Verifikasjon og demonstrasjon av en avansert adsorpsjonsreaktor for kosteffektiv CO₂-fangst

Bakgrunn
Det vil være helt avgjørende å ettermontere eksisterende anlegg med CO₂-fangst for å nå målet om klimanøytralitet innen 2050 uten tidlig nedstenging av verdifulle industriinfrastruktur. Dette vil imidlertid fortsatt være kostbart, ettersom dagens CO₂-fangstteknologier krever store mengder energi. Det fører til komplekse og dyre ombygginger for å hente ut varme fra prosessene, eller til ekstra investerings- og driftskostnader for å produsere varme når den ikke er tilgjengelig i tilstrekkelig grad.

For å løse denne utfordringen har SINTEF Industri utviklet konseptet Continuous Swing Adsorption Reactor (CSAR). CSAR benytter en effektiv kombinasjon av varme- og vakuumpumper for å oppnå svært energieffektiv CO₂-fangst med kun elektrisitet som energikilde. Dette forenkler ettermontering betraktelig, siden det ikke er behov for varme. Tekno-økonomiske vurderinger har vist at teknologien har stort potensial for industrielle prosesser med begrenset tilgang på spillvarme, som for eksempel sementfabrikker, eller der varme er et verdifullt produkt, som i fjernvarme- og kraftanlegg. Den tekniske gjennomførbarheten av teknologien gjenstod imidlertid å demonstreres.

Mål
Hovedmålet med prosjektet var å demonstrere den tekniske gjennomførbarheten av CSAR-konseptet i pilotskala. Den største tekniske utfordringen var å sikre en pålitelig sirkulasjon av adsorbentpulveret mellom to fluid bed reaktorer som opererer ved ulike trykk. For å løse dette ble det utviklet et system med «lock hoppere» og ventiler, men denne løsningen måtte fortsatt valideres eksperimentelt. En annen nyvinning som skulle demonstreres, var desorpsjonen av CO₂ fra sorbenten ved hjelp av en kombinasjon av varme- og vakuumpumper – en løsning som bygger på velkjent teknologi, men som her brukes på en ny og integrert måte.

Etter en vellykket demonstrasjon av konseptet var det neste målet å forberede teknologien for videre oppskalering og kommersialisering.

Aktiviteter
For å nå prosjektmålene ble følgende aktiviteter gjennomført:

• En CSAR-pilot for fangst av 100 kg CO₂ per dag ble designet, bygget og satt i drift.
• Driften av CSAR-piloten ble optimalisert i laboratoriemiljø med kunstig røykgass.
• CSAR-piloten ble demonstrert for CO₂-fangst fra reell røykgass fra et avfallsforbrenningsanlegg.
• Det ble utviklet både «Computational Fluid Dynamics» (CFD) og 1D fenomenologiske modeller for å bidra til optimalisering av design, oppskalering og økonomiske vurderinger.
• Et detaljert design ble utarbeidet for et demonstrasjonsanlegg med kapasitet på 3 tonn CO₂ per dag. I tillegg ble de tekno-økonomiske vurderingene for CO₂-fangst fra et avfallsforbrenningsanlegg oppdatert, og en markedsundersøkelse ble gjennomført for å vurdere de kommersielle mulighetene for teknologien.

Resultater
De viktigste funksjonsprinsippene for CSAR-teknologien ble demonstrert med suksess i pilotanlegget. Resultatene viste at en pålitelig sirkulasjon av partikkelmaterialet er mulig, og at CO₂-fangst kan oppnås ved kun å bruke elektrisitet til varme- og vakuumpumpene. Optimalisering av pilotdriften avdekket imidlertid enkelte designfaktorer som begrenset ytelsen til 50 kg CO₂ per dag, med en fangsteffektivitet på rundt 85 % og en renhet på cirka 60 %. Årsakene til disse begrensningene er godt forstått, og løsninger ble foreslått for implementering i et oppfølgingsprosjekt.

Pilotanlegget ble deretter flyttet til BIRs avfallsforbrenningsanlegg i Bergen, der en TRL6-demonstrasjon ble gjennomført med 100 timers drift. Resultatene var sammenlignbare med dem som ble oppnådd med kunstig røykgass, og ingen statistisk signifikant degradering av sorbenten ble observert i løpet av testkampanjen. Den tekno-økonomiske vurderingen av CSAR-teknologiens anvendelse for CO₂-fangst ved avfallsforbrenningsanlegg ble deretter oppdatert, og resultatene viser at teknologien fortsatt er konkurransedyktig – selv dersom dagens ytelsesbegrensninger ikke blir løst.

Videre arbeid
Ytelsesbegrensningene som ble identifisert i pilotanlegget blir nå håndtert i det pågående EU-prosjektet CAPTUS, som har som mål å oppnå CO₂-fangst på 100 kg per dag med fangsteffektivitet og renhet over 90 %. Pilotanlegget skal deretter flyttes til Spania i 2026 for en 1 000 timers demonstrasjon av CO₂-fangst fra et sementanlegg.

Parallelt samarbeider SINTEF med Caox AS, et norsk teknologiselskap som eier den globale kommersielle lisensen til CSAR-teknologien, om videre oppskalering. Målet er å søke finansiering i 2026 for å gjennomføre en demonstrasjon i størrelsesorden 3–5 tonn CO₂ per dag, basert på det detaljerte designet som ble utarbeidet i prosjektet.

Publikasjoner
(1) Cloete, J. H.; Geurts, R.; Cloete, S.; Tang, Y.; Zaabout, A. Developing a Novel Approach for Modelling Particle-Wall Heat Transfer in Fluidized Bed Reactors for CO₂ Capture. 24th Fluidized Bed Conversion conference; Gothenburg, Sweden, 2022. bit.ly/3aaO4t7
(2) Cloete, S.; Dhoke, C.; Bonalumi, D.; Morud, J.; Giuffrida, A.; Romano, M. C.; Zaabout, A. Prospects of the Novel CSAR Concept for Fully Electric or Flexible Electric–Thermal Hybrid CO₂ Capture from CHP Plants. Energy & Fuels, 2023, 37 (16), 12030–12044. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.3c00885.
(3) Cloete, S.; Giuffrida, A.; Romano, M. C.; Zaabout, A. Heat Pump-Driven Adsorption CO₂ Capture for Simple and Cost-Effective Retrofits of Coal Power Plants. Applied Thermal Engineering, 2024, 236, 121456. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.121456.
(4) Cloete, J. H. Design, Development and Demonstration of a Pilot Continuous Swing Adsorption Reactor (CSAR) for Electrified, Post-Combustion CO₂ Capture. 13th Trondheim CCS Conference (TCCS-13); Trondheim, Norway, 2025. 10.13140/RG.2.2.18659.67365.