Mulighetsstudie for et leverandørnøytralt basiskonsept for CCS, og metodikk for røykgasskarakteristikk for heterogen røykgass hos Kvitebjørn Varme

Bakgrunn
Kvitebjørn Varme ønsker å fange ca. 100 000 tonn CO₂ fra avfallsforbrenningsanlegget sitt i Tromsø og sende det til permanent lagring. Forutsetningene for CCS hos KVAS skiller seg vesentlig fra lignende prosjekter ved å;
• være av liten skala, men plassert langt unna både andre punktkilder og permanente lager for CO₂
• ha sjøtilgang og muligheten til å etablere egen utskipningsterminal for CO₂
• ha beliggenhet i Arktis, noe som gir flere vær- og klimarelaterte utfordringer
• mangle damptilgang

Det er derfor behov for å gjøre et mulighetsstudie for CCS hos KVAS med utgangspunkt i disse stedsspesifikke betingelsene.

Røykgassen til KVAS kommer fra avfallsforbrenning fra 3 forbrenningslinjer. Røykgassens kvalitet og innhold varierer altså basert på avfallsinnholdet, og om det er stans på en eller flere forbrenningslinjer. Det finnes ingen etablert standard for å karakterisere heterogen røykgass fra avfallsforbrenning med tanke på CO₂-fangstformål. Flere av partiklene som er relevante for CO₂-fangst måles heller ikke i det obligatoriske målesystemet for avfallsforbrenning. Hvordan teknologileverandører tolker røykgasskarakteristikken kan også ha betydning for dimensjonering og design av fangstanlegget og forbehandlingstrinn for røykgassen.

Mål
Målet med studiet har vært å etablere et teknoøkonomisk basiskonsept for CCS hos Kvitebjørn Varme med CESAR1-aminteknologi og å utvikle en metodikk for røykgasskarakteristikk for heterogen røykgass fra avfallsforbrenning.

Det teknoøkonomiske studiet av et basiskonsept for CCS hos KVAS legger et godt grunnlag for:
• Teknologi- og konseptvalg
• Vurdere nødvendige sikkerhetstiltak og tillatelser
• Å vurdere påvirkning på energisystemet, røykgass, utslipp til luft og vann
• CAPEX og OPEX-estimater
• Å gi et sammenligningsgrunnlag til alternative løsninger for f.eks fangstteknologi og transport

Målet med å etablere en metodikk for røykgasskarakteristikk for heterogen røykgass er å;
• redusere risiko for feildimensjonering og design av CO₂-fangstanlegget
• redusere grensesnittrisikoen mellom forbrenningsanlegg, fangstanlegg og transport/lageraktør med tanke på utslipp, CO₂-renhet og fangstvolum.

Aktiviteter
Leveranse 1: Røykgassanalyser og metodikk for karakterisering av heterogen røykgass
Røykgassen har gjennomgått en standard analyse av halvtimesmiddel hvor røykgasskvaliteten og datagrunnlag har blitt vurdert opp mot forventinger fra teknologileverandører. Røykgassen har også blitt studert på minuttsoppløsning for å vurdere målekvaliteten, variasjon under normal drift og under de vanligste driftsforstyrrelsene. Resultatene er beskrevet i en egen rapport.

Leveranse 2: Teknologi- og energikonsept + integrasjon
Det tekniske prosesstrinnene i basiskonseptet er utredet og simulert i Promax og Thermoflex for å få oversikt over energibehov, energigjenvinningspotensial, kjølebehov, kjemikaliebruk og avfallsprodukter fra fangstprosessen slik at CAPEX, OPEX, og areal- og høydebehov kan estimeres. Denne leveransen har samhandlet med et eget energistudie som ble gjennomført i parallell. Energistudiet har vurdert hvordan energiintegrasjons- og energigjenvinningsløsninger samhandler med fjernvarmesystemet. På bakgrunn av denne helhetlige vurderingen av energieffektivitet har et energikonsept blitt valgt. Leveransen gir grunnlaget for å sammenligne ulike tekniske konsepter og er bevisstgjørende angående hva som trengs innen BoP for prosjektet. Resultatene er oppsummert i en egen rapport.

Leveranse 3: Teknoøkonomisk utredning av CO₂-fangst hos KVAS
Denne leveransen setter sammen hele basiskonseptet, fra røykgass til transport til permanent lager for å estimere CAPEX, OPEX og etablere en fysisk layout av hele konseptet til og med havneanlegg for utskipning av CO₂. Transportkostnadene for direkte utskipning av CO₂ fra KVAS til permanent lager har blitt estimert med utgangspunkt i ulike seiledistanser og skipsstørrelser. Basiskonseptet sammenlignes med et alternativkonsept som er rimeligere i CAPEX og OPEX på grunn av mer optimalisert skipstørrelse og seiledistanse og enklere integrasjon til forbrenningsanlegget. Leveransen inkluderer analyser av CO₂-lekkasjerisiko og utslipp til luft. HAZID- og prosjektrisiko er kartlagt og tiltak for å redusere risikoene er foreslått. Resultatene er oppsummert i en egen rapport.

Leveranse 4: Oppdatert Design basis
Studien videreutviklet et Design basis basert på det mest kostnadseffektive konseptet i henhold til prosjektets nåværende modenhet. Dette er et levende dokument som vil oppdateres med blant annet den fullstendige røykgasskarakteristikken basert metodikken fra leveranse 1, samt utslippsgrenser til luft og vann osv.

