Moderne teknologi for karbonfangst

Som svar på den globale innsatsen for å redusere utslippene av klimagasser, innlemmer mange prosessprodusenter ulike effektivitetsforbedringer og grønne energitiltak i driften. Teknikker for CO₂-fangst, som fanger opp og lagrer denne gassen, er en lovende løsning. Men for at teknologien skal bli tatt i bruk i stor skala, må den utvikles og kostnadene reduseres, slik at den blir mer gjennomførbar.

Når det gjelder forbrenningsrelatert karbonfangst, finnes det to ulike tilnærminger: pre- og post-combustion. Pre-combustion-fangst fanger opp CO₂ før avfyring ved hjelp av metoder som forgassing og reformering.

Post-combustion-fangst skjer derimot etter forbrenningen av brenselet i primærprosessen. Her brukes løsemidler eller andre metoder for å samle opp karbondioksid direkte fra røykgassen. Denne nettsiden fokuserer på post-combustion-fangst. Selv om det er fordelaktig på grunn av ettermonteringspotensialet og den teknologiske modenheten, er det ikke like effektivt som pre-combustion-fangst.

Amingassbehandling er den mest brukte metoden for karbonfangst i industrien. Denne post-combustion-teknikken utnytter de kjemiske egenskapene til aminløsninger, for eksempel monoetanolamin, som har en sterk affinitet for å binde seg til karbondioksid. Prosessen består av følgende:

Røykgassen gjennomgår en renseprosess for å fjerne støv, partikler, svovelholdige forbindelser og andre forurensninger. Denne forbehandlingen beskytter aminløsningen og utstyret mot begroing og korrosjon. Den varme røykgassen kjøles deretter ned til en optimal temperatur (ca. 40-60 °C/104-140 °F) for effektiv absorpsjon av karbondioksid i aminløsningen.

Den avkjølte røykgassen føres inn i bunnen av et absorpsjonstårn, som vanligvis er en sylindrisk beholder fylt med pakningsmateriale for å forbedre kontakten mellom gass og væske. En motstrøms strøm av aminoppløsning føres inn på toppen av tårnet. Når røykgassen stiger opp gjennom tårnet, kommer den i kontakt med den synkende aminløsningen. CO₂ i røykgassen danner en reversibel binding med aminmolekylene og fjernes fra gasstrømmen.

Overføring av karbondioksidrik aminoppløsning: Den karbondioksidrike aminoppløsningen pumpes til et annet tårn, kalt desorber eller regenerator. Denne strømmen måles nøye ved hjelp av Raman-spektroskopiske instrumenter for å sikre effektiviteten i det påfølgende regenereringstrinnet.

I desorberen varmes den karbondioksidrike aminløsningen opp, vanligvis ved hjelp av dampinjeksjon til rundt 110 °C/230 °F. Denne varmen bryter bindingen mellom aminet og karbondioksidet. Den regenererte aminløsningen, som nå er tømt for karbondioksid, renner ned i bunnen av regeneratoren.

Avkjøling og resirkulering av aminløsningen: Den varme, regenererte aminløsningen passerer gjennom en varmeveksler, som overfører noe av varmen til den innkommende karbondioksidrike løsningen og forbedrer energieffektiviteten. Ytterligere nedkjøling bringer aminløsningen tilbake til den optimale temperaturen for karbondioksidabsorpsjon, og den nedkjølte aminløsningen pumpes deretter tilbake til toppen av absorpsjonstårnet for å gjenta syklusen.

Karbondioksidet som frigjøres fra toppen av regeneratoren, komprimeres for å øke densiteten slik at det blir lettere å transportere eller lagre det. Denne utgående strømmen analyseres ofte for renhet ved hjelp av TDLAS-instrumentering. Avhengig av bruksområdet kan karbondioksidet gjennomgå ytterligere rensetrinn for å fjerne forurensninger.

Amingassbehandling har en CO₂-fangsteffektivitet som regelmessig overstiger 90 %. Regenerering er imidlertid spesielt energikrevende, og aminløsningen som brukes i prosessen, brytes ned over tid og må etterfylles. Forskerne jobber med å løse disse utfordringene ved å utforske mer energieffektive regenereringsmetoder, for eksempel ved å bruke spillvarme fra industrielle prosesser. De utvikler også mer robuste aminløsninger med høyere termisk stabilitet og motstand mot nedbrytning.

