Linköpings universitet | Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling Masteruppsats TQEM33, 30 hp | Civilingenjör Energi Miljö Management – Teknik för hållbar utveckling Vårterminen 2021 | LIU-IEI-TEK-A--21/03992—SE
Möjligheterna att
implementera bio-CCS och
CCS på Högdalenverket
– En fallstudie över fyra olika koldioxidavskiljningsteknologier och deras kompatibilitet på Högdalenverket med avseende på tekniska, ekonomiska, miljömässiga och energirelaterade aspekter.The possibilities to implement bio-CCS and CCS at
Högdalenverket
– A case study about four different carbon capture technologies and
their compatibility at Högdalenverket with regards to technical,
economical, environmental and energy related aspects
Emma Nilsson Evelina Östlund Handledare LiU: Bahram Moshfegh Handledare Stockholm Exergi: Erik Dahlén Examinator: Danica Djuric Ili Linköpings universitet SE-581 83 Linköping, Sverige 013-28 10 00, www.liu.seAbstract
Increased carbon dioxide in the atmosphere has raised the attention to Carbon Capture and Storage (CCS). Stockholm Exergi is a company conducting research on CCS and bio-CCS, a form of CCS where biogenic CO2 is captured. This master thesis analyzed the possibilities to implement CCS and bio-CCS
at Högdalenverket, one of Stockholm Exergi’s combined heat and power plant with waste incineration. The aim was to investigate advantages and disadvantages with different carbon capture technologies (CC technologies) considering technical, economical and energy related aspects. Industrial and household waste are incinerated in four boilers at Högdalenverket. Two cases were analyzed, one case with all boilers connected to the CC technology and one case with the boiler with the highest degree of CO2 emission connected.
The CC technologies taken into consideration were amine technology, Hot Potassium Carbonates (HPC), Compact Carbon Capture (3C) and Svante. Amine technology and HPC use chemical absorption in static columns. The Amine technology is the most investigated and used one. It uses temperature swing absorption with amines as absorbent. HPC uses pressure swing absorption with potassium carbonate as absorbent. The remaining two are new process intensified technologies. 3C uses rotating packed beds and absorbs CO2 chemically using, most commonly, amines. Svante also uses a rotating technique by chemically
adsorbing CO2 with nanomaterial as the solid adsorbent. All CC technologies need steam to regenerate CO2.
The steam was assumed to be extracted from the existing steam network at Högdalenverket with a pressure and temperature of 36 bar and 400 degrees.
The method used in the study was mainly literature review with peer reviewed articles regarding CCS as base. It was of importance to analyze how the flue gases could affect the CC technologies since the waste has an inhomogeneous composition. The flue gas composition was compiled using external and internal measurements from 2019 and 2020. Furthermore, energy and power calculations were performed to investigate how the heat and electricity delivery would be affected if the different CC technologies was implemented. Moreover, economic calculations regarding the cost for heat and electricity were carried out. Two interviews were also conducted, one with a CCS consultant company and one with internal staff at Högdalenverket.
According to the literature review, O2, SO2 and NO2 appeared to be the pollutants causing highest risk of
solvent degradation in the flue gases. The high O2 content at Högdalenverket could cause
oxidative degradation, especially in amine technology. The SO2 and NO2 content in the flue gases was mainly low and would therefore not significantly affect the technologies. Peeks with high content did however occur and amines, especially within the amine technology, could form toxic and cancerogenic nitrosamines with NO2 which should not be released to the atmosphere. The flue gas composition proved not to be the limiting factor
for implementation of CC technology on all incinerators. However, it is costly and complex to handle the variations in flue gas flow which can occur when all boilers are used.
The technologies showed high need of heat and electricity which would result in significant reductions in delivery from Högdalenverket. The need of heat and electricity would in turn lead to high operating costs. The Amine technology showed the greatest influence on the heat delivery due to the significant steam requirement to regenerate CO2. HPC showed extreme influence on the delivery of electricity due to the flue gas compression needed in pressure swing processes. Both technologies consist of high columns with significant degree of land use which would be difficult to implement within the limited area at Högdalenverket. As a result of these aspects, HPC and Amine technology are not considered to be suitable technologies to implement at Högdalenverket. However, the master thesis presented measures for energy saving that should be considered before excluding the technologies. One energy saving measure is to find the optimal heat recovery, for example by pinch-analysis. Moreover, composition, concentration, and flowrate of the absorbent can be analyzed. In addition, higher columns are associated with lower need of energy. Finally, modifications of the capture process can be investigated, and one example is to split the flow of the absorbent into two streams into the columns.
3C and Svante are compact technologies that require less land and have potential to fit at more locations at Högdalenverket. The compact design also leads to 50 percent less investments costs compared to the other two technologies. Moreover, these technologies are presented as more resistant against degradation of sorbents, and both requires less energy to regenerate CO2. These technologies are therefore more suitable for implementation at Högdalenverket. A drawback is that they are not yet commercially developed, they are only located at 6-7 at the TRL-scale. TRL stands for Technology Readiness Level and implies how developed the technology is. The scale ranges from one to nine where nine means that the technology is commercially developed.
Today, there are no economic incentives for the biogenic part of the CO2 emissions. However, there are investigations ongoing to create a market and economic incentives for the bio-genic part, one of the suggestions is reversed auctions. It is important to investigate methods to reduce the technologies need of heat and electricity, e.g., by finding other ways to extract steam instead of using steam with high exergy. Reducing the need of energy is important in the view of cost reduction, but also to avoid potential transfer of emissions to fossil CO2 generating production. The losses of heat and electricity generation that occur when implementing a CC technology need to be replaced. This replacement could end up being production from fossil fuels if no other options are available. Another aspect that needs to be considered is the suitability of using amines to a greater extent since it could cause serious environmental and health issues.
Sammanfattning
Stigande koldioxidhalter i atmosfären har medfört ökad uppmärksamhet för koldioxidavskiljning och lagring (CCS). Stockholm Exergi är ett av de bolag som bedriver forskning kring CCS och bio-CCS, som det kallas när biogen istället för fossil CO2 avskiljs. I denna masteruppsats undersöktes möjligheterna att införa CCS på ett av företagets avfallseldade kraftvärmeverk, Högdalenverket. Syftet var att undersöka för- och nackdelar med fyra olika koldioxidavskiljningsteknologier (CC-teknologier) med avseende på tekniska, ekonomiska och energirelaterade aspekter. Högdalenverket förbränner industri- och hushållsavfall i fyra pannor. Två fall undersöktes, ett med CO2-avskiljning från alla pannor och ett med avskiljning från den panna med högst CO2 utsläpp.
De teknologier som undersöktes var aminteknologi, Hot Potassium Carbonate (HPC), Compact Carbon Capture (3C) och Svante. De två förstnämnda använder sig av kemisk absorption i statiska absorptions- och regenereringskolonner. Aminteknologin är den mest använda och studerade CC-teknologin. Den använder sig av en temperatursvingsprocess med aminer som absorbent. HPC använder sig av en trycksvingsprocess med kaliumkarbonat som absorbent. De två sistnämnda är nya, processintensifierade teknologier. 3C använder sig av roterande packade bäddar och absorberar CO2 kemiskt primärt med aminer. Även Svante använder sig av en roterande teknologi men med kemisk adsorption med nanomaterial som fast adsorbent. Samtliga CC-teknologier kräver ånga för regenerering av CO2. Ångan antogs extraheras från det befintliga ångnätet på Högdalenverket med tryck och temperatur på 36 bar och 400 grader.
Metoden som användes i studien bestod till största del av litteraturstudier av vetenskapliga artiklar om CCS som bas. Eftersom avfall har en inhomogen sammansättning var det av vikt att undersöka hur rökgaserna från förbränning kan påverka CC-teknologierna. Rökgassammansättningen sammanställdes från tillhandahållna externa och interna mätningar under 2019 och 2020. Utöver det utfördes el- och värmeberäkningar för att undersöka hur el- och fjärrvärmeleveransen skulle påverkas vid implementering av de olika CC-teknologierna. Även ekonomiska beräkningar för kostnaden för den el och värme CC-teknologierna kräver utfördes. Vidare har två intervjuer genomförts, en med ett konsultbolag inom CCS och en annan med intern personal på Högdalenverket.
Litteraturstudien visade att O2, SO2 och NO2 kan ha den största påverkan på teknologierna eftersom de kan orsaka nedbrytning av sorbenterna. Den höga O2-halten i rökgaserna på Högdalenverket skulle medföra risk för oxidativ nedbrytning, speciellt för aminteknologin. Halten av SO2 och NO2 visade mestadels låga värden som inte skulle medföra större påverkan på teknologierna. Toppar med höga halter förekom dock och aminer, speciellt i aminteknologin, kan bilda toxiska och cancerframkallande nitrosaminer vid reaktion av NO2 vilka inte får släppas ut i atmosfären. Rökgassammansättningen visade sig inte vara den begränsande faktorn för att
tillämpa CCS på samtliga pannor. Däremot krävs det en komplex och kostsam CC-teknologi för att kunna hantera de stora variationerna i rökgasflöde som uppstår när alla pannor används.
