Metoder för reducering av el och värmebeho

Eftersom CC-teknologierna kräver ånga och elektricitet från kraftvärmeverket kommer verkets leverans av el och fjärrvärme till nätet att påverkas. Det är därför av vikt att minimera CC-teknologiernas el- och värmebehov. På så sätt undviker man även risken för att den förlorade el- och fjärrvärmeleveransen ersätts av el och fjärrvärme som producerats från fossila bränslen vilket skulle orsaka ökade fossila CO2-utsläpp. För att minska energibehovet har det presenterats generella förslag såsom att minska effektiviteten på

60

CO2-upptagningsförmågan eller att endast leda en viss del av rökgaserna genom CC-teknologin (Aroonwilas & Veawab, 2007). Detta minskar dock incitamenten till CC-teknologin eftersom mindre CO2 avskiljs och därmed minskar den miljömässiga nyttan. Därför är det av vikt att först undersöka andra möjligheter för att optimera processen och minska energibehovet.

En fördel med att implementera CCS och bio-CCS på ett kraftvärmeverk är att det finns tillgänglig ånga som kan användas i regenereringsprocessen. Dessutom är det möjligt att återvinna den energi som används i CO2-avskiljningsprocessen till att förvärma fjärrvärmen på verket (Babin, et al., 2021). Överskottsvärmen kan även återanvändas i interna processer inom CC-teknologin. Det är fördelaktigt ur ett energieffektivitetsperspektiv och gör att mindre energi går förlorad i processen. Enligt en utredning på Värtaverket ökar tillgänglig värme med nio procent av den installerade kapaciteten då värme från CO2-avskiljningen återanvänds (Levihn, et al., 2019).

Olika metoder har diskuterats i litteraturen för att minska energibehovet. Harkin et al. (2010) föreslår en kombination av pinchanalys och linjär programmering för att på ett systematiskt sätt integrera CC-teknologin i ett kraftvärmeverk. Vid implementering av en CC-teknologi tillkommer fler varma och kalla strömmar till systemet. Pinchanalys kan användas för att säkerställa att anläggningen uppnår maximal effektivitet genom att se till att det finns ett bra system med värmeväxling och att restvärme används på ett effektivt sätt. Det finns även flera metoder för att minska energibehovet som är specifika för respektive CC-teknologi. Nedan presenteras exempel på sådana metoder, först för aminteknologin och sedan för HPC. Gällande Svante och 3C är de så pass nya teknologier att litteratur kring förbättring av dessa inte finns tillgänglig.

6.2.1 Reducering av el- och värmebehov för aminteknologin

För att minska energibehovet hos aminteknologin har många studier fokuserat på olika typer av aminlösningar. MEA är den amin som har använts och studerats i högst grad till följd av dess lösningsförmåga, höga reaktionshastighet, förmåga till regenerering och låga kostnad (Chen & Lai, 2019). Nackdelarna med MEA är dock att den kräver hög regenereringsenergi och har en relativt hög nedbrytningsförmåga, se 5.1.1 Påverkan på

aminteknologin. Till följd av detta har alternativa aminlösningar studerats. Romeo et al. (2020) presenterar DEA

och AMP som aminer med lägre regenereringsenergi än MEA och som samtidigt tål något högre temperaturer, upp till 130 grader. DEA har också visat sig kunna ha hög absorptionsförmåga även vid lägre temperaturer vilket skulle kunna minska energibehovet (Kothandaraman, 2010). DEA har ett energibehov på cirka 2,8–4,2 MJ/ kg CO2 (Romeo, et al., 2020) och AMP kan gå ner ända till 2,1 MJ/kg CO2 (Chen & Lai, 2019). Även en blandning mellan DEA och AMP presenteras som ett alternativ som har visat ett energibehov på cirka 3,3 MJ/kg CO2 (Romeo, et al., 2020). Nackdelen med DEA är att den har lägre reaktionshastighet. Däremot besitter den hög absorptionskapacitet och kan därmed absorbera mer under ett längre tidsintervall. Att blanda MEA med andra aminer kan också ge fördelar gällande energibehov. Till exempel presenterar Aroonwilas & Veawab

61

(2007) att en blandning mellan MEA och MDEA kombinerar fördelarna med de två aminerna samtidigt som de kompletterar varandras nackdelar. MDEA har en hög absorptionskapacitet och lågt energibehov vilket gör att det totala energibehovet kommer sjunka vid blandning mellan de båda aminerna. MDEA har dock en långsam reaktionshastighet medan MEA tvärtemot besitter hög kinetik vilket väger upp för den totala reaktionshastigheten.

