at over 80 prosent av energien i naturgassen utnyttes. Det unike ligger i at anlegget både produserer elektrisitet og hydrogen, og samtidig fanger CO2. I ZEG er CO2-fangst en fordel siden den inngår som en del av prosessen i motsetning til etterbrennings- eller førforbrenningsanlegg for CO2-fa​​ngst.

Prosjektet er i ferd med å ta steget fra laboratorieskala til et 50 kW pilotanlegg som bygges sammen med hydrogenprosjektet HyNor på Lillestrøm. 30kW vil gå til å produsere hydrogen, mens 20 kW blir elektrisk kraft. Pilotanlegget, som kalles BioZEG siden brennstoffet er deponigass, skal stå klar i slutten av 2013. Det støttes av Statoil og Innovasjon Norge. Budsjettet er på 17 millioner kroner.

‒ Strategien til nå har vært å komme lengst mulig med de to partnerne som står bak, IFE og CMR. Fokus har vært på IFEs teknologi for hydrogenproduksjon og Prototechs brenselceller. Men som selskap må vi velge teknologien som er best i markedet og som kan føre oss fort frem. Da er det ikke nødvendigvis de to som er leverandører, sier administrerende direktør Bjørg Andresen i ZEG Power AS, et selskap eid av IFE og CMR.

Bruk av andre leverandører gjør det raskere å komme i gang, men vil føre til at energieffektiviteten på Lillestrøm-anlegget maksimalt blir 70 prosent. En av grunnene er at brenselcellene ikke har så høy temperatur som optimalt. Men fortsatt er energieffektiviteten høyere enn i et gasskraftverk.

Konseptet ZEG forener to umodne teknologier. Den ene er en høytemperatur brenselcelle og den andre er en reformeringsprosess med CO2-absorbsjon. Varmen fra brenselcellen driver omdanningen av metan til hydrogen i reformeren. Hydrogenet driver brenselcellen som produserer strøm og kan også lagres på tanker.

Neste trinn er et anlegg på 400 kW, og ZEG har meldt sin interesse for å teste ut teknologien på den tredje tomten på Mongstad. Utviklingen av 400 kW-prosjektet starter nå og vil trekke til seg leverandører og partnere i løpet av neste år.

CLC: Oksidering og reduksjon

Chemical Looping Combustion (CLC) er et lovende alternativ for å produsere energi med CO2-fangst. Et chemical looping-anlegg består av to reaktorer. I den ene forbrennes naturgass eller kull med et metalloksid, som derved reduseres til metall, og i den andre reaktoren oksideres metallet tilbake til metalloksid. På den måten splittes brenngassen (luft pluss brennstoff) i tre deler ved hjelp av den metalliske oksygenbæreren: Nitrogenet skilles ut tidlig i forbrenningsprosessen, mens vanndampen kondenseres og restgassen blir så å si ren CO2.

– Denne prosessen har et potensial for å bli mer energieffektiv enn dagens røykgassrensing, sier seniorforsker Marie Bysveen ved SINTEF Energi. Hun har ledet fase 1 og 2 av CLC-prosjektet, som etter planen skal vare ut 2013.

SINTEF-forskerne har regnet ut at virkningsgraden for et kullfyrt kogenereringskraftverk med CLC kan være 51 prosent Det er flere prosentpoeng over virkningsgraden for et anlegg med konvensjonell CO2-rensing. Anlegget får en tilleggsgevinst dersom restvarmen i form av damp kan utnyttes av nærliggende industri.

CLC inngår nå i FME BIGCCS, et av 11 forskningssentre for miljøvennlig energi (FME). Prosjektet har bygd et av verdens største plexiglass-anlegg for kaldstrøm testing av CLC og har testet en rekke ulike metaller. Ilmenitt og mangan med tilsetningsstoffer har vist lovende egenskaper.

Nå er prosjektet i ferd med å bygge en testrigg på 150 kW i Trondheim som skal gi svar på hvor stor virkningsgrad et slikt anlegg kan få, og hvordan det kan drives mest effektivt.

Palladiummembran skiller ut hydrogen

Effektiv produksjon av hydrogen fra naturgass, er grunnlaget for å bygge kraftverk der CO2 skilles ut før kraftproduksjonen (førforbrenning). Hydrokarbonene kan splittes i en dampreformeringsprosess eller en vannskifteprosess, og ut kommer rent hydrogen og rent CO2. CO2-en lagres eller transporteres vekk, mens hydrogenet brukes i gassturbinene for å produsere elektrisitet. Utfordringen er å skille ut hydrogen mest mulig effektivt.

En mye studert metode er å bruke skreddersydde membraner som bare slipper gjennom hydrogenatomene og ingen andre stoffer. Jo tynnere membran desto høyere effektivitet, men samtidig større fare for at det blir hull i membranen under produksjonen.

Forskere ved SINTEF Materialer og kjemi har utviklet en unik metode som gjør det mulig å produsere store arealer av veldig tynne og feilfrie membraner av en palladiumlegering. Membranen er bare 2-3 mikrometer tykk, og kan legges på flere ulike underlag tilpasset prosessen.

Metoden er patentert og skal nå prøves ut i større skala. SINTEF kjører et forprosjekt finansiert av Gassnova og Reienertsen AS for å finne hvordan de skal gå fram for å oppskalere teknologien til pilotskala for CO2-fangst. Resultatet skal foreligge før årsskiftet.