Teknologierna visade höga el- och värmebehov vilket skulle resultera i signifikant minskning av leverans från Högdalenverket. Det höga behovet skulle i sin tur innebär stora driftkostnader. Aminteknologin visade sig påverka fjärrvärmeleveransen i störst utsträckning till följd av den stora mängd ånga som krävs för regenereringen. HPC visade extrem påverkan på elleveransen på grund av kompressionen av rökgaser som krävs för trycksvingsprocesser. Båda teknologierna kräver dessutom höga kolonner med stor arealåtgång vilket skulle vara mycket svårt att implementera på Högdalenverkets begränsade yta. Till följd av dessa aspekter ansågs HPC och aminteknologin vara olämpliga att implementera på Högdalenverket. Däremot presenterades i uppsatsen flera åtgärder för att minska CC-teknologiernas energibehov som bör beaktas innan teknologierna utesluts helt. En åtgärd är att undersöka optimal värmeåtervinning, exempelvis genom pinchanalys. Även sammansättning, koncentration och flöde av absorbentlösningen kan undersökas. Vidare har högre kolonner visat sig minska energibehovet. Slutligen kan modifieringar på avskiljningsprocessen göras där ett exempel är att dela upp flödet av absorptionslösningen i två strömmar in till kolonnerna.
3C och Svante är kompakta lösningar som kräver mindre yta och det finns därför fler placeringar tillgängliga på verket. Kompaktheten leder dessutom till 50 procent lägre investeringskostnader jämfört med de två andra teknologierna. Vidare har båda teknologierna presenterats som mer motståndskraftiga mot nedbrytning av sorbent och kräver båda mindre energi för regenerering. Dessa teknologier har därför större potential att implementeras på Högdalenverket. Nackdelar med teknologierna är att de ännu inte är kommersiellt utvecklade utan endast ligger på TRL 6–7. TRL står för Technology Readiness Level och anger hur väl utvecklad tekniken är. Skalan går från ett till nio där den högsta nivån innebär att teknologin är kommersiellt utvecklad.
I dagsläget finns inga ekonomiska incitament för att fånga in den biogena delen av utsläppen. Det pågår emellertid utredningar för att skapa en marknad och ekonomiska incitament för bio-CCS där ett av förslagen är omvända auktioner. I framtiden är det av vikt att undersöka metoder som kan reducera energiåtgången hos teknologierna, exempelvis genom att finna en lösning att extrahera annan än högvärdig ånga från ångnätet. Att minska energibehovet är av vikt både för att minska kostnader men även för att undvika att utsläppen flyttas till annan produktion som genererar fossil CO2. Den el- och värmeleverans från verket som går förlorad på grund av implementering av CC-teknologi måste ersättas. Det kan leda till att el och värme istället behöver produceras från fossila bränslen om inga bättre alternativ finns tillgängliga. Det bör också övervägas om det är lämpligt att använda aminer i stor utsträckning i framtiden eftersom de kan orsaka allvarliga hälso- och miljöproblem.
Förord
Detta examensarbete utgör det avslutande momentet för en civilingenjörsexamen inom energi-miljö-management på Linköpings Universitet. Uppsatsen på 30 hp behandlar bio-CCS och CCS som är en högaktuell teknik bland en rad klimatåtgärder för att uppnå Sveriges klimatmål mot noll nettoutsläpp till 2045. Arbetet har skett i samarbete med Stockholm Exergi.
Vi vill rikta ett stort tack till vår handledare Bahram Moshfegh och examinator Danica Djuric Ilic på Linköpings Universitet för värdefulla kommentarer och stöd under arbetets gång. Vi vill även tacka vår handledare Erik Dahlén på Stockholm Exergi som bidragit med stor kunskap inom bio-CCS och vägledning i arbetet. Slutligen vill vi tacka övriga anställda på Stockholm Exergi och intervjupersonerna som bidragit med viktig information till vårt arbete, det har varit till stor hjälp.
Ordlista
Förkortning Fullständigt namn Förklaring
3C Compact Carbon Capture CC-teknologi, använder sig av kemisk
absorption och roterande bäddar Bio-CCS Bio energy Carbon Capture Storage CCS som fångar CO2 från förbränt
biobränsle
CCS Carbon Capture Storage CO2-infångning och lagring
CC Carbon Capture CO2-infångning
DK6 - Direktkondensator mot fjärrvärme för P6
Eo1 Eldningsolja 1 Bränsle för P5
G1 - Ångturbin, kopplad till alla pannor utom P6
G6 - Ångturbin, kopplad till samtliga pannor
HPC Hot Potassium Carbonates CC-teknologi som använder kemisk
absorption med kaliumkarbonatsom solvent i statiska kolonner
MOF Metal Organic Framework Metall-organiska ramverk som binder CO2
via adsorption
P0 - Våt rökgasrening för P3 och P8
P2 Panna 2 Rosterpanna som togs ur bruk 2020 och
ersattes med P8
P3, P4 Panna 3, Panna 4 Rosterpannor med hushållsavfall som
bränsle
P5 Panna 5 Spetspanna som drivs av olja
P6 Panna 6 Panna med fluidiserande bädd, drivs av
PTP
P8 Panna 8 Rosterpanna som togs i bruk 2020, drivs av
hushållssopor
RGR Rökgasrening -
RK1, RK2 &
RK3 - Direktkondensatorer mot fjärrvärmen för P2/P8, P3 och P4
RPB Rotating Packed Beds Roterande bäddar som finns i
adsorbtions-och regenereringskolonnen i 3C
TRL Technology Readiness Level Hur långt fram i utvecklingen
CC-teknologin ligger, skala 1–9
Kemiska beteckningar
AMP 2-amino-2-metylpropan-1-ol CO2 Koldioxid DEA Dietanolamin HCO3 Bikarbonat HCl Väteklorid K2CO3 Kaliumkarbonat O2 Syrgas MDEA Metyldietanolamin MEA Monoetanolamin MNPZ N- nitrosopiperazine N2 Kvävgas NH3 Ammoniak NO Kväveoxid NO2 Kvävedioxid NOx Kväveoxider PZ Piperazine SO2 Svaveldioxid SOx SvaveloxidInnehållsförteckning
1Introduktion ... 1
1.1
Syfte och frågeställningar ... 4
1.2
Avgränsningar ... 4
2
Teori ... 6
2.1
Beskrivning av koldioxidavskiljningsteknologier ... 6
2.1.1
Aminteknologi ... 7
2.1.2
Hot Potassium Carbonates ... 10
2.1.3
Compact Carbon Capture ... 11
2.1.4
Svante ... 14
2.1.5
Koldioxidupptagningsförmåga ... 16
3
Fallbeskrivning ... 18
3.1
Pannor och rökgasreningar ... 18
3.2
Högdalenverkets el- och fjärrvärmeproduktion ... 22
4
Metod ... 26
4.1
Litteraturstudie ... 26
4.2
Intervjumetod ... 28
4.3
Rökgassamansättningar ... 29
4.4
Beräkningsmetod ... 31
4.4.1
El- och värmeberäkningar ... 32
4.4.2
Ekonomiska beräkningar ... 35
4.5
Metodkritik ... 35
5
Resultat - Rökgassammansättning ... 37
5.1
Rökgasernas påverkan på koldioxidavskiljningsteknologierna ... 37
5.1.1
Påverkan på aminteknologin ... 37
5.1.2
Påverkan på Compact Carbon Capture ... 40
5.1.3
Påverkan på HPC ... 40
5.1.4
Påverkan på modifierad kiseldioxid och metal-organiska ramverk ... 41
5.2
Högdalenverkets rökgassamansättning ... 44
5.3
Resultatanalys - Rökgassamansättning ... 52
6
Resultat – Koldioxidavskiljningsteknologiernas påverkan på el- och fjärrvärmeleveransen ... 56
6.1
Driftförhållanden för koldioxidavskiljningsteknologierna ... 56
6.1.1
Driftförhållanden för aminteknologin ... 56
6.1.2
Driftförhållanden för Hot Potassium Carbonate ... 57
6.1.3
Driftförhållanden för Compact Carbon Capture ... 58
6.1.4
Driftförhållanden för Svante ... 58
6.2
Metoder för reducering av el- och värmebehov ... 59
6.2.1
Reducering av el- och värmebehov för aminteknologin... 60
