Disruptive CO₂ Capture

Bakgrunn
Modellering av adsorpsjonsprosesser er en utfordrende oppgave. Samspillet mellom masse og varmeoverføring i forskjellige faser (gass og fast stoff) bør tas i betraktning på en transient måte. Dessuten, siden en eller flere gasser adsorberes (tilsvarer å si at de fjernes fra gassfasen), endres gasshastigheten på tvers av enhetene. Dette, sammen med riktig skala av prosessen, krever bruk av momentumbalansen, som for enkelhets skyld normalt erstattes av enklere ligninger som Darcy eller Ergun. Regenerering kan gjøres i samme enhet eller i forskjellige enheter, noe som betyr at enten kolonnen eller adsorbenten utsettes for forskjellige sykliske grensebetingelser.

Siden kompleksitetsnivået og modenhetsgraden til de forskjellige adsorpsjonsprosessene ikke er lik, er den første oppgaven å bruke et felles matematisk rammeverk for å beskrive alle valgte adsorpsjonsprosesser som skal studeres. En slik modell vil garantert ha forskjellige grensebetingelser samt masse- og varmeoverføringsbetingelser. Dessuten kan pakkingen av enhetene være forskjellig, og dermed bør forholdet mellom hastighet og trykk tilpasses.

Mål
Den generiske modellen ble brukt for følgende temperatursvingningadsorpsjonsprosesser (TSA)
1. TSA-prosesser med fast sjikt med pellets (TSA), hule fibre (HFTSA) og monolitter (MTSA)
2. Temperatursvingningadsorpsjon med bevegelig sjikt (MBTSA);
3. Temperatursvingningadsorpsjon med roterende sjikt (RBTSA);
4. Reaktorklynge med sving (SARC);
5. TSA-prosess med fluidsjikt (FBTSA)

Det matematiske rammeverket skal gjengi forhåndsdefinerte nøkkelindikatorer (KPI-er) som vil koble de ulike prosessene til CAPEX og OPEX og til slutt inkludere andre miljøparametere.
TSA-prosessene ble koblet til en direkte kontaktkjøler oppstrøms og en kryogen renseenhet
Det overordnede opplegget ble optimalisert ved hjelp av Bayesiansk optimaliseringsmetodikk. Målet var å minimere den nivåstyrte kostnaden for elektrisitet (LCOE). Ved den laveste nivåstyrte kostnaden ble indikatorer som energistraff, CO₂-unngåelseskostnader og kapital- og driftskostnader studert.

Følgende sorbenter ble studert: Zeolitt 13X, CALF-20, Silica EB-PEI fra KRICT og diamin-tilsatt metallorganisk rammeverk.

Aktiviteter
Følgende aktiviteter ble utført i dette prosjektet
1. Prosessmodellering og optimalisering av TSA-prosessene
2. Teknoøkonomisk vurdering (TEA) for å beregne den nivåiserte kostnaden for elektrisitet (LCOE)
3. Syntese og karakterisering av nye sorbenter for prosessmodelleringsstudie.
4. Evaluering av potensialet til avanserte sorbenter for å senke kostnadene for CO₂-fangst
5. Evaluering av tekniske og økonomiske usikkerheter.

Resultater
Gjennom en grundig prosess ble det sett at de fundamentalt mest attraktive prosesskonfigurasjonene som benytter sorbentsirkulasjon og indirekte varmeoverføring for å minimere energiforbruket, dvs. MBTSA, FBTSA og CSAR, gir de laveste kostnadene. RBTSA-prosessen viste betydelig lovende resultater på grunn av mangelen på ventiler og det faktum at et enkelt roterende sjikt kan gjennomgå flere trinn. Konfigurasjoner med fast sjikt (HFTSA) lider av lave varmeoverføringskoeffisienter og behovet for å varme opp og kjøle ned varmevekslingsflater og monolittiske støttestrukturer sammen med det aktive sorbentet under hver temperatursvingning. MTSA og RBTSA overvinner begrensningen i varmeoverføring ved å bruke direkte dampoppvarming, men mengden damp som kreves for å utføre oppvarmingen, i stor grad ved bruk av følbar varme i stedet for latent varme, påfører fundamentalt en svært høy energiforbruk. Bevegelige og fluidiserte sjiktkonsepter oppnår derimot gode varmeoverføringskoeffisienter for å muliggjøre effektiv indirekte oppvarming med den latente varmen i dampen som utvinnes fra kraftverket. I tillegg trenger de bare å varme opp og kjøle ned sorbenten som overføres mellom de to reaktorene og implementere rekuperativ varmeveksling for ytterligere å minimere den involverte følbare varmeforbruket.
Hovedkonklusjonen fra dette arbeidet er at det finnes betydelig rom for kostnadsreduksjoner fra videre sorbentutvikling. Reduksjon av sorbentkostnader og økning av kinetikk og adsorpsjonskapasitet hadde størst innvirkning. Å unngå H2O- og N2-konkurranse og øke temperaturfølsomheten til sorbenten hadde størst innvirkning. Slike fremskritt har potensial til å redusere CO₂-unngåelseskostnadene med rundt 40 €/tonn i ettermonteringsscenarioet for NGCC-kraftverket som ble studert i DCC3-prosjektet.

