De meest energiezuinige manier om CO2 te capteren
Chemische warmtetransformator van Qpinch verlaagt de energie-intensiteit van CCS met 30%
Het afvangen van CO2 uit industriële emissies en het opslaan ervan in de Noordzee (carbon capture & storage of CCS) biedt toekomstkansen voor de Nederlandse en Vlaamse energie-intensieve industrie. Een belangrijke barrière voor het massaal afvangen van het broeikasgas is de energie-intensiteit van het CCS-proces zelf. De meest efficiënte technologieën die reeds op grote schaal beschikbaar zijn, consumeren 2.4 GJ per ton CO2 die wordt afgevangen. Wanneer aan het CCS-proces een Qpinch warmtetransformator wordt toegevoegd, verlaagt dit kengetal met 0.5 GJ/ton CO2.
CO2-captatie
In navolging van het Parijs-akkoord van 2015, de daaropvolgende Nederlandse Klimaatwet en de verhoogde maatschappelijke druk rond klimaattransitie, hebben de meeste bedrijven uit de chemische, staal- en olie-industrie beloofd om tegen 2050 klimaatneutraal te zijn [1].
In vele Nederlandse en Belgische vestigingen heeft zich dat tot nu toe vertaald in sitespecifieke roadmaps waarin haalbare projecten zijn uitgezet t.o.v. hun potentieel in uitstootreductie. CCS is een methode om relatief snel een significante uitstootreductie te realiseren.
Gezien de benodigde schaal en expertise, is samenwerking tussen uiteenlopende stakeholders van cruciaal belang. Voorbeelden van zo’n overkoepelende, en zelfs internationale, samenwerkingen zijn Porthos in Rotterdam [2] en Antwerp@C in België [3].
CCS bestaat immers uit een hele keten aan deelstappen die op elkaar afgestemd dienen te worden ontwikkeld, van het letterlijk afvangen en opzuiveren van CO2 uit puntbronnen (vb. bij het maken van waterstof uit aardgas) tot het voorbereiden van de moleculen voor transport, het effectieve transport en vervolgens de opslag in lege olie- of gasvelden in de Noordzee. In dit artikel wordt dieper ingegaan op de eerste stap, namelijk het afvangen en opzuiveren van CO2 uit een gasstroom.
CO2 kan gescheiden worden van andere gasvormige molecules via verscheidene methoden, zoals cryogene scheiding, adsorptie, membraantechnologie of absorptie.
Niet alle methoden zijn reeds beschikbaar als commercieel volwassen technologieën. Verder zorgt de partieeldruk van CO2 in en de samenstelling van de gasstroom voor een bepaalde voorkeursmethode. Om die redenen zal bij het afvangen van CO2 uit rookgas (post combustion carbon capture), de voorkeur worden gegeven aan absorptietechnologieën [4]. Een generisch processchema van een CO2-absorptie unit kan teruggevonden worden op Figuur 1.
De laatste jaren zijn verschillende technologiebedrijven op de proppen gekomen met gepatenteerde solventen die in een gelijkaardig proces als Figuur 1 worden gebruikt, hierbij elkaar beconcurrerend in de energiekost per ton gecapteerde CO2 (Tabel 1).
Inderdaad, wanneer een molecule CO2 door een solvent wordt geabsorbeerd, moet deze vervolgens worden gedesorbeerd om te kunnen worden getransporteerd voor opslag. Het is deze desorptie die energie verbruikt in de vorm van lagedrukstoom, die in de desorbeer reboiler wordt gecondenseerd. Dit wordt op Figuur 1 aangeduid met de zwarte pijl (LP steam from grid).
Bij typische stoomdrukken tussen 1,5 en 6 bar betekent een energie-intensiteit van 2,4 GJ/ton CO2 zo veel als 1,1 ton stoomverbruik per ton afgevangen CO2. Dit komt overeen met 125 ton stoom per uur voor een absorptie-eenheid van 1 miljoen ton per jaar (een typische schaal voor elektriciteitscentrales, staalindustrie, etc.).
Ongetwijfeld is dit een significante hoeveelheid stoom. Deze stoomenergie wordt op andere plaatsen in het proces bij een lagere temperatuur aan de omgeving afgegeven. Met andere woorden, er is ook een significante hoeveelheid restwarmte, wat mogelijkheden biedt voor warmtepompen.
Niet alle warmtepompen komen echter in aanmerking om de totale energie-intensiteit te verlagen. Immers, bij een lage restwarmtetemperatuur of bij restwarmte met een glijdend warmteprofiel (vb. vloeistoffen of mengsels van condenserende dampen), zal de coefficient of performance (COP) zo laag worden dat er enorme hoeveelheden groene elektriciteit nodig zijn om aan de stoombehoefte tegemoet te komen.