6.2.2
Reducering av el- och värmebehov för Hot Potassium Carbonate ... 62
6.3
Påverkan på Högdalenverkets el- och fjärrvärmeleverans ... 64
6.4
Resultatanalys – Koldioxidavskiljningsteknologiernas påverkan på el- och fjärrvärmeleveransen 67
7
Resultat – Placering ... 71
7.1
Anläggningsstorlek ... 71
7.2
Placering på Högdalenverket ... 72
7.3
Resultatanalys – Placering av koldioxidavskiljningsteknologierna ... 73
8
Resultat – kostnader och ekonomiska incitament ... 77
8.1
Investeringskostnader ... 77
8.2
Driftkostnader ... 81
8.3
Ekonomiska incitament ... 85
8.4
Resultatanalys – Kostnader och ekonomiska incitament ... 86
9
Sammanfattning av resultat ... 90
10
Diskussion ... 91
11
Slutsats ... 95
11.1
Framtida studier ... 99
12
Litteraturförteckning ... 101
13
Personlig kontakt ... 113
Appendix A2 – Intervjuguide II ... 115
Appendix A3 - Mätmetod ... 116
Appendix A4 – Beräkning av Cp, Cv, k och R ... 118
Appendix A5 – Aminer ... 119
Figurförteckning
Figur 1: Effekten av bio-CCS när CO2 lagras i marken istället för att återupptas av växtligheten (Stockholm
Exergi, u.å.d) ... 2
Figur 2: Beskrivning av TRL-skalan från 1 till 9 ... 6
Figur 3: Schematiskt bild över aminteknologin inspirerad av (Dutcher, et al., 2015) ... 8
Figur 4: Schematiskk bild över HPC teknologin inspirerad av (Levihn, et al., 2019; Hu, et al., 2016) ...10
Figur 5: Schematisk bild över absorptionskolonnen i Compact Carbon Capture teknologin inspirerad av (Asbjørn, et al., 2019) ...12
Figur 6: Schematiskt bild över regenereringskolonnen i Compact Carbon Capture teknologin inspirerad av (Fiveland & Andersen, 2015; Fiveland & Strand, 2014) ...13
Figur 7: Schematisk bild över Svante inspirerad av (Svante, 2020f). Till vänster ses teknologin från sidan och till höger från ovan ...15
Figur 8: En överblicksbild över Högdalenverket ...19
Figur 9: Överblick över pannornas koppling till skorstenens sex pipor, skissad efter beskrivning av (Stockholm Exergi, 2019) ...21
Figur 10: Schematisk bild över turbinen G6 med dess inlopp och avtappningar ...22
Figur 11: Översiktsbild av ångnätet på Högdalenverket och dess koppling till pannor och fjärrvärmenät ...24
Figur 12: Flödesschema över litteraturstudien ...26
Figur 13: Tvåstegskompression av rökgaser med kylning efter varje steg ...32
Figur 14: Översiktsbild över G6 och dess koppling till ångnäten ...33
Figur 15: Diagram (a), (b) och (c) visar halten CO2 per timme i rökgaserna från pipa 2 (P2/P8 och P3), pipa 4 (P4) respektive pipa 6 (P6) under år 2020 ...45
Figur 16: (a) presenterar CO2-halten i pipa 2, 4 respektive 6 och (b) presenterar totala halten under år 2020 ..46
Figur 17: (a) presenterar O2-halten i P3, P4, P6 och P8 och (b) presenterar den totala O2-halten för samtliga pannor under år 2020 ...47
Figur 18: (a) presenterar H2O-halten i P0, P4 och P6 och (b) presenterar den totala halten i samtliga pannor under år 2020 ...48
Figur 19: (a) visar den totala NO2-halten och (b) visar den totala SO2-halten i rökgaserna under år 2020 ...49
Figur 20: Halten NO2 och SO2 största delen av tiden när topparna försummas (a) visar halten NO2 efter 800 timmar och (b) visar halten SO2 efter 1000 timmar under år 2020 ...50
Figur 21: Värme som återvinns från CO2-avskiljningsprocessen med de olika CC-teknologierna ...65
Figur 22: Fjärrvärmeleveransen från kraftvärmeverket samt minskningen vid implementering av CC-teknologierna på alla pannor (a) och på P4 (b) ...66
Figur 23: Elleveransen från kraftvärmeverket samt minskningen vid implementering av CC-teknologierna på alla pannor (a) och på P4 (b) ...67
Figur 24: Karta över Högdalenverket med möjliga placeringar för CC-teknologierna markerade. Ljusgrå
byggnader är befintliga och mörkgrå möjliga framtida byggnader ...73
Figur 25: Rekommenderade investeringskostnader att beakta relaterat till CC-teknologier (Rubin, et al., 2013)
...78
Figur 26: Fördelningen av utrustningskostnader för aminteknologin (Nwaoha, et al., 2018) ...79
Figur 27: Drift- och underhållskostnader som beaktades för aminteknologin av Sultan et al. (2020) och
Nwahoa et al. (2018) ...82
Figur 28: El- och värmekostnaden för CC-teknologierna. För aminteknologin inkluderas även
Tabellförteckning
Tabell 1: Aminer som beaktades i uppsatsen, deras typ och den förkortning som fortsättningsvis tillämpades 9
Tabell 2: Information om pannorna på Högdalenverket ...20
Tabell 3: Medelvärde av temperatur och tryck uppmätt i piporna för respektive panna under tre olika tillfällen ...21
Tabell 4: Total el- och fjärrvärmeproduktion för Högdalenverket år 2020 ...25
Tabell 5: Sammanfattande tabell över den litteratur och de sökord som användes i uppsatsen ...28
Tabell 6: Dokumenten som användes för att fastställa rökgassamansättningen från Högdalenverket ...30
Tabell 7: Påverkan från olika föroreningar på aminteknologin ...39
Tabell 8: Påverkan från olika föroreningar på HPC ...41
Tabell 9: Tabell över föroreningar i rökgaserna från P3, P4 och P6 ...48
Tabell 10: Metaller, dioxiner och vätefluorid (HF) i rökgaserna från pannorna på Högdalenverket. ”<<” innebär att samtliga mätvärden understeg kvantifikationsgränsen.”<” innebär att en till två mätvärden understeg kvantifikationsgränsen ...51
Tabell 11: Antagna driftförhållanden för de fyra CC-teknologierna ...64
Tabell 12: Driftförhållanden och kostnader för aminteknologin som presenteras i studierna av Sultan et al. (2020) respektive Nwaoha (2018) samt driftförhållanden på Högdalenverket ...80
Tabell 13: El- och värmekostnaden per ton avskild CO2 då alla pannor används ...84
Tabell 14: Återbetalningstiden för respektive CC-teknologi om samtliga pannor kopplas till CC-teknologin ..86
1
1 Introduktion
Koldioxidhalterna i atmosfären har ökat sedan industriella revolutionens början, främst till följd av en ökad användning av fossila bränslen. Den globala uppvärmningen orsakar bland annat mer extrema temperaturer, stigande havsnivåer, naturkatastrofer och påverkan på ekosystemet. Koncentrationen av växthusgaser stiger för varje år och 2019 uppmättes de högsta halterna av koldioxid (CO2) i atmosfären jämfört med förindustriella
nivåer (World Meteorological Organization, 2020). FN har utvecklat Agenda 2030 med sjutton globala mål med syfte att uppnå en hållbar framtid, där mål 13 riktar in sig på klimatförändringar (United Naitons, 2020). I enlighet med Agenda 2030 har Sverige satt upp långsiktiga klimatmål. Ett av målen innebär att Sverige inte ska ha några nettoutsläpp av växthusgaser till atmosfären år 2045 vilket är en överenskommelse mellan fem partier i riksdagen (S, M, MP, C och KD) (2016). Därefter ska utsläppen vara så kallade negativa utsläpp, det vill säga att mer växthusgaser tas upp jämfört med vad som släpps ut. Dessutom togs ett internationellt klimatavtal, Parisavtalet, fram under FN:s klimatkonferens år 2015 (COP21) och trädde i kraft den 4 november 2016. Målet med Parisavtalet är att begränsa den globala uppvärmningen till under 2 grader, helst 1,5 grader, jämfört med förindustriella nivåer (UNFCCC, 2021).
