Varför post-combustion koldioxidinfångning är en lovande lösning trots sina utmaningar

Under de senaste åren har post-combustion koldioxidinfångning (PCC) sett både framsteg och motgångar i kommersiella tillämpningar, vilket har lett till både höga kostnader och svårigheter i implementeringen. Ett av de mest ambitiösa projekten på detta område var Boundary Dam i Saskatchewan, Kanada. Här retrofittades en gammal enhet av Boundary Dam Power Station med en aminförfarandebaserad koldioxidinfångningsteknik (Shell CANSOLV), vilket var tänkt att fånga upp 90 % av koldioxiden från anläggningen. Projektet mötte dock flera problem, inte minst på grund av tekniska utmaningar och designproblem som ledde till att anläggningen endast fångade cirka 400 000 ton CO2 per år, långt under de förväntade 1 miljon ton.

En annan anmärkningsvärd händelse var Petra Nova-projektet i Texas, USA, som påbörjades med stora förhoppningar. Här byggdes ett av världens största koldioxidinfångningssystem för att fånga koldioxid från en kolkraftverks rökgaser. Trots att Petra Nova nådde vissa av sina mål, såsom att fånga 90 % av CO2-utsläppen, stötte projektet också på betydande tekniska problem och slutade operera i slutet av 2020. Det är denna typ av erfarenheter som målar en realistisk bild av de komplexa utmaningarna som finns i kommersiell implementering av koldioxidinfångningstekniker.

Trots dessa motgångar är det viktigt att förstå varför post-combustion koldioxidinfångning (PCC) fortsätter att vara en relevant teknologi. För det första är det en teknik som är direkt tillämplig på redan befintliga anläggningar, särskilt på de mest avancerade fossildrivna teknologierna, såsom gas-turbinkombinerade cyklar (GTCC). Dessa anläggningar har redan uppnått en bränsleverkningsgrad på över 60 % och släpper ut betydligt mindre CO2 än kolkraftverk utan infångning. Genom att tillämpa PCC på dessa anläggningar kan vi ytterligare minska utsläppen, vilket gör den till en lovande lösning för att minska växthusgaser från energiproduktion.

Det är också viktigt att förstå att kommersiella CCS-projekt inte bara handlar om att fånga CO2; de handlar också om att hitta sätt att lagra eller använda koldioxiden på ett ekonomiskt och miljömässigt hållbart sätt. Ett exempel på detta är Boundary Dam-projektet, där koldioxiden inte bara fångades utan också transporterades och användes för att öka oljeutvinningen i närliggande fält (EOR). Detta visar på potentialen för att skapa en ekonomi runt koldioxidinfångning, där CO2 kan användas som en resurs snarare än att bara lagras.

Det är också värt att notera att även om vissa projekt har misslyckats eller haft problem, fortsätter teknologin att utvecklas. Detta innebär att lösningar för att effektivisera processerna, minska kostnaderna och förbättra den ekonomiska hållbarheten fortfarande är möjliga. Forsknings- och utvecklingsinitiativ pågår för att förbättra aminförfaranden och andra koldioxidinfångningstekniker, vilket ger hopp om framtida framgångar.

För att tekniken ska kunna vara kommersiellt gångbar på en större skala, krävs det dock att flera faktorer beaktas: kostnader, effektivitet, infrastrukturella behov för transport och lagring, samt ekonomiska incitament. Det är också avgörande att vi ser på helheten – koldioxidinfångning kan inte stå ensam utan måste kombineras med andra lösningar, som förnybar energi, för att skapa en hållbar framtid för energi och klimat.

Hur kan vi uppnå en hållbar och koldioxidfri elproduktion?

Vi måste sluta ursäkta oss för att inte ta itu med problemet med människoskapad klimatförändring. Ett globalt samarbete mot de växande CO2-utsläppen är nödvändigt, och detta måste ske nu. Alla länder måste delta för att det ska bli en framgång. När det gäller elproduktion finns det fyra huvudsakliga alternativ för att generera elektricitet i stor skala. Dessa alternativ är fördelade på olika typer av energikällor, varav de flesta innebär olika nivåer av koldioxidutsläpp.

De fyra huvudalternativen för elektricitet generering är:

1. Fossila bränslen

   • Kol

   • Naturgas (NG)

   • Vätgas (om den produceras genom kolgaskifiering eller ångmetanreformering)

2. Förnybara energikällor

   • Vattenkraft

   • Vindkraft

   • Solkraft

   • Geotermisk energi

3. Kärnkraft

4. Vätgas (producerad genom elektrolys med förnybar eller kärnkraft)

Det är viktigt att förstå att elektricitet bara är en relativt liten del av de globala växthusgasutsläppen. I USA står elektricitet för mindre än 30% av de totala utsläppen, medan industri och transport står för nästan 50%. Detta betyder att även om elektrisk kraft är viktig, är det inte hela lösningen på klimatproblemet.

