Przybliżenie kwestii wychwytywania dwutlenku węgla
15 Sep 2023
W celu wzmocnienia nowej głównej linii walki ze zmianami klimatu GEA opracowała szereg rozwiązań z zakresu wychwytywania dwutlenku węgla dostosowanych do potrzeb największych zakładów przemysłowych emitujących dwutlenek węgla.
W ramach walki ze zmianami klimatu stopniowe wprowadzanie odnawialnych źródeł energii, zrównoważonych paliw oraz energooszczędnych rozwiązań z pewnością będzie pomocne, ale samo w sobie niewystarczające. W najbliższej przyszłości kluczowa będzie zdolność wychwytywania CO2 ze źródeł punktowych w celu ponownego wykorzystania lub długoterminowego składowania pod ziemią. Wychwytywanie dwutlenku węgla jest powszechnie postrzegane jako jedyne istotne rozwiązanie pozwalające w krótkiej perspektywie zahamować emisje CO2 i utrzymać światowy trend realizacji celów klimatycznych.1
Wychwytywanie węgla jest stosowane od dziesięcioleci w celu przekształcania gazu ziemnego w paliwo nadające się do sprzedaży lub wtryskiwania odzyskanego CO2 w pola naftowe w celu zoptymalizowania procesu wydobycia ropy. Ale przy współczesnym poziomie emisji CO2 wśród największych zakładów przemysłowych wychwytywanie dwutlenku węgla zupełnie zmienia swoją naturę. Podczas gdy w przypadku przedsiębiorstw z sektora wydobycia ropy i gazu od zawsze od stosowano mocne zachęty ekonomiczne do oddzielania CO2 ze strumienia produktów, w przypadku producentów cementu i stali takich zachęt nie stosowano. Np. w Europie przedsiębiorstwa emitujące dwutlenek węgla stawiają czoła wyzwaniu polegającemu na konieczności inwestowania w technologie wychwytywania CO2 i dlatego odpowiednio podnoszą ceny, mimo iż nadal konkurują z producentami z krajów, w których nie stosuje się ustawodawstwa w zakresie CO2. I nie mogą pozwolić sobie na czekanie. Oczekiwanie działań z zakresu walki ze zmianami klimatu – zarówno ze strony ustawodawcy, opinii publicznej, jak i samej planety – jest zwyczajnie zbyt duże i zbyt naglące.
W skrócie: obecnie zakłady przemysłowe emitujące dwutlenek węgla potrzebują szybkiego, skutecznego i taniego sposobu na wychytywanie i usuwanie CO2.
Misja GEA w zakresie wychwytywania dwutlenku węgla
Jako dostawca systemów z zakresu kontroli emisji z wieloletnim doświadczeniem, GEA skupia się dziś na wspieraniu przedsiębiorstw przemysłowych emitujących największe ilości dwutlenku węgla we wdrażaniu rozwiązań z zakresu wychwytywania dwutlenku węgla. „Aby zrealizować obietnicę dotyczącą wychwytywania dwutlenku węgla, wdrażanie technologii w różnych sektorach musi stać się tańsze i łatwiejsze” – tłumaczy dr Felix Ortloff, dyrektor zarządzający GEA Carbon Capture Solutions. Ortloff wraz z zespołem skupili się przede wszystkim na pięciu sektorach gospodarki – produkcji cementu, żelaza i stali, hut szkła, produkcji środków chemicznych oraz bioenergii – i opracowali szereg rozwiązań z zakresu wychwytywania dwutlenku węgla dostosowanych do indywidualnych potrzeb. „Po pierwsze wiele z tych firm musi znaleźć odpowiedź na zmiany w ustawodawstwie i stosować się do własnych strategii ograniczania zużycia energii do poziomu zero netto, dlatego muszą zacząć działać dosyć szybko” – dodaje Ortloff. „Po drugie, bez ogromnych dotacji najprawdopodobniej zdecydują się działać w małej lub średniej skali, aby udźwignąć koszty projektu i ewentualnie zwiększyć możliwości na kolejnym etapie ekspansji. Po trzecie, poszukują rozwiązania o ograniczonym stopniu złożoności. W tym przypadku opcja jednego dostawcy pomaga zmniejszyć ograniczenia baterii. I wreszcie, oczekują rozwiązania, które będą mogli zintegrować ze swoimi działaniami bez konieczności ich przerywania”.