För att minska utsläppen till atmosfären har koldioxidavskiljning och lagring diskuterats som en potentiell lösning. Hädanefter kommer koldioxidavskiljning och lagring benämnas CCS (eng. Carbon Capture Storage) vilket är ett vedertaget uttryck som ofta används även i svensk litteratur. CCS handlar om att fånga in, transportera och förvara CO2 för att minska CO2 -utsläppen (Bui, et al., 2018). Det pågår dessutom forskning
kring om CO2 kan användas i annan produktion istället för lagring. IPCC har tagit fram scenarion för att begränsa en temperaturökning med 1,5 grader (IPCC, 2019). Scenarierna inkluderar reducering av växthusgaser i atmosfären och i det ingår bland annat bio-CCS. Bio-CCS, likt CCS, fångar in och lagrar CO2. Skillnaden ligger i att biogen CO2, som det rör sig om vid CCS, har potential att skapa en kolsänka. Det vill säga att med bio-CCS bryts det naturliga kretsloppet av CO2 och fångas istället in och på så sätt reduceras CO2 från atmosfären, se Figur 1 från Stockholm Exergi (Stockholm Exergi, u.å.d).
2
Figur 1: Effekten av bio-CCS när CO2 lagras i marken istället för att återupptas av växtligheten (Stockholm Exergi, u.å.d)
I dagsläget ses CCS och bio-CCS som dyr teknik, där CO2-avskiljningen står för den största kostnaden, vilket är en av anledningarna till att den ännu inte är etablerad i hög utsträckning (Hedin, et al., 2012). Därutöver kräver CCS energi för att driva processen vilket kan innebära mer utsläpp eller bidra till ytterligare biomassaanvändning. Enligt utredningen av Klimatpolitiska vägvalsutredningen (2020) är det dock inte de teknikrelaterade aspekterna som är den huvudsakliga barriären utan systemfrågorna kopplade till CCS och bio-CCS där ekonomiskt incitament och en fungerande affärsmodell är centrala delar. För att skapa förutsättningar för bio-CCS krävs även politisk enighet om att det är en långsiktig prioritering för att uppnå nettonollutsläpp till 2045.
Sveriges klimatpolitik främjar användandet av biobaserade bränslen framför fossilbaserade vilket skapar en potential för att implementera bio-CCS. I dagsläget saknas emellertid ekonomiska incitament eller fördelar att implementera bio-CCS. Det finns däremot incitament att implementera CCS på fossila utsläpp, eftersom koldioxidskatt måste betalas för de fossila utsläppen. Vidare ingår fossila utsläpp i handeln med utsläppsrätter där implementering av CCS skulle ge ekonomiska fördelar. Utsläpp från biobaserad massa ingår inte i någon av dessa styrmedel och därmed finns inga ekonomiska incitament för bio-CCS. Klimatpolitiska vägvalsutredningen har däremot gjort en utredning för att utreda vilka styrmedel och incitament som kan bidra till en ökad efterfrågan av bio-CCS (Klimatpolitiska vägvalsutredningen, 2020). För att skapa incitament är ett förslag att gå över från det så kallade Pollutor Pays Principle (PPP) till Beneficiary Pays Principle (BPP) (Klimatpolitiska vägvalsutredningen, 2020). Det vill säga att istället för att utsläpparen betalar för sina emissioner ska den som bidrar till negativa utsläpp få betalt. Den som drar nytta av minskade utsläpp bör vara den som betalar (Zetterberg, et al., 2019). I utredningen av Klimatpolitiska vägvalsutredningen (2020) nämns att det bör vara Energimyndighetens uppgift att anordna så kallade omvända auktioner av negativa CO2-utsläpp. På de omvända auktionerna är tanken att CO2 upphandlas och vinnaren av auktionen kommer troligen bli den som erbjuder negativa utsläpp till lägst kostnad. Ersättningen som staten betalar ut till den som bidrar till de minskande utsläppen och vinnaren av den omvända aktionen skulle vara skillnaden mellan kostnaden för lagrad
3
biogen CO2 och potentiella stöd för bio-CCS. Omvända auktioner skulle därför ha potential att erbjuda tillräcklig kompensation för investering i bio-CCS och samtidigt begränsa risken för att kostnaderna för staten blir för höga och att staten överkompenserar för investeringen.
Stockholm Exergi är ett energibolag som levererar el och fjärrvärme till Stockholmsområdet. Företaget har som mål att bli klimatpositiva till år 2025 (Stockholm Exergi, u.å.e). Att vara klimatpositiv innebär att mer växthusgaser fångas upp än vad som släpps ut genom verksamheten, det vill säga att verksamheten bidrar till att minska andelen växthusgaser i atmosfären. En del i detta är att införa CCS och bio-CCS. För tillfället bedrivs forskning om bio-CCS på ett av deras verk. Planen är nu att expandera forskningen till ett kraftvärmeverk söder om Stockholm, Högdalenverket, som har en baslast bestående av industri- och hushållsavfall. Att använda avfall som bränsle har flera fördelar miljömässigt. En av de viktigaste aspekterna är att deponier undviks. När organiskt material bryts ner i deponierna bildas deponigas vilken består till hälften av CO2 och till hälften av metan, där den senare har cirka 21 gånger högre Global Warming Potenital (GWP) jämfört med samma mängd CO2 (Ackerman, 2010). Genom att istället utvinna energi från förbränning av avfall undviks dessa negativa
konsekvenser samtidigt som det blir ett substitut till förbränning av fossila bränslen. Värt att nämna är däremot att enligt EU:s avfallstrappa bör de första alternativen innan energiåtervinning av avfall vara att återanvända och därefter återvinna avfallet (Miljödepartementet, 1998). Stockholms avfall innehåller en hög halt plast vilken till största del är fossilbaserad, även om andelen fossilt i avfallet väntas minska till följd av en ökad återvinning (Klimatpolitiska vägvalsutredningen, 2020). I dagsläget finns det hinder kring fullständig återvinning av plaster. Ett sådant hinder är att viss plast inte är möjlig att återvinna med dagens teknik till tillräckligt hög kvalitet. Ett annat att vissa äldre plaster innehåller toxiska ämnen som idag är förbjudna och därav inte lämpliga att återvinna (Leslie, et al., 2016; Hopewell & Dvorak, 2009). På Högdalenverket är utsläppen relaterade till förbränning cirka 34 procent fossilbaserade till följd av de höga halterna plast i avfallet. För den del fossilbaserad plast som inte är möjlig eller lämplig att återvinna skulle CCS kunna vara en möjlig lösning för att minska dess CO2-utsläpp. Resterande utsläpp är biogent och bio-CCS skulle ha potential att reducera CO2 ur atmosfären och skapa en kolsänka.
I dagsläget talar det mesta för att betydande utsläpp från el- och fjärrvärmeproduktion även kommer finnas kvar långt in i framtiden, vilket i sig är ett incitament för implementering av CCS och bio-CCS på kraftvärmeverk (Klimatpolitiska vägvalsutredningen, 2020). Utredningen menar att Sverige därför bör fortsätta satsningen på utvecklingen av bio-CCS, både när det kommer till tekniken och platsspecifika förstudier. Forskning kring CCS på avfallseldade verk och dess rökgassammansättnings påverkan på teknologin är i dagsläget mycket begränsad. Eftersom avfall har en inhomogen rökgassammansättning med stora variationer är det av stor vikt att just rökgassammansättningen och dess påverkan undersöks före implementering. Denna masteruppsats kan bidra till akademin genom att presentera en fallstudie på ett avfallseldat kraftvärmeverk. Uppsatsen berör även två nya teknologier som ännu inte är fullt etablerade varför informationen kring teknologierna är mycket
4
knapphändig. Informationen som presenteras i masteruppsatsen kan därför vara till stor nytta, inte bara för Stockholm Exergi utan även för andra företag som är intresserade av att införa CCS på ett liknande verk. Det kan också vara av intresse för de som vill få större inblick i de nyare så väl som de konventionella koldioxidavskiljningsteknologierna, hädanefter benämnt CC-teknologier (eng. carbon capture).
1.1 Syfte och frågeställningar
Syftet med denna masteruppsats var att undersöka för- och nackdelar med olika CC-teknologier på Högdalenverket med avseende på tekniska, miljömässiga, energirelaterade och ekonomiska aspekter. För att uppfylla syftet upprättades ett antal frågeställningar:
1. Hur påverkas CC-teknologierna av Högdalenverkets rökgassamansättning med hänsyn till tekniska och miljörelaterade aspekter? Är det någon panna som är mindre lämplig att integrera i systemet till följd av dess rökgassammansättning?
2. Hur påverkas Högdalenverkets el- och fjärrvärmeleverans vid implementering av CC-teknologierna? Hur kan CC-teknologiernas el- och värmebehov reduceras?