Usikkerhetene knyttet til økonomiske forutsetninger er mye mer innflytelsesrike på de økonomiske hovedindikatorene enn usikkerhetene knyttet til modelleringen som er brukt. Statistisk sett er 90 %-konfidensintervallet for de tekniske usikkerhetene 3 ganger mindre enn for de økonomiske usikkerhetene. Dette er et positivt funn som illustrerer at 1D-modellen som ble brukt til å generere resultatene er rimelig robust og pålitelig.

Videre arbeid
Temperatursvingende prosesser er avgjørende for effektiv CO₂-fangst fra fortynnede røykgassstrømmer, som for eksempel NGCC-kraftverket. Sorbentene som ble valgt for dette arbeidet har sine egne fordeler. Det er mye rom for ytterligere forbedring i forhold til disse førstegenerasjons sorbentene. Disse potensielle gevinstene ble kvantifisert, og viste hvordan kostnadene for CO₂-unngåelse kan reduseres med 30–40 €/tonn gjennom utvikling av avanserte sorbenter. Dette er et stort kostnadsreduserende tiltak som fortjener ytterligere FoU-innsats, og slike gevinster bør tas i betraktning når man vurderer den langsiktige fremtiden for sorbentbasert CO₂-fangst.

DCC3-prosjektet evaluerte også CO₂-fangstprosessen ved hjelp av alternativet for resirkulering av eksosgass. For EGR er CO₂-konsentrasjonen rundt 8 %. Alle de nevnte prosessene oppnådde betydelig bedre ytelse på grunn av den økte CO₂-konsentrasjonen samt den lavere mengden røykgass.
Sorpsjonsteknologier er mer effektive når CO₂-konsentrasjonen er større enn 20 %. Det anbefales derfor å kombinere forskjellige prosesser som sorpsjon og membraner for å forbedre prosessytelsen. Fordelene med en hybridprosess er at den kombinerer fordelene fra to teknologier, og dermed potensielt reduserer fotavtrykket og energiforbruket.

Publikasjoner
1. Krishnamurthy, Shreenath; Cloete, Schalk; Mondino, Giorgia; Watson, Francesca; Klemetsdal, Øystein; Popescu, Elena-Roxana; Morud, John; Llewellyn, Philip; Pugnet, Veronique; Blom, Richard; Marrying Commercial Sorbents to the Optimum Temperature Swing Adsorption (TSA) Cycles Through Process Simulations and Techno-Economic Assessment, Proceedings of the 17th Greenhouse Gas Control Technologies. https://dx.doi.org/10.2139/ssrn.5032875
2. Krishnamurthy, Shreenath; Cloete, Schalk; Pugnet, Veronique; Simulation and Optimization of a Rotary Temperature Swing Adsorption (RTSA) Process for CO₂ Capture Industrial & Engineering Chemistry Research 64 24 12131-12144 2025 American Chemical Society https://doi.org/10.1021/acs.iecr.4c04957
3. Krishnamurthy S., Blom,R., Mondino, G., Cloete, S., Morud, J., Zaabout, A., Llewelyn, P., Pereira, C., Pugnet, V., Simulation and optimization of fixed bed and moving bed TSA processes for post-combustion CO₂ capture., Computer Aided Chemical Engineering,Elsevier,Volume 52,2023, 313-318. https://doi.org/10.1016/B978-0-443-15274-0.50050-0 .
4. Cloete, S., Krishnamuirthy, S and Mondino, G., Grande, C. A. Morud, J., Zaabout, A., Blom, R., Pugnet, V. and Llewellyn, P. Performance of Lewatit adsorbent at dry conditions in various contactor/regeneration environments in a NGCC context; a comparative study (November 25, 2022). Proceedings of the 16th Greenhouse Gas Control Technologies Conference (GHGT-16) 23-24 Oct 2022, http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4285980
5. https://climit.no/en/news/carbon-management-project-aims-to-transform-co%E2%82%82-adsorption-technology/

Teknologimodenhet (TRL)
N/A

Immaterielle rettigheter (IP)
Prossessmodellering og optimisering koder utviklet