Förutom att blanda olika aminer presenterar Lai et al. (2019) en alternativ lösning där alkoholer såsom etanol skulle kunna tillsättas. De experimentella resultaten från studien visar på att tillsats av etanol kan öka regenereringsförmågan hos aminerna vid mycket lägre temperaturer. Detta skulle både innebära ett lägre energibehov samt lägre termisk nedbrytning vilket tillsammans även skulle minska kostnaderna. Även Lin & Wong (2014) visade att en blandning med alkoholen metanol och aminer såsom PZ skulle kunna ge fördelaktiga egenskaper. Experimenten visade att blandningarna krävde lägre regenereringsenergi och hade högre regenereringshasighet än MEA. Vissa blandningar visade på en regenereringsenergi så låg som 1,84 MJ/kg CO2. Vidare skulle lägre temperaturer kunna antas i regenereringskolonnen till samma effektivitet vilket sänker energibehovet. Samtidigt förhindrar alkoholen bottenfällning av PZ vilket annars är en risk vid låga temperaturer.

Även om aminblandningar utöver MEA visar lovande resultat är de flesta studier endast på simulering- eller experimentstadium. Vidare fokuserar studierna ofta på ensidiga effekter, såsom vilka aminer som besitter lägre energibehov, utan att ta hänsyn till hur andra effekter såsom nedbrytning. Inga slutsatser gällande optimal blandning av aminer kan därav dras ännu men enligt studierna finns stor potential för att blandningar av nya typer av aminer kan ge mer fördelaktiga resultat. Även andra parametrar, såsom flödeshastighet, återkokartemperatur, regenereringstemperatur etc., behöver undersökas för att få optimala förhållanden (Galindo, et al., 2011). Genom processintensifiering och fördelaktiga aminblandningar har energibehovet visat sig kunna sjunka ner till 2–3,5 MJ/kg CO2 (Galindo, et al., 2011; Romeo, et al., 2008).

Det finns många parametrar som kan påverka regenereringsenergin. Flödeshastigheten på absorbenten är en av dessa. Dutcher et al. (2015) visade att energibehovet per avskild CO2 minskar vid ökad flödeshastighet till en viss punkt innan energibehovet ökar igen. Detta kan förklaras med att vid låg flödeshastighet är absorbenten kvar för regenerering en längre tid än vad som behövs och därmed används mer ånga för regenerering än vad som krävs (Galindo, et al., 2011). Vid höga flödeshastigheter däremot krävs mer ånga för att genomföra regenereringen vilket kräver mer energi. En annan parameter som går att undersöka är koncentrationen av aminlösningen. Högre koncentrationer, upp till en viss nivå, gör att energibehovet avtar till följd av att mer CO2 kan absorberas och regenereras till samma energimängd (Galindo, et al., 2011). Detta sker dock på bekostnad av högre nedbrytning och, bland annat, korrosionsproblem. Även temperatur och tryck i regenereringskolonnen, som nämnt i 6.1.1 Driftförhållanden för aminteknologin, kan korrigeras för att minska

62

regenereringsenergin men möjligen på bekostnad av högre termisk nedbrytning. För absorptionskolonnen visar Kothandaraman (2010) att en högre absorptionskolonn kan leda till minskad regenereringsenergi, men även högre kostnader.

En modifiering av aminteknologin presenterat av Aroonwilas & Veawab (2007) är att dela upp den CO2-rika absorbenten i två flöden. Det ena flödet leds till toppen av regenereringskolonnen och leds ut ur kolonnen vid mitten. Det andra flödet förs in i mitten och ut ur botten av kolonnen. Samma sak sker för den CO2 -fattiga absorbenten som förs tillbaka i två strömmar, den ena till toppen av absorptionskolonnen och den andra till någon annan del av kolonnen. Systemet kan vara konfigurerat så att den CO2-rika absorbentströmmen som förs till toppen av regenereringskolonnen inte behöver ledas genom värmeväxlaren. Istället värms den upp av den varma strömmen i toppen av kolonnen. Den kan även vara konfigurerad med två värmeväxlare så till vida att strömmen som förs till toppen av regenereringskolonnen endast passerar den första värmeväxlaren medan strömmen som leds till mitten passerar båda två (Dutcher, et al., 2015). Systemet att dela upp flödet i två delar har visat sig minska energibehovet men till bekostnad av ökade kolonnhöjder vilket kan öka kostnaderna på anläggningen. En liknande modifiering presenterades av Dutcher et al. (2015) och Sultan et al. (2020) men som går ut på att en viss del av det kalla CO2-rika flödet leds till en värmeväxlare kopplade till flödet av den infångade koldioxiden innan den förs till toppen av regenereringskolonnen. Förutom att värme från koldioxiden tas till vara på kan en momentan förångning förhindras när koldioxiden passerat regenereringskolonnen vilket annars ofta uppstår och leder till värmeförluster. Dutcher et al. (2015) visade att en kombination där en del av det kalla CO2-rika flödet går genom en värmeväxlare med den avskilda CO2:n och där två värmeväxlare tillsätts mellan CO2-rikt och -fattigt flöde varvid en del av flödet endast passerar första värmeväxlaren och sedan förs till toppen av regenereringskolonnen visade bäst resultat. En minskning av energibehov på 6–10 procent beroende på val av amin kunde påvisas.