Membranbasert karbonfangst er en mindre brukt metode som utnytter den selektive permeabiliteten til spesialmembraner for å fjerne karbondioksid fra røykgasstrømmer. Disse membranene består ofte av polymerer eller keramiske materialer, som fungerer som molekylære portvakter. De tillater CO₂ å passere mens andre gasser blokkeres. Den største fordelen med denne metoden er at den krever mindre energi sammenlignet med høytemperatur amingassregenerering.

De viktigste trinnene er:

1. Forbehandling av røykgassen: Før den kommer inn i membransystemet, gjennomgår røykgassen en renseprosess, vanligvis filtrering og skrubbing. Dette trinnet fjerner støv, partikler og andre urenheter som kan tette til eller skade de ømfintlige membranporene. Røykgassen kjøles ofte ned, og fuktigheten justeres til optimale nivåer for det spesifikke membranmaterialet som brukes. Dette sikrer effektiv karbondioksidseparasjon og forhindrer at det dannes kondens i membransystemet.
2. Membranseparasjon: Den forbehandlede røykgassen ledes over membranen, som fungerer som en selektiv barriere. Forskjeller i molekylstørrelse, struktur og affinitet til membranmaterialet gjør at karbondioksidmolekyler passerer membranen raskere enn andre gasser i strømmen, for eksempel nitrogen, noe som resulterer i to produktgassstrømmer: permeat og retentat. Permeatet, som er rikt på karbondioksid, passerer gjennom membranen og samles opp for videre prosessering. Retentatet, som er fattig på CO₂, inneholder de gjenværende gassene. Det slippes enten ut i atmosfæren eller ledes tilbake til den primære industriprosessen.
3. Komprimering og kondisjonering av karbondioksid: Den karbondioksidrike permeatstrømmen komprimeres for å øke densiteten slik at den blir lettere å transportere eller lagre. Avhengig av bruksområdet kan karbondioksidet gjennomgå ytterligere rensetrinn for å fjerne forurensninger.

I tillegg til at membransystemer krever lite energi, tar de lite plass, noe som gjør dem ideelle for bruk i miljøer med begrenset plass. Membranbasert fangst er imidlertid mindre effektiv enn aminbehandling, og små variasjoner i gassstrømmens sammensetning, trykk og temperatur kan påvirke ytelsen negativt.

Aminbehandling og membranbaserte teknikker er de eneste metodene for karbonfangst etter forbrenning som er i bruk i stor skala i dag, men forskere utforsker også andre tilnærminger.

Den første av disse er direkte luftfangst (DAC), som fjerner karbondioksid direkte fra omgivelsesluften. Dette gjøres ved hjelp av kraftige vifter som trekker luft gjennom spesialiserte sorbentmaterialer, for eksempel faste aminer eller hydroksidløsninger som binder seg kjemisk til karbondioksid. Når sorbentmaterialet er mettet, varmes det opp for å frigjøre karbondioksidet, som deretter samles opp for utnyttelse eller lagring.

DAC er en potensiell metode for å fange opp utslipp fra biler og andre kilder. Det er imidlertid betydelige hindringer for å ta i bruk denne teknologien på grunn av skjørt sorbentmateriale, høyt energibehov og høye kostnader sammenlignet med teknologier for punktkildefangst, og nødvendigheten av storskala utplassering for å oppnå meningsfull karbonfangst.

Det forskes på bruk av biomasse som drivstoffkilde. Biomasse, som for eksempel trær, absorberer karbondioksid fra atmosfæren når den vokser. Ved senere å fange opp karbondioksidet som frigjøres under forbrenningen, kan brukerne effektivt oppnå negative utslipp. Dyrking av biomasse krever imidlertid store landområder, vannressurser og nøye vurdering av bærekraften.

For at karbonfangst etter forbrenning skal bli utbredt, må man overvinne de teknologiske og økonomiske hindringene, ikke bare når det gjelder fangst, men også utnyttelse og lagring. Selv om amingassbehandling er svært effektiv, krever den betydelig energiforbruk og regelmessig vedlikehold av løsningsmidlene som brukes. Membranbasert fangst krever derimot mindre energi, men er mindre effektiv. Begge prosessene er dessuten kostbare.

Etter hvert som bransjen streber etter netto nullutslippsmål, vil strategisk diversifisering være avgjørende. For å nå disse målene kreves det en kombinasjon av prosessoptimalisering, generell energieffektivisering, bruk av fornybare ressurser og satsing på karbonfangst. Det er avgjørende å navigere mellom de miljømessige, teknologiske og økonomiske avveiningene i de ulike strategiene for å styrke den generelle bærekraften i industrien i fremtiden.