CCS – Transport – Modellering av syredannelse fra reaktive urenheter

Bakgrunn
Reaktive urenheter i CO₂-strømmer representerer en kritisk og utilstrekkelig forstått utfordring for storskala implementering av karbonfangst og lagring (CCS). Sporstoffer som NO2, SO2 og H2S kan under visse betingelser reagere og danne svært korrosive syrer (f.eks. salpetersyre og svovelsyre), noe som truer integriteten til CCS-infrastruktur. Dagens spesifikasjoner for CO₂-renhet er svært konservative, men er ikke basert på en mekanistisk forståelse av syredannelse. Eksperimentelt arbeid, særlig utført av Institutt for Energiteknikk (IFE) i Norge, har vist at syredannelse kan skje raskt selv ved lave konsentrasjoner av urenheter, noe som understreker behovet for prediktive verktøy.

Mål
Målet med prosjektet har vært å utvikle et fysikkbasert, mekanistisk modelleringsrammeverk som kan forutsi når, hvor og under hvilke betingelser reaktive urenheter i CO₂-strømmer fører til syredannelse og utfelling i CCS-systemer. Dette skal legge til rette for mer pålitelig, kostnadseffektiv og sikker design og drift av CCS-infrastruktur.

Aktiviteter
Vi har hatt følgende aktiviteter i prosjektet:
• Utvikling av en dynamisk, mekanistisk modelleringsmotor for reaktive urenheter i CO₂-rike blandinger.
• Implementering av et omfattende reaksjonsnettverk som dekker gassfase, væskefase og overflatereaksjoner.
• Integrasjon av termodynamiske modeller for elektrolyttsystemer og utfelling av faste faser.
• Bruk av adsorpsjonsmodeller for reaksjoner på karbonståloverflater.
• Estimering av ukjent reaksjonskinetikk ved bruk av førsteprinsipps molekylære metoder.
• Systematisk validering av modellen mot 9 394 timer med eksperimentelle data fra IFE (29 uavhengige eksperimenter).
• Overføring av den validerte modellen til simuleringer på rørlednings og infrastrukturskala i en programvareplattform som kalles «TPCloud».

Resultater
Modelleringsrammeverket reproduserer eksperimentelle observasjoner ved høyere temperaturer med god nøyaktighet. Vi har oppnådd god overensstemmelse mellom modellprediksjoner og målte utløpskonsentrasjoner samt dynamisk oppførsel. En særlig viktig milepæl er evnen til å predikere syredannelse og tidspunktet for utfelling i eksperimenter gjennomført over 15 °C.

Vi har demonstrert at modellen fanger de dominerende fysiske og kjemiske mekanismene som styrer reaktive urenheter og utfelling av syre. Det er også utviklet en betaversjon av et ingeniørverktøy for simulering av reaktive CO₂-strømmer i rørledninger og annen CCS infrastruktur, som heter “acid analyzer”. Dette verktøyet gjør oss i stand til å identifisere kritiske punkter hvor syredannelse kan oppstå som følge av kjøling, blanding av strømmer eller endringer i strømningsforhold.

Videre arbeid
Følgende hovedområder må jobbes med videre:
• Redusere usikkerhet i reaksjonskinetikk, særlig ved lave temperaturer relevante for skipstransport og lagring.
• Gjennomføre målrettede eksperimentelle kampanjer og kvantekjemiske kinetikkberegninger for å tette kritiske datagap.
• Videreutvikle og forbedre modelleringsrammeverket for bruk i høypresisjons ingeniøranalyser.
• Overføre modellen fra forskningsverktøy til robuste beslutningsstøtteverktøy for design og drift av CCS-systemer.

Publikasjoner
Bloggartikkel om reaktive urenheter i CCS: https://thermophys.com/reactive-impurities-in-ccs/

Teknologimodenhet (TRL)
Prosjektet har utviklet seg fra en tidlig konseptuell modelleringstilnærming (TRL 2–3) til et validert modelleringsrammeverk demonstrert mot omfattende eksperimentelle data og implementert i et prototypisk programvareverktøy (TRL 4).

Dette representerer en betydelig økning i teknologisk modenhet, fra teoretisk utvikling til eksperimentelt validert og anvendelsesorientert modellering egnet for ingeniøranalyse.

Immaterielle rettigheter (IP)
ThermoPhys AS eier all IP utviklet i prosjektet.