Hur fungerar negativa CO2-utsläpp med oxyförbränning och CO2-fångst i kraftverk?

Projektet Negative CO2 Emission Gas Power Plant utvecklar ett koncept där oxyförbränning kombineras med CO2-fångst från rökgaser för att uppnå negativa CO2-utsläpp. Genom att använda CO2-neutralt bränsle, som exempelvis avloppsslam, tillsammans med oxyförbränning och CO2-fångst, kan anläggningen faktiskt reducera mängden koldioxid i atmosfären. En central del i detta är användningen av en prototyp för spray-ejektor-kondensor (SEC), vars huvuduppgift är att kondensera vattenånga från rökgaserna. Detta förenklar den efterföljande separeringen av koldioxid.

Oxyförbränning innebär att syre används istället för luft vid förbränningen, vilket i praktiken eliminerar kväve i rökgasen. Det resulterande gasflödet består huvudsakligen av CO2 och vattenånga, vilket reducerar energibehovet för CO2-separation. För att kontrollera temperaturen i pannan recirkuleras cirka 70% av rökgasen tillbaka till förbränningskammaren. Den mest energikrävande delen i oxyförbränningsprocessen är luftseparationsenheten (ASU), som utvinner syre från luften och kan förbruka upp till 225 kWh per ton syre.

För att förbättra både verkningsgrad och CO2-fångst används ofta tekniken MILD (moderat och intensiv lågsyrespädning) i oxyförbränningen. Denna metod ökar anläggningens effektivitet, förbättrar renheten i den infångade CO2 och minskar energiförbrukningen. Exempelvis visar oxyförbrännings-CCS i Allam-cykeln en verkningsgrad på 55–59%, vilket är högre än traditionella kombicyklar med CO2-fångst. I Allam-cykeln återanvänds värme från ASU för att höja temperaturen på CO2 till 400°C, vilket förbättrar cykelns totala effektivitet.

Industriellt har CO2-adsorption betydande användningsområden, särskilt inom cement, stålproduktion och naturgasrening. Här används porösa material som MOF:er (metal-organic frameworks) och zeoliter för att effektivisera CO2-fångsten och minska energibehovet vid regenerering. Trycksvängadsorption (PSA) är en populär metod tack vare sin kostnadseffektivitet och operativa flexibilitet och används för att separera CO2 från rökgaser. Integrering av CO2-fångst med användningstekniker kan dessutom omvandla infångad CO2 till värdefulla kemikalier, vilket bidrar till hållbarhetsmålen.

I dagsläget baseras kommersiella CO2-fångstanläggningar främst på absorption, som är välutvecklad men kräver mycket energi och kan ha problem med solventtoxicitet och korrosion. PSA-processen är ett alternativ som inte kräver termisk energi vid regenerering och har visat lovande resultat för både före- och efterförbränningsfångst. PSA har använts framgångsrikt vid vätgasproduktion från syntesgas, och studier visar att processen kan nå liknande effektivitet som Selexol-absorption vid IGCC-anläggningar.

Fullskaliga analyser av PSA i kolkraftverk visar att dess effektivitet beror på hur väl processen kan integreras med resten av anläggningen och på val av adsorbent. Det krävs vidare forskning för att förstå och optimera dessa komplexa system, särskilt i efterförbränningssammanhang där studier ännu är preliminära och ofta fokuserar på enstaka aspekter, som ekonomi. Förförbränningsapplikationer har fått mer omfattande studier, och nya processer som sorptionsförstärkt vatten-gas-skiftreaktion visar stor potential.

Det är avgörande att förstå att teknologier för CO2-fångst befinner sig i olika utvecklingsstadier och har olika förutsättningar beroende på anläggningstyp och utsläppens sammansättning. Energiförbrukningen i fångstprocessen är en kritisk faktor, då den påverkar den totala verkningsgraden och miljönyttan av teknologin. Att kombinera CO2-fångst med användning av infångad koldioxid för kemisk produktion eller permanent lagring bidrar till en bredare klimatstrategi. För att uppnå verkligt negativa utsläpp krävs dessutom att bränslet är CO2-neutralt eller biogent, och att tekniken är integrerad på ett sätt som optimerar energiutnyttjandet och minimerar kostnader.