3. Var kan CC-teknologin placeras på Högdalenverket?
4. Vilka ekonomiska aspekter bör beaktas vid implementering av CC-teknologierna?
1.2 Avgränsningar
Masteruppsatsen innefattade inte lagringsdelen inom CCS, det vill säga var och hur CO2 kan transporteras och förvaras. Endast teknologin fram till dess att CO2 är separerat från de övriga rökgaserna studerades. Systemgränsen drogs efter CO2-avskiljningen och därför uteslöts även komprimering, kylning och lagring av CO2 på verket. Förutom detta uteslöts elbehovet för tillhörande utrusning till CC-teknologierna såsom pumpar och fläktar. Verket kommer inte byggas om för att implementera CC-teknologin och därför behandlades endast påbyggnadstekniker som kan implementeras på befintligt verk. Vidare analyserades endast fyra efterförbränningstekniker, det vill säga teknologier där CO2 separeras från rökgaserna efter att förbränning skett. Dessa var Aminteknologin, Hot Potassium Carbonates (HPC), Compact Carbon Capture (3C) och Svante enligt önskemål från Stockholm Exergi. Eftersom Högdalenverket är tättbebyggt med begränsat utrymme uteslöts den välkända tekniken Chilled Ammonia eftersom denna kräver mycket plats.
Under 2020 byttes en panna (P2) ut på Högdalenverket och ersättes med en ny (P8), vidare förklaring av detta görs i 3 Fallbeskrivning. Eftersom väldigt knapphändiga data angående P8:s rökgassammansättning fanns tillgänglig fick utsläppen från P2 representera de från P8. Pannorna drevs båda av hushållsavfall och P8 har installerats med samma rökgasrening som P2 använde sig av, se 3 Fallbeskrivning. P3 och P2 (nu P8) är kopplade till samma pipa i skorstenen och det var därmed svårt att avgöra hur mycket av rökgaserna och dess sammansättning som skulle allokeras till endast P3. Istället för att osäkerheten skulle ligga i allokeringen var
5
osäkerheten i hur väl P2 kunde ersätta P8. I beräkningar och resultat behandlade därför P2 och P8 som en och samma panna vilket tydliggjordes genom att markera det med P2/P8.
Den oljeeldade pannan som endast används vid behov, P5, beaktades inte heller i masteruppsatsen. Detta var både till följd av bristfällig information kring rökgassammansättning samt att pannan används vid ytterst få tillfällen om året. Eftersom bränslet, och därmed rökgassammansättningen, skiljer sig från de övriga pannorna skulle det även kunna uppstå problem för CC-teknologierna om dessa blir anpassade efter de övriga pannorna. Även två pipor, pipa 1 och 3 uteslöts från fallstudien. Dessa används endast vid tillfällen då en rökgasrening, P0, sätts ur drift vilket sker mycket sällan, se beskrivning under 3 Fallbeskrivning. Eftersom rökgaserna endast går genom en begränsad del av rökgasreningen skulle det även kunna bidra till skador på CC utrustningen.
6
2 Teori
I det här avsnittet beskrivs de metoder som finns för att avskilja CO2 från rökgaser i efterförbränningssystem. Vidare beskrivs de fyra CC-teknologierna som behandlades i masteruppsatsen mer i detalj. Slutligen beskrivs kortfattat CO2-upptagningsförmågan för teknologierna.
2.1 Beskrivning av koldioxidavskiljningsteknologier
Tekniken för att separera och fånga in CO2 från gasblandningar har funnits sedan 1920 talet men har främst använts för att separera CO2 från naturgas (International Energy Agency, u.å.). Idén om att fånga in och lagra CO2 från förbränningsprocesser i syfte att minska utsläppen till atmosfären uppkom först under slutet av 1970 talet. Även om tekniken är väl utvecklad för naturgas är det svårt att applicera direkt på till exempel rökgaserna från förbränning av biobränsle eller avfall eftersom sammansättningar, temperaturer, tryck med mera skiljer sig väsentligt åt mellan de olika bränslena (Dutcher, et al., 2015). Den typ av förvaring som idag används för kommersiellt bruk är geologisk, vilket innebär att CO2 lagras i till exempel sedimentära bergarter, saltvattenakviferer eller förbrukade olje- och naturgasreservoarer (Rackley , 2016).
Ett vanligt begrepp som används inom CCS är Technology Readiness Level (TRL) som beskriver hur välutvecklad en teknologi är. Den brukar anges på en skala ett till nio där ett innebär att det endast är ett koncept medan vid nio är den fullt utvecklad och används kommersiellt, se Figur 2 (Bui, et al., 2018).
Figur 2: Beskrivning av TRL-skalan från 1 till 9
CC-teknologierna är uppdelade i tre kategorier: förförbränning, syrgasförbränning och efterförbränning (Rackley , 2016). Den förstnämnda, förförbränning, innebär såsom namnet antyder att CO2 fångas in innan förbränningen sker. Oftast sker detta genom att ett kolbaserat bränsle blandas med luft för att oxideras under högt tryck och höga temperaturer vilket skapar en syntetisk gas bestående av främst vätgas och CO2. CO2 separeras därefter från gasblandningen medan vätgasen används för förbränning, till exempel i en gasturbin. Vid syrgasförbränning tillförs rent syre vid förbränningen av bränslet i syfte att skapa närapå ren CO2 som rökgas. Detta innebär att CO2 inte behöver separeras från en rökgasblandning utan nästintill ren CO2 kan fångas in direkt efter förbränningen. Den sista kategorin, efterförbränning, är den som behandlades i denna uppsats.
7
Tekniken innebär att rökgaserna fångas in och separeras, med någon av teknikerna beskrivna nedan, efter att förbränningen har skett. En fördel med denna är att CC-teknologin kan integreras på redan befintliga verk och processer. Det finns en rad olika teknologier för att separera CO2 från övrig gasblandning. De två vanligast förekommande i litteratur är kemisk- och fysisk absorption och adsorption.
Kemisk absorption är den vanligaste och mest kommersiellt använda metoden för att separera CO2. Metoden bygger på att en absorbent, ofta amin eller kolbaserad, reagerar med CO2 och bildar svaga intermolekylära föreningar (Isa, et al., 2018). Genom antingen temperatur- eller tryckdifferenser kan CO2 åter frigöras i en regenereringsprocess som sker i regenereringskolonnen, eller i strippern som det också kallas. En annan metod är fysisk absorption som istället bygger på att CO2 absorberas i en organisk eller oorganisk fysisk absorbent (Rackley , 2016). Lösligheten av CO2 ökar med högre partiellt tyck och därför är fysisk absorption fördelaktigt i applikationer med hög CO2 koncentration. Kemisk absorption är tvärtom fördelaktigt att använda i applikationer med lägre CO2 koncentration, exempelvis då CO2 separeras från rökgaser i ett kraftvärmeverk. För användning av konventionella teknologier med kemisk absorption är det optimalt med ett intervall mellan 10 – 20 procent CO2 i rökgaserna (BluCarbon Solutions, 2021)1.
Vid separation av CO2 med adsorption tillsätts en adsorbent varvid atomer och molekyler formas på adsorbentens yta, kallat adsorbat (Rackley , 2016). Bindningen mellan adsorbatet och adsorbentens yta kan antingen vara kemisk eller fysisk. De fysiska bindningarna är svagare än de kemiska vilket innebär en lägre adsorptionsvärme, det vill säga att mindre energi frigörs vid adsorption. Fysiska adsorbenter är därför att föredra för applikationer med lägre temperatur medan kemiska adsorbenter är att föredra för applikationer med högre temperatur. Adsorption för att separera CO2 är fördelaktigt att använda då det är applicerbart för många temperaturer och tryck. Det är dessutom fördelaktigt att använda när koncentrationerna av CO2 är låga.
I masteruppsatsen behandlades fyra teknologier som alla bygger på kemisk absorption eller adsorption. Dessa var Aminteknologin, HPC, 3C och Svante. De tre första nämnda teknikerna bygger på absorptionsteknik för att separera CO2 från de övriga rökgaserna medan den sista, Svante, bygger på adsorptionsteknik. Aminteknologin och HPC är välkända tekniker som har använts under en längre tid, medan de andra två är nya och inte lika utvecklade.