Aby odpowiedzieć na te wymogi, GEA opracowała portfolio kompleksowych rozwiązań z zakresu wychwytywania dwutlenku węgla, którego cztery główne elementy to:
- System odzyskiwania ciepła XECO zapewniający maksymalne oszczędności: ciepło pochodzące z procesów realizowanych w zakładzie oraz gazów odlotowych stanowi dużą część ciepła wymaganego do oddzielania CO2 .
- System wstępnej obróbki gazu SETO zapewniający maksymalną wydajność i długość życia: z gazu odlotowego usuwane są szkodliwe substancje śladowe, co pozwala zmaksymalizować w dłuższym okresie stabilność substancji chemicznych wykorzystywanych do wychwytywania węgla.
- Instalacje wychwytywania dwutlenku węgla CEBO – Cztery różnych rozmiarów instalacje wychwytywania dwutlenku węgla zapewniają klientom dostosowane, ekonomiczne oraz łatwe w montażu rozwiązanie.
- System wykorzystania i sekwestracji CO2 NAVO – Rozwiązania z zakresu oczyszczania, upłynniania, kondycjonowania i przesyłania CO2 pozwala klientom pozbyć się wychwyconego CO2 oraz wykorzystać go ponownie do produkcji przemysłowej lub długoterminowego składowania.
Zdaniem Ortloffa, ogromne doświadczenie GEA w zakresie kontrolowania emisji, odzyskiwania ciepła czy upłynniania i ponownego wykorzystania CO2 – w połączeniu z kluczową wiedzą w zakresie projektowania, instalowania oraz skalowania linii technologicznych – zapewnia firmie ogromną przewagę nad konkurencją. „Nasze kilkudziesięcioletnie doświadczenie w zakresie obróbki gazów odlotowych pozwala nam oferować bardziej ustandaryzowane i bezpośrednie koncepcje z wykorzystaniem tańszych, a jednocześnie trwalszych materiałów” – dodaje. „Dysponujemy także zapleczem finansowym pozwalającym nam rozwijać większe projekty po cenach o wiele bardziej konkurencyjnych od cen niektórych graczy o ustabilizowanej pozycji na rynku. Ponadto dajemy gwarancję wydajności, co pozwala istotnie ograniczyć ryzyko projektowe dla naszych klientów”.
Rozwiązania GEA z zakresu wychwytywania dwutlenku węgla zapewniające optymalną i ekonomiczną redukcję CO2.
Efektywność kosztowa w procesie odzyskiwania ciepła
Najbardziej energochłonnym etapem procesu wychwytywania dwutlenku węgla jest podgrzewanie roztworu amin w podgrzewaczu ciepłej wody w celu desorpcji i oddzielenia CO2 . System odzyskiwania ciepła XECO GEA pozwala zmaksymalizować wykorzystanie dostępnego w instalacji ciepła do zasilania tego etapu procesu i zminimalizowania kosztów operacyjnych.
„Niektóre z dzisiejszych flagowych projektów z zakresu wychwytywania dwutlenku węgla są hojnie finansowane ze środków publicznych, które są niezbędne do zdobycia doświadczenia w zakresie nowej technologii, ale przeważająca większość zakładów przemysłowych emitujących dwutlenek węgla musi finansować systemy wychwytywania dwutlenku węgla z własnych zasobów. Napędzanie procesu wychwytywania dwutlenku węgla za pomocą odzyskanego ciepła to świetny sposób na zminimalizowanie kosztów”
Dr Felix Ortloff, dyrektor zarządzający GEA Carbon Capture Solutions.
Jak zauważa Ortloff, aby system odzyskiwania ciepła był wydajny, musi być także zaprojektowany zgodnie z konkretnymi właściwościami gazu odlotowego stosowanego w instalacji. Inny ważny czynnik stanowi dobór odpowiedniego czynnika cyrkulującego ciepło – czy to oleju grzewczego, czy też pary. „GEA ma długie doświadczenie w zakresie wykorzystywania nadmiarowego ciepła z procesów przemysłowych oraz gazów odlotowych w celu wspomagania klientów w zwiększaniu efektywności energetycznej ich instalacji” – tłumaczy Ortloff. „Na przykład w zakładach produkcji cementu jednym z wyzwań związanych z odzyskiwaniem ciepła jest duże nagromadzenie pyłów z gazów odlotowych w piecu, które może istotnie wpłynąć na długość życia jednostki odzyskiwania ciepła. Nasz system odzyskiwania ciepła XECO sprawdził się już jako rozwiązanie funkcjonujące w tego typu warunkach przez lata, a jednocześnie wykazujące bardzo dużą wydajność w zakresie przesyłu ciepła”.
