Onderzoeken van moderne koolstofafvangtechnologieën

Als antwoord op mondiale inspanningen om de uitstoot van broeikasgas (GHG) te verminderen, nemen veel producenten diverse efficiëntieverbeteringen en groene-stroominitiatieven op in hun bewerkingen. CO₂-afvangtechnieken, die dit gas afvangen en opslaan, bieden een veelbelovende oplossing. Een brede toepassing hangt echter af van de doorontwikkeling van de mogelijkheden en een vermindering van de kosten van de vereiste technologie om deze haalbaarder te maken.

Voor verbrandingsgerelateerde koolstofafvang zijn er twee belangrijke methoden: vóór en na verbranding. Afvang vóór verbranding onderschept CO₂ voordat dit wordt verbrand door methoden als vergassing en reforming.

Hiertegenover vindt de afvang na verbranding downstream van de brandstofverbranding in het primaire proces plaats. Hierbij worden oplosmiddelen of andere methoden gebruikt voor het direct verzamelen van kooldioxide uit het rookgas. Deze webpagina richt zich op de afvang na verbranding. Hoewel gunstig vanwege de mogelijkheid om deze achteraf toe te voegen en de technologische ontwikkeling, is deze methode niet zo efficiënt als afvang vóór verbranding.

Aminegasbehandeling is de meestgebruikte koolstofafvangmethode in industriële omgevingen. Bij deze methode na verbranding wordt gebruikgemaakt van de chemische eigenschappen van amine-oplossingen, zoals ethanolamine, dat een sterke affiniteit heeft voor binding met kooldioxide. Het proces bestaat uit:

Het rookgas ondergaat een reinigingsproces voor het verwijderen van stof, deeltjes, zwavelverbindingen en andere verontreinigingen. Deze voorbehandeling beschermt de amine-oplossing en apparatuur tegen verontreiniging en corrosie. Het hete rookgas wordt vervolgens afgekoeld tot een optimale temperatuur (ca. 40-60 °C/104-140 °F) voor een efficiënte kooldioxide-absorptie door de amine-oplossing.

Het afgekoelde rookgas komt bij de bodem in een absorptietoren, doorgaans een cilindrisch vat gevuld met dichtingsmateriaal om het gas-vloeistofcontact te versterken. Een tegengesteld stromende amine-oplossing wordt aan de bovenkant van de toren ingevoerd. Bij het opstijgen van het rookgas in de toren komt het in contact met de neergaande amine-oplossing. Vervolgens vormt het CO₂ in het rookgas een omkeerbare binding met de aminemoleculen, waarbij dit uit de gasstroom wordt verwijderd.

Overdracht van kooldioxide-rijke amine-oplossing: de kooldioxide-rijke amine-oplossing wordt naar een andere toren gepompt, de zogenaamde desorber of regenerator. Deze stroom wordt nauwkeurig gemeten met Raman-spectroscopie-instrumenten, voor het waarborgen van efficiëntie in de volgende regeneratiestap.

In de desorber wordt de kooldioxide-rijke amine-oplossing verwarmd, doorgaans met stoominjectie, tot ca. 110 °C/230 °F. Deze warmte scheidt de binding tussen het amine en het kooldioxide. De geregenereerde amine-oplossing, nu zonder kooldioxide, stroomt naar de bodem van de regenerator.

Koeling en recirculatie van de amine-oplossing: de hete, geregenereerde amine-oplossing gaat door een warmtewisselaar, waarbij een deel van de warmte wordt overgedragen op de binnenkomende kooldioxide-rijke oplossing en de energie-efficiëntie wordt verbeterd. Door verdere koeling wordt de amine-oplossing teruggebracht naar de optimale temperatuur voor kooldioxide-absorptie, waarna de afgekoelde amine-oplossing wordt teruggepompt naar de top van de absorptietoren om de cyclus te herhalen.

Het kooldioxide uit de top van de regenerator wordt samengeperst om de dichtheid te vergroten voor een makkelijker transport of opslag. Deze uitgaande stroom wordt vaak op zuiverheid geanalyseerd met behulp van TDLAS-instrumenten. Afhankelijk van de gewenste toepassing kan het kooldioxide nog verder worden gezuiverd om verontreinigingen te verwijderen.

Aminegasbehandeling laat een CO₂-afvangefficiëntie zien die regelmatig 90% overschrijdt. Regeneratie is echter nogal energie-intensief en de amine-oplossing die in het proces wordt gebruikt degradeert geleidelijk, waardoor aanvulling nodig is. Onderzoekers werken aan een oplossing voor deze problemen door onderzoek naar energie-efficiëntere regeneratiemethoden, zoals het gebruik van afvalwarmte uit industriële processen. Ze werken ook aan de ontwikkeling van robuustere amine-oplossingen met een hogere thermische stabiliteit en weerstand tegen degradatie.