2.1.1 Aminteknologi
Aminteknologin är en av de mest etablerade teknikerna för att separera CO2 och har använts sedan 1930-talet för att separera CO2 från naturgas och vätgas (Rochelle, 2009). Teknologin ligger på TRL 9 (Kearns, et al.,
8
2019). Figur 3 visar en schematisk bild över processen inspirerad av Dutcher et al (2015). Tekniken använder en så kallad temperatursvingprocess där en vattenblandad aminlösning absorberar CO2 från rökgaserna i absorptionskolonnen under låg tempereratur för att sedan regenereras under hög temperatur i regenereringskolonnen. Absorbenten tillsätts i toppen av absorptionskolonnen och rökgaserna tillförs i botten. När dessa möts reagerar de med varandra varvid CO2 och H2O absorberas. De renade rökgaserna fortsätter ut till atmosfären i toppen av absorptionskolonnen. Den CO2-rika absorbenten samlas i botten av absorptionskolonnen och förs vidare till nästa steg i processen, det vill säga till regenereringskolonnen till höger i Figur 3. Den CO2-rika lösningen värmeväxlas innan den når regenereringskolonnen för att höja dess temperatur innan regenerering. De koldioxidfyllda aminerna leds nedåt i kolonnen varvid CO2 och H2O regenereras med hjälp av hög temperatur. I botten av regenereringskolonnen finns en värmeväxlare som värmer lösningen med mättad lågtrycksånga. I kraftvärmeverk är det vanligt att använda ångan från den befintliga ångcykeln för uppvärmning. CO2-fattig absorbent samlas i botten av kolonnen, återförs till absorptionskolonnen och återanvänds i absorptionsprocessen. Ångan innehållande CO2 och H2O som regenererats stiger till toppen av kolonnen och går genom en kondensator för att kylas till en temperatur på 40 grader och för att avskilja vatten. Slutligen komprimeras och kyls CO2 ytterligare för att transporteras vidare till slutförvaring.
Figur 3: Schematiskt bild över aminteknologin inspirerad av (Dutcher, et al., 2015)
Aminer är organiska föreningar som härstammar från ammoniak (NH3) men där en, två eller tre väteatomer har ersatts av kolvätegrupper (Nationalencyklopedin, u.å.a). Den mest använda och studerade aminen i aminteknologin är monoetanolamin (MEA) eftersom den bland annat anses billig, ha hög förmåga att
9
absorbera/regenerera CO2 och hög vattenlöslighet. På senare tid har emellertid flera andra aminer studerats vilka, på vissa områden, visat sig ha bättre egenskaper än MEA (Gouedard, et al., 2012). En aminlösning med 30 procent MEA behandlades som basfall i denna masteruppsats. Övriga aminer studerades som förbättringspotential och de som benämnts i uppsatsen presenteras i Tabell 1. Det är även möjligt att tillsätta blandningar av flera aminer. Till exempel används piperazine (PZ) sällan ensam utan tillsätts som katalysator för att öka reaktionshastigheten i absorptionskolonnen. Aminerna kan delas upp i tre grupper: primära, sekundära och tertiära. Hos primära aminer har en väteatom i NH3 ersatts med en kolvätegrupp, hos sekundära aminer har två väteatomer ersatts och hos tertiära aminer har tre atomer ersatts. Detta korresponderar med olika typer av egenskaper.
Tabell 1: Aminer som beaktades i uppsatsen, deras typ och den förkortning som fortsättningsvis tillämpades
Amin Förkortning Typ
Monoetanolamin MEA primär
2-amino-2-metylpropan-1-ol AMP primär
dietanolamin DEA sekundär
piperazine PZ sekundär
Metyldietanolamin MDEA tertiär
Den kemiska reaktionen som sker i skrubbern är att aminerna reagerar med CO2 och bildar främst karbamater och bikarbonater (Dutcher, et al., 2015; Nationalencyklopedin, u.å.c; Nationalencyklopedin, u.å.b). Karbamater är kemiska föreningar som innehåller gruppen NH–COO– medan bikarbonater (HCO3) är kemiska föreningar innehållandes en vätekarbonatjon (HCO3-).Reaktionerna beskrivs nedan enligt ekvation 1 och 2, där R1 och R2 representerar kolvätegrupper. Vid användning av tertiära aminer, såsom MDEA, kan endast den understa reaktionen, ekvation 2, ske eftersom karbamater inte kan bildas från tertiära aminer.
2R1R2NH + CO2 ⇄ (R1R2NH2+)( R1R2NCOO-) [1]
R1R2NH + CO2 + H2O ⇄ (R1R2NH2+)(HCO3-) [2]
Fördelar med aminteknologin jämfört med andra på marknaden är att den är den mest studerade, välutvecklade och använda tekniken. Tekniken har ett lågt elbehov men högt värmebehov till följd av ångan som krävs för regenerering. (Dutcher, et al., 2015). Aminer har även snabb absorptionsförmåga. Nackdelar är däremot att
10
aminer är hälsofarliga ämnen och kräver speciella rutiner för hantering. Vidare kan oxidativa förhållanden och höga temperaturer bidra till nedbrytning av aminerna (Mazari, et al., 2015). Föroreningar såsom kväveoxider (NOx) och svaveloxider (SOx) kan även reagera med aminerna och skapa oönskade biprodukter. Alla typer av nedbrytningsprocesser förklaras närmare i 5.1.1 Påverkan på aminteknologin.
2.1.2 Hot Potassium Carbonates
HPC liknar aminteknologin till dess uppbyggnad vilket kan ses i Figur 4 inspirerad av Hu et al. (2016) och Levihn et al. (2019). Teknologin ligger på 9 på TRL skalan, det vill säga samma nivå som aminteknologin (Kearns, et al., 2019). Metoden är, som tidigare beskrivna teknik, baserad på kemisk absorption men istället för en aminbaserad absorbent används kaliumkarbonat (K2CO3). Till skillnad från aminteknologin är HPC är en så kallad trycksvingprocess vilket innebär att CO2 fångas in under högt tryck och frigörs då trycket minskar. Det innebär att rökgaserna komprimeras innan de leds in i absorptionskolonnen. Trycksvingsprocessen bidrar till att mindre regenereringsenergi behövs för att regenerera CO2, men tillförs i en viss mängd för att påskynda processen.
Figur 4: Schematiskk bild över HPC teknologin inspirerad av (Levihn, et al., 2019; Hu, et al., 2016)
Reaktionen som sker i absorptions- respektive regenerationskolonnen är en reversibel process. I absorptionskolonnen beskrivs reaktionerna enligt ekvation 3 och i regenereringskolonnen enligt ekvation 4.
11
K2CO3 + CO2 + H2O à 2HCO3-1 + 2K+ [3]
2HCO3-1 + 2K+ à K2CO3 + CO2 + H2O. [4]
Det finns ett antal fördelar med att använda K2CO3 och dessa är dess låga toxicitet och låga kostnad. Dessutom är den resistent mot nedbrytning, har hög kemisk löslighet av CO2 i karbonat/bikarbonat system, låg regenerationsenergi och låg lösningsförlust (Isa, et al., 2018). Vidare är K2CO3, jämfört med en aminbaserad absorbent, mindre korrosiv och mer miljövänlig. Genom att tillsätta korrosionsinhibitorer kan problemet med korrosionsbenägenheten minskas ytterligare. En av de största nackdelarna med att använda K2CO3 är den låga reaktionshastigheten (Hu, et al., 2016). Genom att addera katalysatorer till lösningen ökar reaktionshastigheten och därmed minskar storleken och kostnaderna för utrusningen. Ett exempel på en katalysator är PZ, en typ av amin som nämns i föregående avsnitt 2.1.1 Aminteknologi som har visat goda resultat när det kommer till förbättring av reaktionshastigheten. Höga halter av föroreningar i rökgaserna kan bidra till utfällningar vilket kan skada utrustningen (Hu, et al., 2016), vilket behandlas vidare i 5.1.3 Påverkan på HPC.
2.1.3 Compact Carbon Capture
Compact Carbon Capture (3C) är en teknologi för att fånga in CO2 och ägs av företaget med samma namn. Det första patentet på teknologin beviljades redan 1999 men utveckling av tekniken började först 2007 (Compact Carbon Capture , 2019a). Tekniken består, precis som konventionella CO2-avskiljningssystem, av en absorptionskolonn och regenereringskolonn. En skillnad hos 3C jämfört med konventionell teknik är att kolonnerna är roterande (Fiveland & Strand, 2014). Rökgaserna förs först in i absorptionskolonnen där CO2 absorberas. Absorbenten kan vara olika typer av lösningar, vanligast är användning av aminer. Precis som i andra konventionella CO2-avksiljningssystem kan även olika katalysatorer adderas i lösningen för att förbättra dess egenskaper. Att avskilja CO2 med aminer är en mogen teknologi medan den roterande packningen är ny,
det gör att 3C bedöms ligga på TRL 7 nivå i TRL-skalan men kommer sannolikt höjas inom något år (BluCarbon Solutions, 2021)2.