Met name bij gas- of kolencentrales is dit een probleem, gezien zij in de toekomst enkel zullen aangeschakeld worden wanneer er onvoldoende elektriciteit is uit wind- of zonne-energie.
Een alternatieve warmtepomptechnologie met uitzonderlijk laag elektriciteitsverbruik is de chemische warmtetransformator. Dit is een type warmtepomp dat wordt aangedreven door de restwarmte an sich en dus een COP heeft die onafhankelijk is van de te realiseren temperatuursprong.
Deze absorptiewarmtepomp gebruikt de reversibele dimerisatie en hydrolyse van fosforzuur (PA) om restwarmte gedeeltelijk om te zetten naar stoom of proceswater op hogere temperatuur
Qpinch Warmtetransformator
Adenosinetrifosfaat (ATP) en het afgeleide adenosinedifosfaat (ADP) zijn de biomoleculen die energie transporteren op cellulair niveau (Figuur 2). Of het nu olifantcellen zijn of bacteriecellen, het ATP/ADP-duo fungeert als werkpaard.
Bij een overschot aan energie zal fosfaat binden aan ADP om ATP te vormen en zo energie stockeren in een covalente chemische binding, terwijl bij energienood, de laatste fosfaatgroep zal afsplitsen om energie vrij te geven. ATP en ADP zijn gemakkelijk te transporteren in de celvloeistoffen en kunnen zo eenvoudig energie opslaan en afgeven.
De gepatenteerde technologie van Qpinch bootst deze natuurlijke cyclus na op industriële schaal en bij hoge temperaturen. De Qpinch warmtetransformator (QHT) is een absorptiewarmtepomp die de reversibele dimerisatie en hydrolyse van fosforzuur (PA) gebruikt om restwarmte gedeeltelijk om te zetten naar stoom of proceswater op hogere temperatuur (Figuur 3).
Voorbeelden van industriële restwarmte die de QHT kunnen aandrijven zijn condenserende dampen van distillatiekolommen, af te koelen vloeistoffen of overtollig stoom op lage druk.
In vele gevallen is, in een situatie zonder Qpinch, het kwijtraken van dergelijke warmte een kost voor de producent, denk maar aan de vele luchtkoelers en koeltorens in de procesindustrie. Met Qpinch is deze restwarmte niet langer een kost, maar wordt deze omgezet naar waardevol stoom waardoor de producent minder brandstof dient te verbruiken voor stoomgeneratie.
Een QHT-eenheid bestaat uit twee warmtewisselaars in een gesloten systeem van fosforzuur (Figuur 4). In de koude reactor wordt de restwarmte aan een kant gekoeld, waarna de warmte wordt overgedragen aan het PA dat hierdoor een dimerisatiereactie ondergaat (Figuur 3).
Het gedimeriseerde zuur blijft echter in de vloeistoffase en kan eenvoudig worden verpompt naar de warme reactor, waar de reversibele reactie plaatsvindt die warmte afgeeft aan, bijvoorbeeld, ketelwater om stoom te genereren. Het blauwe pad (Figuur 4) toont van links naar rechts de waterdamp die, afkomstig uit de fosforzuurreactie, wordt gecondenseerd, verpompt en vervolgens opnieuw verdampt en aangeboden aan het PA in de warme reactor om de massa- en warmtebalans te doen kloppen.
Figuur 5 toont het temperatuurgebied waarin de koude en warme reactor kunnen opereren. Als vuistregel kan worden gesteld dat restwarmte gekoeld tot 80 °C gebruikt kan worden om stoom op 1 bar overdruk te realiseren, terwijl met warmte op 120 °C, stoom tot 210 °C kan worden gegenereerd. Omdat er geen elektriciteit wordt gebruikt om het proces vanuit thermodynamisch standpunt aan te drijven, zijn over het hele temperatuurbereik COP-waarden tussen 25 en 40 van toepassing.
Om dergelijk laag elektriciteitsverbruik te garanderen, kan, vanuit natuurkundig standpunt, niet alle restwarmte worden omgezet naar hoge temperatuur. Bij een QHT ligt die omzettingsgraad tussen 40 % en 50 %, afhankelijk van de projectspecificaties. De overtollige restwarmte wordt gekoeld tot omgevingstemperatuur om het proces aan te drijven.
Toegepast op een CO2-absorptie-eenheid doet deze omzettingsgraad niets af aan de aantrekkelijkheid, want zonder Qpinch zou alle restwarmte via conventionele koeling verloren gaan. Met Qpinch wordt echter tot 50 % van de warmte boven 80 °C omgezet naar quasi gratis en CO2-neutraal stoom voor de desorber reboiler.