‒Vi håper at et pilotanlegg kan komme inn på den tredje tomten på Mongstad, sier prosjektleder Rune Bredesen, forskningssjef i avdelingen Energikonvertering og materialer i SINTEF.

På sikt kan produksjon av anlegg med palladiummembranen bli en kommersiell mulighet for partneren Reinertsen.

CO2-fangst i kraftproduksjon er bare én av anvendelsene for membranen. Mange industrielle prosesser bruker hydrogen og biler med brenselceller vil ha behov for helt rent og lett tilgjengelig hydrogen.

DualCO2: Flytende membraner skiller ut CO2

Membraner som bare slipper gjennom CO2 er en drøm for dem som utvikler CO2-fangstanlegg. Universitetet i Oslo og SINTEF utvikler en membran som har to faser, en flytende fase som transporterer CO2 fra den ene til den andre siden, og en porøs keram som holder på den flytende fasen. Slike membraner skal både kunne brukes til å fange CO2 fra røkgassen i etterbrenningsanlegg og til å trekke ut CO2 i førforbrenningsanlegg.

Ideen ble nevnt under en brainstorming hos Hydro allerede for 15 år siden, men den gang ble det ansett som umulig. I dag prøver flere forskningsmiljøer i verden seg på teknologien.

I det treårige prosjektet DualCO2 (siden det er to faser) tester Universitetet i Oslo egenskapene i en membrancelle bygget av SINTEF. Den består av en porøs bærestruktur av keram og et flytende litiumkarbonat inne i hulrommene. Transporten av CO2 gjennom membranen skjer ved at karbonationer går gjennom den flytende fasen den ene veien mens oksygenioner går den andre veien slik at man får en ladningsutveksling. Et alternativ er å transportere karbonationer en vei og elektroner den andre veien.

Som de første i verden har Universitetet i Oslo utviklet et en metode som kan måle transporten av ulike ioner i karbonatsmelten i en slik membran. Forsøkene viser god gjennomstrømning av karbonationer, men også noe transport av andre ioner, tilsynelatende hydroksidioner.

‒ Prosjektet har holdt på et halvt år, og denne teknologien er fortsatt i en tidlig utvikling. Når vi får en stabil struktur, kan vi teste i litt større skala om noen år. Men å kjøre i full skala vil kanskje ta ti år, tror prosjektleder Truls Norby, professor ved Universitetet i Oslo. LECIM i Frankrike og Argonne National Laboratory i USA er internasjonale partnere og rådgivere.

Membranene er i dag relativt tykke, rundt en millimeter. I de endelige membranene vil det flytende smeltekabonatet suges opp i en tynn porøs bærestruktur på kanskje bare noen mikrometer, som vil gi større gjennomstrømning.

Andre keramiske membraner som det forskes på ved UiO og SINTEF kan også brukes i anlegg for å produsere hydrogen og oksygen. Denne forskningen inngår i FME BIGCCS.

NanoCO2: Nanopartikler med aminfunksjoner

Produksjon av nanopartikler for CO2-fangst. Foto: SINTEF

Nanopartikler.jpgKjemikaliene som brukes til å fange CO2 i etterforbrenningsanlegg, kan bli mye mer effektive. Ved å feste aminene til nanopartikler kan fangsten av CO2 gå raskere og like viktig, det vil kreve mindre energi å frigjøre CO2-en igjen.

Gjennom mange års arbeid med nanopartikler har SINTEF funnet at multifunksjonelle nanopartikler er godt egnet. Disse partiklene består av et "bur" av siloksan der andre molekyler, for eksempel aminer, kan hektes på.

‒ Dette er en ny klasse hybridmaterialer som har mange anvendelser innenfor nanoteknologi, og som vi nå vil bruke på CO2-fangst. Ved å sette organiske funksjoner på partiklene kan de reagere med CO2. Dermed kan fangstprosessen bli mer effektiv samtidig som det trengs mindre energi, sier prosjektleder for NanoCO2 Christian Simon, forskningsleder ved SINTEF Materialer og kjemi.

Et tradisjonelt etterforbrenningsanlegg med aminer må behandle store volumer kjemikalier og vann, først for å fange CO2 og deretter for å frigjøre den. Særlig det siste trinnet er energikrevende. I det nye konseptet kan nanopartiklene med fanget CO2 lettere oppkonsentreres. Dermed blir anlegget for å skille ut CO2 mye mindre og krever mindre energi.

Forprosjektet startet i år og vil vare frem til neste sommer. Målet er ikke bar å forbedre solventer, men også å generere nye prosjekter knyttet til CO2-håndtering og industri. Teknologien skal enkelt kunne oppskaleres til å produsere store volumer. Prosjektet er i ferd med å kontakte industri- og forskningsaktører for å presentere mulighetene med de nye nanopartiklene.

Hybridmaterialene kan også bli brukt i andre deler av CO2-håndteringskjeden. Membraner som i dag prøves ut for å skille ut CO2, er gjerne i polymerer. Disse er ikke særlig robuste. Ved å tilsette de rette nanopartiklene håper SINTEF-forskerne å forbedre separasjonsegenskapene i membranene og gjøre dem mer sterkere. En annen anvendelse er å tilsette nanopartikler til flytende CO2 for å få mer ut av økt oljeutvinning (EOR).​

​​​

 


CLIMIT © 2017