6.2.2 Reducering av el- och värmebehov för Hot Potassium Carbonate

Flertalet studier har undersökt hur energianvändningen kan reduceras och CO2-upptagningsförmågan ökas men den mesta forskningen har fokuserat på aminbaserade absorbenter. Ayittey et al. (2020) har identifierat en kunskapslucka när det kommer till hur system baserade på kaliumkarbonat, det vill säga HPC teknologier, kan modifieras för att minska dess energianvändning och öka CO2-upptagningsförmågan. Ayittey et al. (2020) har därför gjort en studie där de utvärderar ett antal modifikationer som tidigare endast utvärderats på amin och ammoniakbaserade system där de visat positiva effekter. Tre av modifikationerna som studerades visade inte någon signifikant förbättring på HPC-systemet. Den ena modifikationen gick ut på att tillföra rökgaser på olika ställen i absorptionskolonnen medan den andra var att leda bort absorbent från kolonnen, kyla och sedan föra tillbaka den. Den tredje modifikationen innebar att absorbenten hämtades från regenereringskolonnen, värmdes

63

upp och sedan fördes tillbaka vilket är ett sätt att minska behovet av regenereringsenergi. För att inte öka den totala energianvändningen kan varma rökgaser användas för att värma upp absorbenten.

Utöver de tre ovanbeskrivna modifikationerna, beskrivs ytterligare två som visade förbättring av systemet när det kommer till minskat energibehov. Dessa var förvärmning av den CO2-rika absorbenten och komprimering av ånga som bildas genom momentan förångning av CO2-fattig absorbent (Ayittey, et al., 2020). Genom att förvärma den CO2-rika absorbenten innan den når regenereringskolonnen minskar behovet av energi. Då temperaturerna ökar krävs mer energi till att kondensera CO2 och kyla den CO2-fattiga lösningen innan den pumpas tillbaka till absorptionskolonnen. Om inte absorbenten förvärms med restvärme innebär det att den totala energianvändningen ökar. I fallet som Ayittey et al. (2020) presenterar, minskar energibehovet med cirka 18 procent genom att använda restvärme från anläggningen. Den andra modifikationen är att momentant förånga den CO2-fattiga absorbenten innan den pumpas tillbaka till absorptionskolonnen. Genom att momentant förånga absorbenten bildas ånga och vätska. Ångan komprimeras och återanvänds i regenereringskolonnen och den resterande vätskan pumpas tillbaka till absorptionskolonnen. På så sätt minskar behovet av ånga till regenereringen av CO2 och därmed kan energibehovet reduceras. Behovet av elektricitet kommer däremot öka på grund av den momentana förångningen och kompressionen som sker. För att denna lösning ska vara energisparande totalt sett behöver det elektriska behovet vara lägre än den energi som sparas i regenereringen. Dessutom tillkommer kostnader för den extra utrusning som behövs.

En studie av Kothandaraman (2010) visade att höjden av regenereringskolonnen spelar en betydande roll för hur mycket regenereringsenergi som krävs för att regenerera CO2. En högre kolonn ger lägre behov av regenereringsenergi jämfört med en lägre. Studiens exempel visade på cirka 30 procent minskning genom att öka höjden på kolonnen från 8 meter till 24 meter. Vidare beskrev Kothandaraman (2010) två modifikationer som kan göras på systemet för att återvinna energi och på så sätt minska påverkan på fjärrvärmeleveransen. Det första är att momentant förånga den CO2-rika absorbenten och värmeväxla den med den CO2-fattiga absorbenten innan den når regenereringskolonnen. I regenereringskolonnen förångas absorbenten momentant på grund av det låga trycket samtidigt som den kyls vilket gör att värme måste tillföras. Genom att istället momentant förånga absorbenten samt värmeväxla den innan den når kolonnen kan detta undvikas. Värmeväxlingen skulle med andra ord ske med den CO2-fattiga lösningen vilket betyder att ingen extra värme behöver tillföras. Enligt Kothandaraman (2010) kan denna lösning minska behovet av regenereringsenergi med 10 procent. Den andra modifikationen fungerar genom att endast fullt ut avskilja CO2 från en del av den CO2-riska absorbenten. Den nu CO2-fattiga lösningen kyls och pumpas till toppen av absorptionskolonnen. Den andra delen som är semi-rik på CO2 pumpas direkt till mitten av absorptionskolonnen. Drivkraften att absorbera CO2 ökar när temperaturen är lägre vilket gör att om kyld solvent pumpas in i toppen av absorbenten där drivkraften är som lägst ökar CO2 koncentrationen i absorbenten. Den högre koncentrationen av CO2 gör

64

att lägre temperaturer och mindre regenereringsenergi krävs. Denna modifikation har potential att minska behovet av regenereringsenergi med 22 procent (Kothandaraman, 2010).

Genom att öka koncentrationen av kaliumkarbonat i lösningen kan behovet av regenereringsenergi också minska samtidigt som CO2-upptagningsförmågan ökar (K Ayittey, et al., 2020). Däremot kommer investerings- och driftkostnader att öka. Risken för att salter bildas i solventen kommer också att öka på grund av högre koncentration av kaliumkarbonat.