Afvang op membraanbasis is een minder vaak gebruikte koolstofafvangmethode, waarbij de selectieve permeabiliteit van speciale membranen wordt gebruikt om kooldioxide uit rookgasstromen te halen. Deze membranen bestaan vaak uit polymeren of keramische materialen en werken als moleculaire gatekeepers. Ze laten CO₂ door, maar blokkeren andere gassen. Het primaire voordeel van deze methode is de lagere energiebehoefte ten opzichte van de aminegasregeneratie op hoge temperatuur.

De belangrijkste stappen zijn:

1. Rookgas-voorbehandeling: voordat het rookgas in het membraansysteem komt, ondergaat het een reinigingsproces, doorgaans filtratie en zuivering. In deze stap worden stof, deeltjes en andere onzuiverheden verwijderd die de kwetsbare membraanporiën kunnen verstoppen of beschadigen. Het rookgas wordt vaak gekoeld en de vochtigheidsgraad wordt aangepast aan een optimaal niveau voor het gebruikte specifieke membraanmateriaal. Hierdoor is een efficiënte kooldioxide-afscheiding gewaarborgd en wordt condensvorming in het membraansysteem voorkomen.
2. Membraanafscheiding: het voorbehandelde rookgas wordt door het membraan geleid, dat werkt als een selectieve barrière. Door verschillen in moleculaire grootte, structuur en affiniteit voor het membraanmateriaal passeren de kooldioxidemoleculen het membraan sneller dan andere gassen in de stroom, zoals stikstof. Hierdoor ontstaan twee productgasstromen: permeaat en retentaat. Het permeaat, dat rijk aan kooldioxide is, passeert het membraan en wordt opgevangen voor verdere verwerking. Het retentaat, ontdaan van CO₂, bevat de overgebleven gassen. Het wordt vrijgelaten in de atmosfeer of teruggevoerd naar het primaire industriële proces.
3. Kooldioxide-samenpersing en -conditionering: de kooldioxide-rijke permeaatstroom wordt samengeperst om de dichtheid te vergroten voor een makkelijker transport of opslag. Afhankelijk van de gewenste toepassing kan het kooldioxide nog verder worden gezuiverd om verontreinigingen te verwijderen.

Behalve de geringe energiebehoefte hebben membraansystemen een kleine voetafdruk, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen met een beperkte ruimte. Afvang op membraanbasis is echter minder efficiënt dan aminebehandeling; kleine variaties in de gasstroomsamenstelling, -druk en -temperatuur kunnen de prestaties negatief beïnvloeden.

Aminebehandeling en technieken op membraanbasis zijn de enige koolstofafvangmethoden na verbranding die momenteel vaak worden gebruikt, maar onderzoekers kijken nu ook naar andere methoden.

De eerste hiervan is Direct Air Capture (DAC), waarbij kooldioxide direct uit de omgevingslucht wordt gehaald. Grote ventilatoren zuigen de lucht door speciale sorptiematerialen, zoals vaste aminen of hydroxide-oplossingen die chemisch binden met kooldioxide. Als het sorptiemateriaal verzadigd is, wordt het verwarmd en wordt het afgevangen kooldioxide vrijgemaakt, dat vervolgens wordt opgevangen voor gebruik of opslag.

DAC is een mogelijke methode voor het afvangen van emissies van auto's en andere bronnen. Er zijn echter significante toepassingsbarrières door de fragiele sorptiematerialen, de hoge energiebehoefte en kosten vergeleken met puntbronafvangtechnologieën en de noodzaak voor toepassing op grote schaal om een nuttige koolstofafvang te realiseren.

Onderzocht wordt het gebruik van biomassa als een brandstofbron. Biomassa, zoals bomen, absorbeert kooldioxide uit de atmosfeer tijdens het groeien. Door de kooldioxide die vrijkomt bij de verbranding later af te vangen, kunnen gebruikers effectief negatieve emissies gebruiken. Biomassagroei vereist echter grote landoppervlakten, waterbronnen en zorgvuldige overweging van duurzame winningsmethoden.

Voor een brede toepassing van koolstofafvang na verbranding moeten de technologische en economische barrières worden overwonnen, niet alleen wat betreft de afvang, maar ook het gebruik en de opslag. Hoewel aminegasbehandeling zeer efficiënt is, is er veel energie voor nodig alsmede regelmatig onderhoud van de gebruikte oplosmiddelen. In vergelijking hiermee is de energiebehoefte voor afvang op membraanbasis lager maar is ook de efficiëntie lager. Beide processen zijn ook kostbaar.

Bij het streven van de industrie naar netto-nuldoelstellingen is strategische diversificatie essentieel. Het bereiken van deze doelstellingen vereist een combinatie van procesoptimalisatie, algehele verbetering van de energie-efficiëntie, toepassing van hernieuwbare hulpbronnen en een toezegging voor koolstofafvang. Het aangaan van de ecologische, technologische en economische compromissen voor elke strategie is cruciaal voor het verhogen van de toekomstige totale industriële duurzaamheid.