Absorptionskolonnen är uppbyggd av ett antal roterande packade bäddar (RPB), se Figur 5 för en schematisk bild över kolonnen skissade efter patentbeskrivningar av Asbjørn (2019). Bäddarna roterar vanligtvis längs en vertikal axel. Rökgasen förs in i nedre delen av RPB-systemet, se blå pilar i Figur 5, och kan, om nödvändigt, sprayas med vatten vid inloppet för att kyla gasen. I de första bäddarna sker sedan absorptionen där gasen reagerar med absorbenten. När rökgasen har passerat de första absorberande bäddarna leds gasen vanligtvis genom en eller flera bäddar som tvättar gasen genom att spraya vatten över bädden för att separera solvent och
12
aerosoler som kan vara närvarande i rökgaserna. Efter tvättning kan även en torr RPB användas för att separera vätska ur gasen. I Figur 5 är systemet illustrerat med tre bäddar för absorption, därefter en bädd föreställande den del där tvättning sker och högst upp en torr RPB. Antalet av alla de olika bäddtyperna kan variera och tvättning eller torr RPB kan även vara frånvarande i vissa system.
Absorbenten leds i rörledningar längs den vertikala axeln, se de röda pilarna i Figur 5 (Asbjørn, et al., 2019). De leds ut i bäddarna genom munstycken som distribuerar lösningen jämt över den inre delen av bäddarna. Centrifugalkraften som uppstår genom att systemet roterar leder till att lösningen sprids ut genom bäddarna fram till ytterkanten. Absorbenten fastnar längs vägen i den porösa bädden. Den CO2-fyllda absorbenten fångas upp i utsidan av systemet varifrån vätskan leds över till regenereringskolonnen.
Figur 5: Schematisk bild över absorptionskolonnen i Compact Carbon Capture teknologin inspirerad av (Asbjørn, et al., 2019)
Figur 6 visar en schematisk bild över regenereringskolonnen i 3C teknologin skissad efter patentbeskrivningen av Fiveland & Andersen (2015) och Fiveland & Strand (2014). Regenereringskolonnen är, likt absorptionskolonnen, roterande och roterar kring den horisontella axeln. Kolonnen består av en processdel (se höger sida av Figur 6) och ett ångsystem (se vänster sida i Figur 6), vilka är helt separerade från varandra. Det möjliggör för de olika delarna att arbeta under olika tryck. CO2 med högre tryck kan på så sätt levereras från
13
kolonnen och därmed behöver CO2 inte trycksättas innan transport och lagring i samma utsträckning. Den CO2-rika absorbenten leds från absorptionskolonnen till processidan av regenereringskolonnen och förs vidare till mitten av cylindern. Där sitter munstycken som fördelar den CO2-rika absorptionsvätskan. Vätskan tvingas ut till utkanten av cylindern på grund av centrifugalkraften som uppstår då cylindern roterar. Regenereringen av CO2 sker vid kolonnens ytterkant där en värmeväxlare uppbyggd som ett rörsystem är belägen. Den CO2 -rika absorptionslöningen värms upp av ångan som levereras från ångsystemet och på så sätt frigörs CO2 och H2O. Kolonnen är utrustad med ett antal packade bäddar som den regenererade CO2 och H2O strömmar igenom till mitten av cylindern innan de lämnar kolonnen via ett utlopp på processidan. På så sätt värms den CO2-rika lösningen upp samtidigt som CO2 och H2O kyls, vilket sparar energi i och med att mindre energi krävs till regenereringen och mindre energi till att kyla CO2 och H2O. Packade bäddar finns även i mitten av cylindern innanför spraymunstyckena för att ta bort evaporerad absorbent i ångan med CO2 och H2O. Regenereringskolonnen innehåller en teknik för att återvinna kinetisk energi från ångkondensat och absorptionslösningen när de förs bort från deras respektive kammare (Fiveland & Strand, 2014; Fiveland & Andersen, 2015). Tekniken är statisk och omvandlar kinetisk energi till hydrodynamisk energi och tryck genom att vätskan förs genom ett rör med minskande area. På så sätt kan pumpar undvikas vilket sparar energi och minskar kostnader.
Figur 6: Schematiskt bild över regenereringskolonnen i Compact Carbon Capture teknologin inspirerad av (Fiveland & Andersen, 2015; Fiveland & Strand, 2014)
Företagets huvudidé är att göra CC-teknologin mer tillgänglig, mindre kostsam och minska dess storlek (Compact Carbon Capture , 2019a). Designen möjliggör enligt företaget en kompaktare absorptions- och regenereringskolonn och således att arealåtgången för utrusningen samt att investerings-, drifts- och underhållskostnader minskar. En annan fördel med 3C är att risken för oxidativ- och termisk nedbrytning sägs
14
vara lägre än konventionell aminteknologi (Fiveland & Andersen, 2015). Wang et al (2015) beskriver i sin artikel ett antal processintensifierings (PI) teknologier, där RPB är en av dom. Artikeln beskriver några fördelar med PI teknologier såsom att de har möjlighet att reducera kostnad och kolonnstorlek, vilket bekräftar de fördelar som 3C beskrivits med. Till skillnad från konventionella RPB använder 3C sig av så kallade cross-flow RPB vilket innebär att solventflödet korsar rökgasflödet istället för att färdas i samma riktning (Asbjørn, et al., 2019). Detta ska ge några fördelar såsom en större kontaktyta mellan absorbenten och rökgaserna vilket ökar kinetik och upptagningsförmåga hos solventen.
2.1.4 Svante
Svante Inc är ett företag baserat i Kanada som började utföra laborationer och fältstudier kring CC-teknologin år 2005. Ett antal pilotanläggningar har konstruerats, bland annat en demo-pilotanläggning på kraftverket WA Parish Electric Generating Station i Texas 2016 (NRG Energy Inc, 2016). Den första större testanläggningen sattes i bruk 2019 på cementanläggningen Lafraige i Kanada vilken använder sig av avfall som bränsle (Svante, 2020d; Svante, 2020c). Testanläggningen kan hantera ett flöde på 1 ton CO2 per dygn. Under 2020 startade därutöver ett projekt för att i framtiden kunna installera en anläggning på en cementfabrik i Colorado i USA som skulle ha potential att fånga in två miljoner ton CO2 per år. Svante ligger i nuläget på TRL 6 men förväntas uppnå TRL 7 inom en snar framtid Kearns, et al., 2019).
Svante är en intensifierad temperatursvingsprocess med adsorption och deras patenterade process kallas VeloxoThermTM. Intensifieringen har möjliggjorts delvis genom att använda fasta adsorbenter istället för vattenlösliga, som tidigare beskrivna CC-teknologier använt sig av. Den fasta adsorbenten är ett nanomaterial och enligt företaget ska nanomaterialet verka 40 – 100 gånger så snabbt som traditionell trycksvingsprocess med adsorption. Det innebär att processen tar cirka en minut istället för en eller flera timmar (Svante, 2020g). En annan del av intensifieringen består i att Svanteteknologin använder sig av strukturerade bäddar vilket skiljer sig från den traditionella tekniken med packade bäddar. Packade bäddar har fördelen att de möjliggör en kontinuerlig drift till låg kostnad men de har däremot långa cykeltider (Hedin, et al., 2012). Utöver en minskad cykeltid bidrar strukturerade bäddar till lägre tryckfall, ökad värmeöverföring och en jämnare temperaturfördelning, vilket i sin tur ökar CO2-upptagningsförmågan.
Svante använder sig av en roterande teknologi för adsorption och regenerering. Nanomaterialen är placerade vertikalt i den roterande bädden som sedan roterar mellan fyra olika rör. Ett rör för rökgaserna där CO2 adsorberas, ett rör med lågtrycksånga där CO2 frigörs och två rör där nanomaterialen först torkas med varm luft och därefter kyls med en kall luftström, se Figur 7 inspirerad av företagets egen beskrivning av processen (Svante, 2020f). Svante använder sig av en direkt trycksvingsprocess vilket innebär att de inte använder värmeväxlare utan ångan som används för uppvärmning är i direkt kontakt med bädden (Bonjour, et al., 2002).
15
Efter regenereringen kondenseras ångan för att få ut ren CO2 (Svante, 2020b). Kylningen efter att CO2 frigjorts sker med kall luft som strömmar igenom nanomaterialen och krävs för effektiv adsorption därefter.
Figur 7: Schematisk bild över Svante inspirerad av (Svante, 2020f). Till vänster ses teknologin från sidan och till höger från ovan
Vilken typ av nanomaterial som används menar företaget är anpassningsbart, och enligt patentbeskrivningar kan ett 50-tal olika material användas (Boulet & Khiavi, 2017a; Boulet & Khiavi, 2017b). Företaget nämner speciellt två material, aminmodifierad kiseldioxid och metallorganiska ramverk (eng.: metal organic framework, MOF), vilka beskrivs med fördelaktiga egenskaper såsom höga reaktionshastigheter och låga energibehov (Svante, 2020e). Dessa två material är de som kommer att studeras närmare i denna masteruppsats. Det vanligaste modifierade kiseldioxidmaterialet är aminmodifierad. Det porösa kiseldioxidmaterialet har attraktiva egenskaper såsom hög ytarea, stora och justerbara porstorlekar, god mekanisk stabilitet och bra egenskaper för modifiering (Zhang, et al., 2018). Ren kiseldioxid är inte optimal för adsorption på grund av de hydroxylgrupper som är fästa till dess yta som hindrar materialet från att binda till CO2 (Ma, et al., 2017). Däremot kan materialet modifieras för att öka dess CO2-upptagningsförmåga, till exempel genom tillsättning av aminer. Aminerna som används är ofta längre kedjor med en kombination av primära, sekundära och/eller tertiära aminer (Zhang, et al., 2018).