Hur påverkar koldioxidprissättning och handel med utsläppsrätter den globala energiomställningen?

Det globala arbetet för att minska växthusgasutsläpp och ställa om till en hållbar energiframtid innebär inte enbart teknologiska och industriella förändringar, utan även grundläggande ekonomiska och politiska omställningar. En viktig del av detta arbete är användningen av marknadsbaserade mekanismer som koldioxidprissättning och handel med utsläppsrätter. Denna metod bygger på att sätta ett pris på koldioxidutsläpp och skapa ekonomiska incitament för företag och länder att minska sina utsläpp. Även om dessa system har stor potential, finns det många faktorer som påverkar deras effektivitet och utformning.

En av de mest välkända marknadsbaserade mekanismerna är systemet för handel med utsläppsrätter, eller "cap-and-trade". I detta system sätts ett tak (cap) för det totala koldioxidutsläppet, och företag tilldelas utsläppsrätter som motsvarar deras tillåtna utsläpp. Om ett företag kan minska sina utsläpp under sin tilldelning kan det sälja de överskjutande utsläppsrätterna till andra företag som behöver dem. Detta skapar en ekonomisk drivkraft för att minska utsläppen och effektivisera energianvändningen.

Flera internationella aktörer och forskare har också föreslagit att man bör överväga att koppla samman olika utsläppshandelsystem för att skapa ett mer globalt och effektivt system. I Asien och Kina, till exempel, har det genomförts försök att skapa ett nationellt utsläppshandelsystem som potentiellt kan länkas till EU:s system. Dessa försök är ett intressant exempel på hur samarbete över gränserna kan spela en avgörande roll för att minska de globala utsläppen.

Koldioxidprissättning i form av skatt är en annan metod som ofta diskuteras som ett komplement eller alternativ till utsläppshandel. I Sverige har koldioxidskatter spelat en viktig roll i landets klimatpolitik, där en högre skatt på koldioxidutsläpp har skapat starka ekonomiska incitament för företag att investera i renare teknologier. Enligt Julius Andersson, en ledande ekonom på området, har Sveriges koldioxidskatt varit en effektiv mekanism för att minska utsläppen av växthusgaser, även om det också finns vissa utmaningar när det gäller att säkerställa rättvisa för företag i konkurrensutsatta sektorer.

Det är dock viktigt att förstå att marknadsbaserade mekanismer inte är utan sina utmaningar. En av de största frågorna är hur man ska säkerställa att utsläppsrätter och koldioxidskatter leder till verkliga utsläppsminskningar, snarare än att bara skapa en ekonomisk omfördelning av resurser. Det finns också en risk för att dessa marknader kan bli föremål för spekulation eller att länder med svagare ekonomier kan utnyttja systemet för att uppnå kortsiktiga ekonomiska vinster utan att faktiskt minska sina utsläpp på lång sikt.

För att verkligen åstadkomma en hållbar energiomställning krävs att dessa system inte bara är ekonomiskt effektiva utan även rättvisa. En nyckelfråga som ofta tas upp är hur man kan balansera mellan att skapa incitament för teknologiska framsteg och samtidigt undvika att de mest utsatta regionerna eller företagen hamnar i ekonomiska svårigheter. Det handlar om att skapa en global mekanism som främjar utsläppsminskningar på alla nivåer, samtidigt som den stöder innovation och rättvisa i övergången till förnybar energi.

En annan aspekt som är viktig att överväga är hur dessa system integreras med andra klimatpolitiska verktyg, såsom stöd för förnybar energi, energieffektivisering och klimatfinansiering. För att effektivt driva på den globala energiomställningen måste koldioxidprissättning och utsläppshandel vara en del av en bredare politik som även omfattar investeringar i forskning och utveckling, samt en rättvis omställning för arbetstagare och regioner som är beroende av fossila bränslen.

Sammantaget ger koldioxidprissättning och handel med utsläppsrätter viktiga verktyg för att minska globala utsläpp, men det finns fortfarande mycket arbete kvar för att optimera dessa system och säkerställa att de fungerar effektivt på lång sikt. För att uppnå en verklig förändring behöver dessa ekonomiska instrument stödjas av politiska åtgärder och en bredare global samordning.

Hur fungerar massöverföring och diffusion vid CO₂-adsorption i nanoporer och zeolitmaterial?