Także producenci szkła od ponad dziesięciu lat polegają na systemie XECO od GEA zwiększającym wydajność energetyczną. „Produkcja szkła generuje stosunkowo duże ilości ciepła, dlatego nasze rozwiązanie z zakresu wychwytywania dwutlenku węgla może pomóc firmom z tego sektora istotnie ograniczyć emisje CO2 – o około 40-50% – przy niewielkim lub zerowym nakładzie” – tłumaczy Ortloff.
Wstępna obróbka gazu zapewniająca wydajność w dłuższej perspektywie
Od wielu lat GEA dostarcza systemy kontroli emisji dla sektorów produkcji cementu, żelaza i stali, środków chemicznych oraz bioenergii. „Każde przedsiębiorstwo wykorzystuje inny rodzaj gazu odlotowego, a odpowiednia wstępna obróbka gazu odlotowego jest kluczowa dla zapewnienia optymalnej wydajności procesu wychwytywania dwutlenku węgla” – tłumaczy Ortloff. Dzieje się tak, ponieważ typowe gazy odlotowe wykorzystywane w tych sektorach zawierają cząstki śladowe – w szczególności tlenki azotu (NOx), tlenki siarki (SOx), aerozole oraz cząstki stałe, takie jak pył – które wpływają negatywnie na stabilność roztworu amin wykorzystywanego do wychwytywania i usuwania CO2.
Wstępna obróbka obejmuje także kontrolę poziomu wilgotności gazów odlotowych. „Musimy utrzymać stabilny poziom stężenia wody w roztworze amin” – objaśnia Ortloff. „Zbyt wysoka lub zbyt niska zawartość wody w gazie odlotowym spowoduje spadek wydajności”. Ponadto system wstępnej obróbki gazów odlotowych GEA pozwala obniżyć ryzyko tworzenia się osadów w systemie wychwytywania dwutlenku węgla, co istotnie wpływa na koszty konserwacji.
Znajomość indywidualnego profilu gazu odlotowego wykorzystywanego w każdej z tych branż pomogła GEA w opracowaniu systemu wstępnej obróbki gazu SETO w sposób umożliwiający indywidualną konfigurację linii oczyszczania gazu. „Nasze doświadczenie w zakresie wstępnej obróbki gazu pozwala nam bez problemu włączać proces oddzielania CO2 do każdej linii gazu odlotowego klienta w celu obniżania kosztów operacyjnych i zapewniania stabilniejszego poziomu wydajności procesu wychwytywania dwutlenku węgla” – dodaje Ortloff.
Sprawne wychwytywanie dwutlenku węgla
Instalacje wychwytywania dwutlenku węgla CEBO GEA działają w oparciu o najnowsze technologie wychwytywania CO2 na bazie amin. Technologie te obejmują poddawanie gazu odlotowego wykorzystywanego w instalacji działaniu roztworu amin, które usuwają CO2 poprzez ich wchłonięcie; następnie roztwór jest podgrzewany, co pozwala uwolnić oczyszczony CO2 na potrzeby ostatecznego wykorzystania lub etapu składowania. Praktyka ta jest od dawna wykorzystywana w sektorze wydobycia ropy i gazu, ale obecnie wyzwanie stanowi wprowadzenie rozwiązań z zakresu wychwytywania dwutlenku węgla do wielu innych gałęzi przemysłu emitujących duże ilości dwutlenku węgla w sposób szybki i niedrogi. „Systemy wychwytywania dwutlenku węgla oparte na roztworze amin wykorzystywane w sektorze wydobycia ropy i gazu zazwyczaj są stosowane w przypadku największych projektów o bardzo dużej przepustowości gazu, których stworzenie, zainstalowanie i obsługa są bardzo drogie” – mówi Ortloff. „To najzwyczajniej w świecie nie odpowiada na potrzeby naszych docelowych firm z sektora produkcji cementu, żelaza i stali, szkła, środków chemicznych oraz bioenergii, w których przepustowość gazu oraz budżet są bardzo różne. Aby móc pracować na rzecz firm z tych sektorów, potrzebujemy prostszego i bardziej sprawnego podejścia”.