Wanneer de Qpinch warmtetransformator van op de tekentafel wordt meegenomen, resulteert dit in een kleinere CO2-absorptie eenheid, met een kleinere investerings- en werkingskost
Carbon Capture incl. Qpinch
Afhankelijk van de CO2-absorptietechnologie wordt de restwarmte vrijgegeven tussen 50°C en 125°C, waarbij een groot gedeelte boven 80°C vrijkomt. Figuur 1 geeft de drie meest belangrijke bronnen van warmte weer, dit zijn de direct contact cooler (DCC), de desorber overhead condenser en de lean solvent cooler.
De gasstroom, die CO2-deeltjes bevat, dient zo koud mogelijk aan de absorberkolom te worden aangeboden. De Qpinch-technologie kan het rookgas al voorkoelen voor de DCC en zo de belasting op het koelwaternet significant verminderen.
Bovenaan de desorber wordt een mengsel van waterdamp, CO2 en sporenelementen vrijgegeven. Om enkel het CO2 over te houden richting compressie, wordt het water uit het mengsel gecondenseerd. Door een variërende partieeldruk van water doorheen de condenser, is dit een ideale restwarmtebron om aan een QHT aan te bieden.
In sommige carbon capture technologieën, is het lean solvent nog erg heet vooraleer het naar de absorber gaat. In dergelijke gevallen is een koeler noodzakelijk, maar de warmte boven 80 °C kan even goed aan een QHT worden gevoed die het dan omzet in CO2-neutrale en quasi gratis stoom voor de reboiler.
Qua praktische uitvoering, worden de drie bovenstaande bronnen eenvoudig gecombineerd in één centrale QHT, die dan tot 30 % van het stoomverbruik van de reboiler kan reduceren (Figuur 6).
Het verhaal is anders wanneer de carbon capture-eenheid is gesitueerd in een industrieel complex waar nog andere restwarmte van hoger dan 80 °C beschikbaar is, zoals bijvoorbeeld in de petrochemische sites van Rotterdam, Antwerpen, Geleen enz. Op deze plaatsen kunnen ook andere bronnen van restwarmte worden opgepompt tot CO2-neutraal stoom met de laagste variabele kosten en op deze manier de operationele kosten van de CO2-captatie-eenheid tot een absoluut minimum reduceren.
Daar waar geen bijkomende externe restwarmte of overschot aan elektriciteit beschikbaar is, zoals bijvoorbeeld in gas- of kolengestookte energiecentrales, heeft de toepassing van de Qpinch warmtetransformator in een CCS-unit het bijkomende voordeel van CAPEX-reductie voor het totale project. Immers, indien het stoom voor de reboiler dient geleverd te worden door bijkomende verbranding van aardgas of kolen, dient ook deze bijkomende CO2 te worden afgevangen.
Het afvangen van deze parasitaire lading CO2 zorgt voor een CCS-unit die 20 % (aardgas) tot 35 % (kool) groter ontworpen is dan om louter de CO2 uit elektriciteitsproductie op te vangen. Wanneer de Qpinch warmtetransformator van op de tekentafel wordt meegenomen, resulteert dit in een kleinere CO2-absorptie eenheid, met een kleinere investerings- en werkingskost.
Referenties
[1] Westervelt, R. (2022). Race to Zero. In S&P Global (Ed.), Chemical Week, issue 184, n° 9, April 18th, 2022.
[2] Porthos CO2 Transport and Storage C.V. (2023). CO2-reductie door opslag onder de Noordzee. https://www.porthosco2.nl (geraadpleegd op 28 juni 2023).
[3] Port of Antwerp-Bruges (2023). Antwerp@C. https://www.portofantwerpbruges.com/onze-haven/klimaat-en-energietransitie/antwerpc (geraadpleegd op 28 juni 2023).
[4] Kearns, D., Liu, H., & Consoli, C. (2021). Technology readiness and costs of CCS. Global CCS institute
[5] Bhadola, A., Patel, V., Potdar, S., & Mallick, S. (2020). Technology Scouting - Carbon Capture: From Today’s to Novel Technologies. Concawe Group.
[6] Brickett L. (2015). DOE/NETL Carbon Capture Program - Carbon Dioxide Capture Handbook.
Alle figuren, tabellen en grafieken in dit artikel zijn eigendom van Qpinch BV en kunnen niet gebruikt, gekopieerd of verdeeld worden zonder uitdrukkelijk schriftelijke toelating van Qpinch BV zelf.
Qpinch Heat Transformer (QHT) is een merk van Qpinch BV.