Resultater
Røykgasskvalitet og metodikk for røykgasskarakteristikk
Det er utviklet et metodikk for røykgasskarakteristikk og et måleprogram som skal supplere CEMS og obligatoriske tredjepartsmålinger slik at røykgassens innhold og variasjon skal kunne beskrives så presist og oversiktlig som mulig. Metodikken har etablert kriterier for å filtrere ut verdier på minuttsoppløsning som kan gi et uriktig bilde av røykgassens innhold under normal drift som følge av autokalibreringer i systemet og at usynkroniseringer mellom måling av ulike komponenter og normaliseringsparametere kan gi utslag på minuttsoppløsning etter en driftsforstyrrelse. Filtreringen gjør at 1% og 99% persentilene endrer seg for de fleste variablene som benyttes for design- og dimensjonering av anlegget. Røykgassens innhold og dynamikk under de vanligste driftsforstyrrelsene er også kartlagt. Ut ifra dette har vi identifisert et sett med signaler fra systemet som kan brukes for å aktivere bypass av røykgassen. Bruk av disse signalene gjør at bypass bare vil aktiveres når det er sannsynlig at røykgassen vil bli vesentlig forstyrret over en lengre periode. Dette hindrer at tilførselen til fangstanlegget brytes ofte, men gjør samtidig at fangstanlegget skånes for lange perioder med unormal røykgass som kan bidra til korrosjon og solventdegradering.

Det skal ikke være nødvendig å innføre kontinuerlige målinger av flere komponenter enn det som allerede måles gjennom CEMS. Andre parametere som er relevante for design av CO₂-fangstanlegget kan måles gjennom å utvide omfanget av de obligatoriske tredjepartsmålingene ved å inkludere målinger av flere komponenter i disse kampanjene. For å få et bedre bilde av variasjonen gjennom året, kan målekampanjene holdes oftere enn det obligatoriske tredjepartsmålingsprogrammet krever. Måleprogrammet oppgir hva som bør måles, hvilken metode som bør brukes, måleperiode, målefrekvens og ikke minst hvor viktig hver komponent er å måle i forbindelse med planlegging av CO₂-fangst.

Det mest problematiske med røykgassen slik den er i dag, er et høyt NOx-nivå. Anlegget benytter i dag SNCR til rensing, men det anbefales å redusere NOx ytterligere oppstrøms fangstanlegget. Dette vil gi bedre solventhygiene og bidra til renere CO₂, i tillegg til at det blir lettere å oppnå luftkvalitetskrav. Fangstprosessen fjerner både CO₂ og vann fra røykgassen og senker temperaturen før utslipp. Hvis ikke NOx reduseres for å kompenseres for disse endringene, kan det bli vanskelig å oppnå luftkvalitetsgrenser for NO2. Dette skyldes hovedsakelig at bakgrunnskonsentrasjonen av NO2 fra trafikk ligger nært grenseverdiene, og delvis fordi området preges av en forholdsvis bratt topografi, noe som kan begrense spredningen mot vest.

Teknologi og energikonsept
Fangstanlegget trenger i utgangspunktet rundt 120 GWh varme og strøm, og rundt 170 GWh med kjøling (aminbasert). Gjennom god energiintegrasjon i til avfallsforbrenning og fjernvarme kan strøm- og varmebehovet reduseres med 90 GWh, og kjølebehovet reduseres tilsvarende.
OPEX for fangstanlegget er estimert på bakgrunn av energibehov, kjemikalieforbruk, avfallsbehandling og vedlikehold/bemanning.

Teknoøkonomisk mulighetsstudie
Den største usikkerheten i prosjektet er OPEX knyttet til transport og lagring av CO₂. Resultatene viser at det viktigste for å holde transportkostnadene nede er å ha optimaliserte skip som henter CO₂ ofte. Det reduserer behovet for mellomlagringskapasitet, som er en stor kostnadsdriver.
Basiskonseptet kan redusere kostnadene med om lag 30 % på å optimalisere layout og skipstørrelse.
Lokasjonen gir prosjektet noen vær-relaterte risikoelementer som må håndteres. Lave temperaturer gir behov for varmeføring og god isolasjon i utstyr og rørføringer. Det er viktig at dette ikke resulterer i isdannelse på bakken rundt. Store snøfall over kort tid kan også hindre evakuering. Derfor anbefales utstrakt bruk av gatevarme. Det anbefales også kollisjonssikring for CO₂-skip og utstyr som kan treffes av kjøretøy. Disse kommer i tillegg til sikkerhetstiltak som gjelder alle CCS-prosjekter.

Videre arbeid
Mulighetsstudiet har etablert et basiskonsept for CCS hos KVAS og identifisert tiltak for å redusere risiko og kostnader i prosjektet. KVAS har fått tilsagn fra Climit til et oppfølgingsstudie som vil basere seg på resultatene fra basiskonseptet.
Videre arbeid som bygger på denne studien er:
• Måleprogrammet for røykgass vil gjennomføres i neste fase. Når datagrunnlaget er klart, vil det gjennomføres en røykgasskarakteristikk i henhold til metodikken fra denne studien. Karakteristikken skal legges inn i Design Basis.
• Utredning av hva som er beste metode for å redusere NOx oppstrøms fangstanlegget. Resultatet skal inkluderes i Design Basis. Dette reduserer risiko knyttet til CO₂-renhet, utslipp, vedlikehold, kjemikaliebruk og slitasje på anlegget.
• Videreutvikling av basiskonseptet for å redusere CAPEX og OPEX gjennom kostnadsbesparende tiltak.
• Videre utredning av BoP-elementer, utslippsgrenser og sikkerhetsreduserende tiltak som er identifisert i dette prosjektet. Dette inkluderes i Design basis med tydelige battery limits.
• Utredning av CDR-potensialet gjennom LCA-analyser av et videreutviklet basiskonsept.
• preFEED med teknologileverandør.

Publikasjoner
Resultatene vil ikke publiseres, men vi er positive til dele resultater på forespørsel.