Vätgas är en speciell komponent i denna bild. Det är inte en naturligt förekommande energiresurs utan snarare ett "energi bärverktyg" (se kapitel 8), vilket innebär att den inte kan brytas eller utvinnas direkt. Vätgas kan endast produceras genom konsumtion av stora mängder energi. Om energin som används för att producera vätgas är grön, kan vätgas betraktas som ett koldioxidfritt bränsle, då dess förbränning endast producerar vatten (H2O). Vätgas kan också produceras kemiskt från fossila bränslen, men det innebär utsläpp av koldioxid, vilket gör den till en "blå" eller "grå" vätgas.

Vätgas har en viktig dubbelfunktion:

• Koldioxidfri förbränning i gasturbiner (de mest effektiva teknologierna för elproduktion).

• Energilagring (som ett alternativt bränsle, i fast, flytande eller gasform).

För att vara koldioxidfri kräver fossila bränslen att koldioxid fångas upp och antingen används (t.ex. för att öka oljeutvinning) eller lagras djupt i marken, vilket kallas CCUS (Carbon Capture, Utilization and Storage). Det finns två huvudsakliga sätt att fånga koldioxid:

1. Före förbränning (genom att rena bränslegasen, t.ex. genom att separera vätgas från syngas vid gasifiering).

2. Efter förbränning (genom att rena rökgaserna).

En jämförelse mellan kolkraftverk och naturgaseldade kombikraftverk visar att även det mest effektiva avancerade kolkraftverket inte kan matcha den CO2-prestanda som erbjuds av ett gammalt gasturbinkombikraftverk. Kol har egentligen endast en chans att spela en roll i en koldioxidfri energimix: genom CCUS. Den efterförbrända varianten är inte hållbar, eftersom moderna gaseldade kraftverk också kan utrustas med efterförbränning och samtidigt bibehålla högre effektivitet och lägre kostnader.

Målet är klart: en värld där energi produceras utan att skada klimatet, men vägen dit är inte enkel. Det finns hinder i form av teknologiska begränsningar, ekonomiska och politiska faktorer samt resursbrist. Det finns dock goda nyheter. De teknologiska byggstenarna för att uppnå detta mål finns redan till stor del på plats. Till exempel, den betydande teknologiska utvecklingen av sol- och vindkraft de senaste två decennierna, som gör det möjligt att driva elektricitet utan koldioxidutsläpp. Men intermittens (det vill säga problemen med att lagra energi när solen inte lyser eller vinden inte blåser) är en utmaning. Detta kan åtgärdas med energilagring.

För att verkligen uppnå målet om hållbar elproduktion behöver vi en "krigstidens mentalitet". Det handlar om att se klimatförändringen som ett hot mot hela civilisationen och agera med den samma beslutsamhet som när vi designar och producerar "vapen". För att uppnå målet om hållbar elproduktion måste vi prioritera hög tillgänglighet, hög tillförlitlighet och konstant innovation. De som tvekar eller försvarar status quo, kommer att hindra oss från att nå detta mål.

Hur Termo-Fluidsystem påverkar drift och optimering av kombinerade cykelanläggningar

Den termiska designen och prestandan hos kraftverk som använder en kombinerad cykelteknik, där både gasturbiner och ångturbiner används för att producera elektricitet, bygger på flera grundläggande fysikaliska principer. Dessa principer omfattar termodynamik, fluidmekanik och värmeöverföring, och deras tillämpning är avgörande för att förstå och optimera både den initiala designen och den efterföljande driftseffektiviteten hos dessa anläggningar.

När man designar och optimerar sådana komplexa system är det viktigt att beakta alla de tekniska aspekterna av varje komponent. Här fokuseras särskilt på turbomaskiner, värmeväxlare och flödeskontrollutrustning, inklusive rörledningar och ventiler. För att effektivt kunna hantera dessa system måste ingenjörerna förstå hur värme och energi förflyttas genom systemet, och detta sker genom att tillämpa termodynamikens första och andra lag.

En vanlig metod för att optimera ett kombinerat cykelsystem är att ta hänsyn till de energibehov som finns i värmeåtervinningssystemen, såsom HRSG (Heat Recovery Steam Generator), som återvinner spillvärme från gasturbinen för att producera ånga till ångturbinen. Effektiviteten hos detta system är direkt beroende av hur väl man kan hantera och styra energiflöden, vilket är en uppgift för termodynamik och värmeöverföring.

Designen av en gasturbin eller en ångturbin bygger på en förståelse för de temperaturer och tryck som systemet kommer att arbeta med. Exempelvis måste man noggrant beakta värmeväxlarens kapacitet att överföra energi från avgaser till ångsystemet. Det är i denna överföring av energi som storleken och effektiviteten hos hela kraftverket avgörs. Värmeåtervinningssystemet spelar här en central roll. I många fall är den största utmaningen att anpassa värmeväxlarens storlek och materialval till de specifika flödesförhållandena som varierar beroende på driftförhållanden och externa faktorer som omgivningstemperatur och luftfuktighet.