Diffusionen i nanoporer skiljer sig fundamentalt från makroskopisk gastransport på grund av den höga ytan och begränsade porstorleken, som ofta ligger på nanometerskala. I dessa dimensioner blir effekter som Knudsen-diffusion och ytdiffusion dominerande. Knudsen-diffusion uppstår när gasmolekyler oftare kolliderar med porets väggar än med varandra, vilket påverkar den effektiva gasflödeshastigheten och permeabiliteten i materialet. Ytdiffusion innebär att adsorberade gasmolekyler rör sig längs ytan av porerna, vilket är en viktig mekanism för gasutbyte i zeoliter och skiffer.

Studier visar att ytdiffusion och adsorptionsprocesser i nanoporer är intimt kopplade. Gasmolekyler adsorberas på ytan, sprids därefter via ytdiffusion och kan sedan desorberas och transporteras vidare. Modeller som integrerar både Knudsen- och ytdiffusion samt poregenskaper ger bättre prediktioner av gastransport i material med komplex porositet. Detta är särskilt viktigt i utvecklingen av membraner för CO₂-separering och i användningen av aminosilanteknologi i polymerbaserade adsorbenter.

Molekyldynamiska simuleringar har bidragit till djupare förståelse för hur molekylstorlek, form och kemiska egenskaper påverkar diffusionsbeteendet i nanoporer. Särskilt har samverkan mellan gasmolekyler och porväggar i zeoliter visat sig påverka både diffusionstakten och adsorptionskapaciteten. Vidare påverkas den effektiva permeabiliteten i skifferreservoirer inte bara av porets storlek utan också av dess koppling och porositet, vilket ställer höga krav på modelleringsmetoder för att fånga dessa effekter.

Modifiering av membranytor, till exempel genom hydrofoba beläggningar eller funktionalisering med aminer, förbättrar adsorptionskapacitet och selektivitet för CO₂. Denna teknik möjliggör effektivare separation vid industriella tillämpningar såsom rökgasrening och CCS (Carbon Capture and Storage). Därtill ger insikter från atomistiska och molekylära simuleringar nya möjligheter att optimera materialens porstruktur och ytkemi för maximal effektivitet.

Viktigt är att förstå att adsorption och diffusion inte är isolerade fenomen utan ömsesidigt beroende processer där både termodynamik och kinetik spelar roll. Den dynamiska balansen mellan gasens adsorptionshastighet, ytdiffusion och bulktransport avgör den totala adsorptionsprestandan. Förståelsen för dessa mekanismer är avgörande för att kunna designa nya adsorbenter och membran med förbättrade egenskaper för hållbar CO₂-separation.

Det är även betydelsefullt att beakta den verkliga gasens icke-ideala egenskaper vid modellering av transport i nanoporer, särskilt under högt tryck och temperaturförhållanden som förekommer i industriella miljöer och naturgasreservoarer. Här krävs avancerade termodynamiska och kinetiska modeller som integrerar adsorption, ytdiffusion och gasflödesmekanismer för att på ett korrekt sätt kunna förutsäga och optimera adsorptionsprocesserna.

Endast genom att kombinera experimentella data, molekylära simuleringar och teoretiska modeller kan man nå en fullständig förståelse av CO₂-transporten i nanoporösa material. Denna kunskap möjliggör utvecklingen av nästa generations adsorbenter och membran med högre effektivitet, hållbarhet och anpassning till olika tekniska krav.

Hur kan grafen och dess derivat användas för CO2-adsorption?

Grafen och dess derivat, som grafenoxid (GO) och reducerat grafenoxid (rGO), erbjuder lovande lösningar för effektiv CO2-adsorption, en nyckelprocess för att minska koldioxidutsläpp och hantera växthusgaser. De exceptionella fysikaliska och kemiska egenskaperna hos dessa material, såsom hög yta och porositet, gör dem till attraktiva kandidater för CO2-capture and storage (CCS) tillämpningar. Genom att förstå hur dessa material fungerar och hur de kan modifieras för att förbättra deras adsorptionskapacitet, kan vi utveckla mer effektiva och hållbara teknologier för koldioxidhantering.

