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.
– 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
– 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
– 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”.