GEA oferuje cztery różnej wielkości instalacje wychwytywania dwutlenku węgla – o zdolnościach oddzielania na poziomie od 16 do 200 ktpa CO2 – w oparciu o średnią ilość ciepła dostępną w innych przedsiębiorstwach.
„W dużym zakładzie produkcji cementu dostępna ilość ciepła może umożliwiać wychwytywanie w pierwszym etapie 20% CO2 zawartego w gazie odlotowym; w przypadku huty szkła wartość ta może mieścić się w przedziale od 40 do 50%”
dr Felix Ortloff, dyrektor zarządzający GEA Carbon Capture Solutions
„Sektor bioenergii jest o tyle ciekawy, że umożliwia osiągnięcie ujemnego poziomu antropogenicznych emisji CO2 netto przy zastosowaniu sekwestracji CO2 . Dzieje się tak, ponieważ wychwycone CO2 pochodzi z rozrostu biomasy, czyli bezpośredniego naturalnego wychwytywania powietrza”.
Projekt instalacji wychwytywania dwutlenku węgla CEBO GEA jest prosty i modułowy. Standardowe 12-metrowe zbiorniki stanowiące swego rodzaju „budulec” są wstępnie składane w celu zapewnienia szybkiej instalacji oraz wyposażone w boczne drzwi ułatwiające dostęp i konserwację. W instalacjach wychwytywania dwutlenku węgla CEBO GEA wykorzystuje się materiały odporne na korozję, np. z tworzywa termoplastycznego lub stali nierdzewnej. Samodzielnie optymalizujący się system kontroli jest przygotowany do obsługi zdalnej, dzięki czemu zapewnia klientom łatwą obsługę oraz szybkie wsparcie techniczne.
System wykorzystania i sekwestracji dla dobra klimatu
W celu zapewnienia pozytywnego wpływu na równowagę klimatyczną przedsiębiorstwa, wychwycony CO2 musi być poddany sekwestracji – na przykład poprzez długotrwałe składowanie pod ziemią – lub wykorzystywany zamiast CO2 pochodzącego ze źródeł kopalnych i wykorzystywanego do produkcji towarów, takich jak napoje czy paliwa. Zarówno w przypadku wykorzystania, jak i sekwestracji wychwyconego CO2 mamy do czynienia ze stosunkowo nowym rynkiem oraz infrastrukturą, co może stanowić dodatkową trudność dla firm, które dopiero zaczynają stosować wychwytywanie dwutlenku węgla.
- Jakie są możliwe opcje ponownego wykorzystania, składowania i przesyłu?
- Jakim wymaganiom w zakresie poziomu czystości, stanu fizycznego, ciśnienia czy temperatury należy sprostać?
- I wreszcie, skąd przedsiębiorstwo może mieć pewność, że będzie w stanie stale odpowiadać na te wymogi w dłuższej perspektywie czasowej?
Systemy wykorzystania i sekwestracji CO2 NAVO od GEA zostały stworzone w oparciu o zdobywaną od lat wiedzę ekspercką firmy w zakresie przetwarzania środków chemicznych, w tym upłynniania, kondycjonowania, przesyłania oraz ponownego wykorzystywania CO2 . „Możemy kondycjonować CO2 zgodnie z zapotrzebowaniem i przygotować punkt połączenia na potrzeby transportu modułowego lub przesyłu rurociągiem” – objaśnia Ortloff. „W przypadku ponownego wykorzystania w przemyśle najczęściej wykorzystywanym rozwiązaniem jest wysyłanie płynnego czynnika chłodniczego w zbiornikach transportowanych pojazdami ciężarowymi lub koleją przy założeniu, że w Europie (EIGA) wymaga się osiągnięcia co najmniej poziomu 99,9% czystości przy wykorzystaniu w produkcji żywności i napojów.2 Specyfikacje dotyczące przesyłu rurociągiem – np. na potrzeby składowania – są inne”. Ze względu na fakt, że koszt transportu upłynnionego CO2 nadal pozostaje wysoki, GEA poleca przedsiębiorstwom zorientowanie się, czy mają w niedalekiej odległości potencjalnych konsumentów CO2 oraz zapewnia wsparcie w zakresie specyfikacji dotyczących ograniczeń baterii.