Grafenoxid (GO) är en hexagonal struktur som erhålls från grafit genom oxidation och efterföljande exfoliering. GO har en rik ytkemi som inkluderar olika syrehaltiga funktionella grupper (OFGs), såsom karboxyl, hydroxyl och epoxigrupper. Dessa egenskaper gör GO mycket attraktivt för forskning inom CO2-adsorption. Dock, trots dessa fördelar, finns det praktiska begränsningar i användningen av GO på grund av dess starkt staplade lagerstruktur. För att övervinna denna begränsning har man försökt öka interlagerrymden (d-spacing) genom olika funktionaliseringar av GO, vilket gör det möjligt att förbättra CO2-adsorptionen.

En sådan metod är UV-behandling, där GO genomgår en fysikalisk process som ökar dess kapacitet att fånga CO2. Genom att behandla GO med UV-strålning förbättras dess CO2/N2-selektivitet 30 gånger och dess CO2-kapacitet ökar sju gånger vid 100 mbar under 5 timmars UV-behandling. Denna metod har visat sig vara skalerbar för industriella tillämpningar. GO har också använts som ett tillsatsmaterial i kompositmaterial för CO2-adsorption. Till exempel har kompositer av aktiverat kol (AC) och metall-MOF med grafenoxid visat selektiv adsorption av CO2 framför N2 under normala förhållanden.

Reducerat grafenoxid (rGO), som erhålls genom reduktion av GO, har förbättrade elektriska ledningsegenskaper och ökad CO2-adsorptionskapacitet. Genom att återställa sp²-kolbindningar och ta bort syrehaltiga funktionella grupper, uppnår rGO högre adsorptionskapacitet för CO2 och förbättrad elektrisk ledningsförmåga, vilket gör det till ett ännu mer lovande material för CO2-separering. RGO-aerogeler har också visat sig vara effektiva som porösa stabiliserande stöd för adsorption, vilket gör dem användbara i pre-combustion koldioxidfångstteknologier.

Flera kompositmaterial, som rGO i kombination med aktivt kol eller metaller, har visat sig ha högre CO2-uptag än rena rGO-material. Ett exempel är rGO/ACNF-kompositen, där 10% rGO visade den högsta CO2-upptagningskapaciteten vid högt tryck (15 bar), med ett CO2-upptag på 58 mmol/g. Den synergistiska effekten av att dopera rGO med heteroatomer, som kväve (N), har också visat sig förbättra CO2-adsorptionskapaciteten, som i fallet med rGO/N-dopade kolkompositer som visade en CO2-uptagning på 5.77 mmol/g vid 298 K.

För att ytterligare förbättra CO2-adsorptionen hos grafenbaserade material har forskare utvecklat hierarkiskt porösa strukturer, där mesoporos och minimala kristallstorlekar i nanopartiklar gör det möjligt att optimera adsorptionen. Genom att inkorporera funktionella heteroatomer, som bor (B), kväve (N), fosfor (P) och svavel (S) i grafenlagret, har man visat att man kan förbättra materialens affinitet för CO2-adsorption. Jämfört med ren grafen, som har en begränsad kapacitet för CO2-fångst på grund av bristen på mikroporer och CO2-fångstplatser, har dessa modifierade material visat mycket bättre resultat i selektiv fångst av CO2.

Silica-baserade nanoadsorbenter, som mesoporösa silikamaterial och silica aerogeler, erbjuder också betydande kapaciteter för CO2-adsorption. Dessa material är lämpliga för både post-combustion och pre-combustion fångst och har visat sig ha hög yta och stor porvolym, vilket gör dem mycket effektiva för att adsorbera CO2. Silica-material är även lätt modifierbara på ytan och behåller sina adsorptionsförmågor under fuktiga förhållanden, vilket gör dem lämpliga för långsiktig användning i olika koldioxidfångstprocesser.

I den fortsatta utvecklingen av CO2-adsorbenter är det viktigt att inte bara fokusera på de material som ger den högsta adsorptionskapaciteten, utan också på deras hållbarhet, regenereringsförmåga och kostnadseffektivitet i praktiska tillämpningar. Samtidigt som man arbetar på att förbättra adsorptionskapaciteten är det avgörande att ta hänsyn till miljöpåverkan och de långsiktiga effekterna av att använda dessa material i industriella skala.