För att uppnå bästa möjliga prestanda under olika driftförhållanden är det avgörande att kunna genomföra både designberäkningar och off-designberäkningar. Designberäkningarna görs utifrån teoretiska modeller där fysikaliska principer appliceras för att skapa ett optimalt system. Off-designberäkningar, å andra sidan, beaktar mer realistiska driftförhållanden, där variationer i externa faktorer och systemkomponenternas prestanda måste tas hänsyn till. Dessa beräkningar innebär ofta iterativa lösningar av icke-linjära system av algebraiska ekvationer, vilket kan vara både tidskrävande och tekniskt utmanande. För att underlätta denna process används ofta korrigeringskurvor och simuleringar för att snabbt kunna uppskatta anläggningens prestanda under olika förhållanden.

Det är även viktigt att förstå att när man designar och optimerar kraftverkskomponenter såsom gasturbiner, ångturbiner och värmeväxlare, måste dessa vara balanserade mot varandra för att skapa ett effektivt och hållbart system. Varje komponent är beroende av de andra för att säkerställa att den totala effektiviteten hos anläggningen bibehålls. Detta innebär att varje beslut i designprocessen måste övervägas med hänsyn till alla de fysiska och ekonomiska begränsningar som kan påverka systemet på lång sikt.

Förutom de grundläggande tekniska aspekterna som behandlas ovan är det också viktigt att förstå de mekaniska påfrestningarna som uppstår under driften. Ett exempel på detta är termisk stress som uppstår i metallkomponenter vid uppstart av ångturbinen, där förändringar i temperatur kan orsaka deformation och sprickbildning om inte processen hanteras korrekt. Att noggrant kontrollera temperaturförändringar och säkerställa en jämn uppvärmning är avgörande för att förhindra långsiktiga skador på turbinens kropp och rotordelar.

Vidare, en förståelse för hur dessa tekniska system samverkar gör det möjligt att skapa mer kostnadseffektiva lösningar. Genom att optimera prestandan hos de olika delarna av systemet kan det totala energibehovet minskas, vilket leder till lägre driftkostnader och mindre miljöpåverkan. Detta är särskilt relevant i en tid när energieffektivitet och hållbarhet är viktiga faktorer för framtida kraftverksdesign.

Endtext

Hur påverkar CO2-utsläpp och ekonomiska överväganden i CAES-anläggningar?

Det har ofta påståtts att CAES bidrar till att minska CO2-utsläpp. Detta gäller dock endast om CAES-systemet möjliggör byggandet av fler förnybara energikällor än vad som skulle ha byggts utan teknologin. Denna påstådda fördel beror på de resurser som används för kompressionscykeln i CAES-enheten, samt på vilka resurser som ersätts av CAES-enhetens produktion i generatorläge. I områden där energi från kompressionen hämtas från kolkraftverk är CAES-teknologin mindre fördelaktig ur ett CO2-perspektiv. Däremot, om kompressionsenergin kommer från vindkraftsparker, skulle detta vara en optimal situation för CAES, där utsläppen blir betydligt lägre.

För att ytterligare minska CO2-utsläppen skulle CAES-system kunna dra nytta av förnybar energi för att driva kompressorerna, vilket skulle resultera i en betydande minskning av utsläppen under hela cykeln. Användningen av väte som bränsle i förbränningssystemet i CAES-enheter är också en lovande strategi för att minska specifika CO2-utsläpp. Väte kan produceras på plats med hjälp av överskottsenergi eller transporteras till anläggningen via pipeline. Emellertid skulle genomförandet av sådan teknik kräva noggrant övervägande av både investerings- och driftkostnader, och en noggrann planering av projektets genomförbarhet.

Den ekonomiska värderingen av CAES-system handlar mycket om möjligheterna för arbitrage, det vill säga att utnyttja skillnaderna mellan elpriser under toppbelastning och lågbelastning. Skillnaden mellan dessa priser är störst under vinter- och sommarmånaderna, medan den är lägre under vår och höst. CAES-enhetens värde beror på dess förmåga att lagra energi under låga elpriser och sedan sälja tillbaka den under högre priser. Den så kallade "intrinsic value" baseras på genomsnittliga timpriser, men den faktiska marknadsdynamiken gör att CAES-enheten också måste reagera på osäkerheten och volatiliteten i realtidspriser.

Den extrinsiska värdet, som representerar en resurs möjligheter att hantera framtida prisvolatilitet och efterfrågan, är en betydande komponent av CAES-enhetens ekonomiska fördelar. Detta värde är mycket högre än för vanliga alternativ som gas- eller ångturbiner, eftersom CAES kan reagera snabbt på marknadsbehov och tillhandahålla energi vid ett mer flexibelt sätt än konventionella alternativ.

Att utvärdera CAES-projekt kräver också en noggrann förberedelse av en detaljerad teknisk och ekonomisk plan, särskilt med tanke på den osäkerhet som omger framtida energipriser och efterfrågan. Genom att noggrant överväga både de tekniska och ekonomiska faktorerna kan det bli möjligt att genomföra framgångsrika CAES-projekt som både minskar CO2-utsläppen och ger ekonomisk nytta på lång sikt.