- Jako wieloletni partner przemysłu piwowarskiego GEA posiada doświadczenie w odzyskiwaniu CO2 przeznaczonego do kontaktu z żywnością do ponownego wykorzystania w produkcji piwa.
- Dzięki współpracy z partnerami z sektora przemysłowego GEA jest w stanie syntetyzować metanol z CO2 oraz H2 w celu wykorzystywania go jako paliwo, dodatek do paliwa lub element budowy nasion w przemyśle chemicznym.
- Ponadto GEA oferuje swoją wiedzę ekspercką w zakresie produkcji węglanów z wychwyconego CO2 do wykorzystania w wielu sektorach, takich jak produkcja szkła, leków, ścieru drzewnego czy papieru. „Dzięki ogromnemu doświadczeniu GEA w zakresie technologii krystalizacji jesteśmy w stanie pełnić rolę dostawcy technologii na potrzeby projektów obejmujących węglany / dwuwęglany w skali wielu setek ton produkcji dziennie” – tłumaczy Ortloff.
- W celu zapewnienia większej elastyczności GEA oferuje opcję tymczasowego magazynu do składowania wychwyconego CO2.
- Ponadto energia cieplna pozyskiwana ze schładzania i sprężania CO2 może być włączana ponownie do systemu przesyłu ciepła w celu zwiększenia ogólnej wydajności.
Drobnymi krokami ku skutecznemu zrównoważeniu
GEA zaczęła rozwijać portfolio produktów z zakresu wychwytywania dwutlenku węgla w 2021 roku, ponieważ zauważyła możliwość wykorzystania zdobywanego przez kilkadziesiąt lat know-how na nowym kluczowym froncie walki ze zmianami klimatu. Firma zauważyła także, że przedsiębiorstwa emitujące duże ilości dwutlenku węgla, w tym zakłady produkcji cementu oraz żelaza i stali, będą musiały rozpocząć wychwytywanie dwutlenku węgla na mniejszą skalę, zanim przejdą na większe instalacje. „Naszą instalację wychwytywania dwutlenku węgla zaprojektowaliśmy tak, aby umożliwiała usuwanie 90% CO2 , a program pilotażowy potwierdził, że jesteśmy w stanie to osiągnąć” – mówi Ortloff.
„Ale w krótkim czasie dla większości przedsiębiorstw całkowite usuwanie nie jest możliwe. Teraz przedsiębiorstwa emitujące dwutlenek węgla będą musiały porównać koszt inwestycji w systemy wychwytywania dwutlenku węgla oraz koszt kredytów węglowych i w dalszym ciągu stawiać na obie opcje. W miarę jak kredyty będą stawały się mniej dostępne i droższe, przedsiębiorstwa będą zmuszone zwiększyć inwestycje w systemy wychwytywania dwutlenku węgla”
dr Felix Ortloff, Dyrektor Zarządzający GEA Carbon Capture Solutions
W najbliższej przyszłości zapotrzebowanie udziałowców, bardziej restrykcyjne przepisy, zachęty rządowe o większej wartości lub duże zapotrzebowanie rynkowe na systemy wychwytywania CO2 – lub wszystkie te czynniki razem – mogą sprawić, że zakłady przemysłowe będą wychwytywały większą ilość emisji CO2 na potrzeby ponownego wykorzystania lub składowania. „Jesteśmy na to gotowi i już nie możemy się doczekać” – mówi Ortloff. „Ale jednocześnie możemy pomóc emitentom w osiągnięciu skromniejszych zysków już dzisiaj dzięki szybkiemu, ekonomicznemu i skalowalnemu rozwiązaniu. Jeżeli cementownia osiągnie usuwanie CO2 na poziomie 20%, wykona bardzo ważny krok do przodu i zyska pozycję, która umożliwi jej podnieść wydajność w przyszłości”.