De två vanligaste sätten att addera aminer är antingen genom att impregnera ytan på materialet med dem eller att kemiskt tillsätta aminerna genom ympning där aminerna polymeriseras och fäster inuti porerna på materialet (Lashaki, et al., 2019). En fördel med att använda amin-impregnerad kiseldioxid framför amin-ympning är att den vanligtvis har en högre CO2-upptagningsförmåga eftersom fler amingrupper kan binda till materialet
16
(Lashaki, et al., 2019). Däremot har den lägre adsorptionshastighet och mindre tålighet mot höga temperaturer. På grund av dess svagare bindningar har amin-impregnerade kiseldioxider dessutom högre förluster i form av läckage och avdunstning av aminerna. Det senare är speciellt ett problem vid höga temperaturer i regenereringskolonnen men i vilken grad det sker beror på vilken amin som används och dess stabilitet. För att minska aminläckage kan antingen aminer med hög kokpunkt användas alternativt kan lägre temperatur vid regenerering tillämpas (Zhang, et al., 2018).
Det andra studerade nanomaterialet är MOF. MOFs kräver lägre temperaturer vid regenerering av CO2 jämfört med exempelvis aminteknologin (Olajire, 2018) och kan på ett effektivt sätt adsorbera CO2 på grund av sin stora ytarea, höga porositet och mikrostruktur (Younas, et al., 2020). MOF är uppbyggda av ett nätverk med metall-organiska ligands som bildar en tredimensionell struktur. Ligandsen bildas genom att organiska länkar binder till en central metallatom. De vanligaste metallerna som används är zink, koppar, magnesium och järn, men går att anpassa vilket är en fördel med MOF (Olajire, 2018). Ligandsen kan modifieras både kemiskt och strukturellt för att erhålla de egenskaper som önskas och öka CO2-upptagningsförmågan. I porerna och kanalerna kan CO2 fångas upp och dessa kan vara i storlek från nanometer till ångström. Porernas storlek har betydelse för CO2-upptagningsförmågan och generellt ökar CO2-upptagningsförmågan med små porer och större ytarea (Olajire, 2018). Mindre porer adsorberar CO2 framför andra gaser vilket är en viktig aspekt för en effektiv CO2-upptagning. I efterförbränningssystem, och i de förhållandena som råder i dessa system, binder CO2 till MOFs yta med hjälp av Van der Waals eller kovalenta bindningar (Younas, et al., 2020).
2.1.5 Koldioxidupptagningsförmåga
Olika CC-teknologier har olika CO2-upptagningsförmåga och dessutom går det att designa och anpassa tekniken efter önskad upptagningsförmåga. För att bestämma CO2-upptagningsförmågan bör en teknoekonomisk analys göras eftersom en ökad upptagning av CO2 resulterar i ökade kostnader. Enligt Jiang et al. (2020) är standarden för CO2-upptagningsförmågan för aminteknologin cirka 90 procent men det pågår studier kring hur den skulle kunna förbättras till 96–99 procent. Även Rochelle (2009) uppger att 90 procent brukar vara den kapacitet som räknas på vid konceptdesign. När det kommer till HPC teknologin uppger Oexmann et al. (2008) att CO2-upptagningsförmågan ligger runt 90 procent. Dessutom siktar Stockholm Exergi på att uppnå en upptagningsförmåga på mer än 90 procent för HPC teknologin som studeras på Värtaverket (Dahlén, 2021)3. När det kommer till 3C är enligt Asbjørn et al. (2019) graden av massöverföring något högre jämfört med konventionella tekniker. Vidare nämns att CO2-upptagningsförmågan ligger mellan 80 och 90 procent för en enskild stor roterande packad bädd, men att den ökar och blir effektivare om roterande packade
17
bäddar används i serie med varandra. Som tidigare nämnt kan olika nanomaterial användas som adsorbenter i Svanteteknologin och därmed varierar CO2-upptagningsförmågan beroende på vilket material som används. Enligt Chen et al. (2015) varierar CO2-upptagningsförmågan generellt mellan 85 och 95 procent. I den demo-pilotanläggning som installerades i Texas visade anläggningen en CO2-upptagningsförmåga på 90 procent (NRG Energy Inc, 2016).
18
3 Fallbeskrivning
Stockholm Exergi är ett energibolag som levererar elektricitet och fjärrvärme inom Stockholmsregionen samt driver en viss mängd fjärrkyla från flera anläggningar runt om i Stockholms län (Stockholm Exergi, u.å.e). Utvecklingen av CCS och bio-CCS är en del av ett pågående forskningsprojekt inom Stockholm Exergi och hittills har studier utförts på Värtaverket där en forskningsanläggning för bio-CCS invigdes 2019 (Stockholm Exergi, u.å.f). Värtaverket är Stockholm Exergis största kraftvärmeverk med en basanläggning, KVV8, som drivs av fast biobränsle av restprodukter från skogs- och sågverksindustrin (Stockholm Exergi, u.å.g). Målet är att skapa en fullskalig bio-CCS anläggning på Värtaverket, helst redan till 2022, vilket skulle ha en potential att fånga in 800 000 ton CO2 varje år, enligt företaget. Detta kan jämföras med att utsläppen från fossila bränslen
för el- och fjärrvärmeproduktion år 2019 uppgick till 1 000 000 ton CO2 enligt Naturvårdsverket (2020).
Denna masteruppsats undersöker potentialen att expandera forskningen till ett annat verk, Högdalenverket. Högdalenverket är beläget i ett industriområde i Högdalen, söder om Stockholm, och har varit i bruk sedan 1970 (Stockholm Exergi, u.å.b). Ett av de problem som har identifierats som ett potentiellt hinder för implementering är att verket är kompakt med begränsad yta för installering av CCS. Dessutom förbränns avfall på verket vilket har en inhomogen rökgassammansättning som skulle kunna komma till skada på CC-teknologierna. CC-teknologi är dessutom energikrävande och associerade med stora kostnader. I följande kapitel beskrivs Högdalenverkets pannor, rökgasreningar, ångsystem och leverans av el- och fjärrvärme.
3.1 Pannor och rökgasreningar
Högdalenverket består av fem olika pannor med namnen Panna 3 (P3), Panna 4 (P4), Panna 5 (P5), Panna 6 (P6) och Panna 8 (P8), dessa är markerade i Figur 8.
19
Figur 8: En överblicksbild över Högdalenverket
P6 drivs av industriavfall kallat PTP vilket är en förkortning för papper, trä och plast (Stockholm Exergi, 2019). I praktiken innehåller det även annat typ av avfall såsom metaller och annat oönskat material. Innan avfallet förbränns separeras därför metaller och annat icke-önskvärt avfall bort i den mån det är möjligt varefter avfallet finmals. Pannan använder sig av en cirkulerande fluidiserad bädd vilket innebär att avfallet, tillsammans med tillsatt sand, hålls svävande i eldstaden vid förbränningen med hjälp av luftströmmar underifrån (Stockholm Exergi, 2019).
P3, P4 och P8 är rosterpannor som drivs av hushållsavfall. Speciellt P4, men även de andra pannorna i viss mån, blandar ut hushållsavfallet med industriavfall kallat grovkross. Grovkross är i princip samma typ av avfall som P6 använder sig av med skillnad att det inte är lika behandlat och finfördelat (METLAB miljö AB, 2020a). P8 ersatte år 2020 en tidigare rosterpanna kallad P2 som fortsatt varit i bruk under P8:s uppstart året ut för att säkra leverans av elektricitet och fjärrvärme under P8:as testperiod. P8 drivs av samma bränsle som P2 och är kopplad till samma rökgasrening och pipor som P2 var ansluten till. En skillnad är att P2:s panneffekt var knappt hälften av panneffekten hos P8. P5 drivs av olja och är en så kallad spetslastpanna som bara används vid effektbrist, då efterfrågan är hög eller vid driftstörning. Den kan drivas både av bioolja och fossil olja kallad eldningsolja 1 (Eo1). Tabell 2 presenterar information om pannorna på Högdalenverket.
