Toepassingen van koolstofafvang in de energietransitie

• Koolstofafvang heeft een zeer klein aandeel onder de technologieën om CO2-emissies te verminderen, maar is wel een cruciale technologie in de energietransitie

• De meest gebruikte koolstofafvangtechnologieën zijn post-combustion, pre-combustion en oxyfuel

• De techniek die wordt gebruikt (binnen de technologie) om CO2 te scheiden is net zo belangrijk

• De kosten van zowel de koolstofafvangtechnologieën als de gebruikte technieken daarin moeten omlaag om het gebruik van CCS op te schalen

Het mondiale klimaatdoel is om tegen 2050 een netto-nulniveau te bereiken en binnen het koolstofbudget te blijven dat is afgestemd op een traject om onder de 2°C graad boven het pre-industriële niveau te blijven en de inspanningen voort te zetten om de temperatuurstijging te beperken tot 1,5°C boven het pre-industriële niveau. Er zijn verschillende manieren om dit doel te bereiken. Ten eerste het beperken en mitigeren van de uitstoot van CO2 en andere broeikasgassen. Ten tweede, de uitstoot CO2 bij verbranding opvangen. Ten derde, CO2 en andere emissies uit de atmosfeer opvangen. Om het doel te bereiken is een combinatie van deze drie manieren nodig.

Tot nu toe hebben onze artikelen over technologieën zich voornamelijk gericht op het eerste punt, het verminderen van emissies. Voorbeelden hiervan zijn het gebruik van duurzamere brandstoffen, batterijtechnologieën en zonne-energietechnologieën. Op dit moment wordt het afvangen van koolstof slechts op relatief kleine schaal gedaan. In 2022 stootte de wereld 37 Gt CO2 uit en werd slechts 46 Mt CO2 afgevangen via CCUS. Dit is slecht 0,1%. Voor 2030 verwacht het Internationale Energieagentschap (IEA) in haar netto-nulscenario dat de uitstoot zal dalen tot 24 Gt CO2 en dat de totale afvangcapaciteit (inclusief operationeel, in aanbouw en gepland) 321 Mt CO2. Dit is dan een capaciteit van 1,3% van de totale uitstoot (zie onderstaande grafieken). Hoewel dit een sterke toename is ten opzichte van 2022, is het nog steeds een zeer klein deel van de CO2-reductie in vergelijking met het totaal.

In dit rapport richten we ons op technologieën die CO2-emissies bij verbranding afvangen. Dit is de CC (carbon capture) van CCUS (carbon capture, utilisation and storage). In toekomstige rapporten zullen we ons richten op technologieën die worden gebruikt om deze emissies op te slaan, om de afgevangen CO2 te gebruiken en de technologieën die CO2 en andere broeikasgassen uit de atmosfeer opvangen. We beginnen eerst met de verschillende koolstofafvangtechnologieën en daarna hebben we aandacht voor de technieken die bij deze technologieën worden gebruikt.

Technologieën voor het afvangen van koolstof

Koolstofafvangtechnologieën hebben betrekking op het afvangen van CO2 uit de verbranding van fossiele brandstoffen. Voor het afvangen van koolstof zijn er verschillende lagen van technologieën. De eerste laag omvat de technologieën van het afvangpunt. De tweede laag van technologieën of technieken omvat de materialen die worden gebruikt om CO2 af te vangen. In deze laag zijn materiaalspecifieke eigenschappen de cruciale variabelen. We beginnen met de eerste laag van technologieën. Er zijn drie belangrijke technologieën die worden gebruikt om koolstof uit de verbranding van fossiele brandstoffen af te vangen: post-combustion, pre-combustion en oxy-combustion.

Post-combustion technologieën

Bij deze technologie wordt CO2 uit de verbranding van fossiele brandstoffen of biomassa afgevangen voordat het in de atmosfeer terechtkomt. Bij CCS na verbranding worden rookgassen met lage CO2-concentraties afgevangen. In het geval van vaste brandstoffen is de CO2-concentratie meestal lager dan 15% (IPCC, 2005; IEAGHG 2013) bij lage druk. Deze technologie voor het afvangen van koolstof is de optie die de voorkeur geniet bij het aanpassen van bestaande elektriciteitscentrales. CO2 afvang na verbranding heeft hogere verbruiks- en compressiekosten vanwege de lage CO2-concentratie in het rookgas. Een belangrijk voordeel van de technologie voor koolstofafvang na verbranding is de maturiteit ervan in vergelijking met andere bestaande alternatieven voor koolstofafvang. Er zijn verschillende technieken (de tweede laag) die kunnen worden gebruikt bij het scheiden van CO2 van het rookgas, waaronder adsorptie, membranen en andere technieken. In het tweede deel van dit rapport gaan we hier dieper op in. In de onderstaande tabel staan de verschillende CCS-technologieën met het technische gereedheidsniveau (TRL), de toepassingen, de voor- en nadelen en welke technieken deze technologieën gebruiken (tweede laag).

Mobiele koolstofafvang

Gewoonlijk worden CCS-technologieën gebruikt bij grote stationaire bronnen zoals elektriciteitscentrales en industriële installaties. Maar er wordt steeds meer onderzoek gedaan naar het gebruik van CCS voor mobiele bronnen. Dit wordt mobiele koolstofafvang genoemd. Het verwijst naar het proces waarbij CO2 wordt afgevangen op het punt waar het wordt uitgestoten - namelijk door het voertuig terwijl het in beweging is - voordat het in de atmosfeer terechtkomt. Er zijn onderzoeken en tests gedaan voor vrachtwagens en schepen. Als de toepassing van deze technologie zich verder ontwikkelt, zou het een oplossing kunnen zijn voor de moeilijk te verminderen subsectoren van het vervoer, zoals vrachtvervoer, de zeevaart en de binnenvaart.

Pre-combustion technologie

Afvang vóór verbranding verwijst naar het verwijderen van CO2 uit fossiele brandstoffen voordat de verbranding is voltooid. Bij vergassingsprocessen wordt een grondstof (zoals steenkool) gedeeltelijk geoxideerd in stoom en zuurstof/lucht onder hoge temperatuur en druk om synthesegas te vormen. Het synthesegas wordt vervolgens verwerkt in een water-gas-shift (WGS) reactor, die de CO omzet in CO2. De CO2-concentratie in dit mengsel varieert van 15% tot 50%. De hoge CO2-concentratie in het syngas verhoogt de absorptie-efficiëntie aanzienlijk, wat leidt tot de vorming van een brandstof die minder schadelijk kan zijn voor het milieu.

Oxy-fuel combustion technologie

Oxy-fuel met naverbranding (of oxy-fuel) verwijst naar de vervanging van lucht, in de ketel of de vergasser, door zuivere zuurstof (O2). Het gebruik van gezuiverde O2 helpt bij het elimineren van ongewenste bijproducten die aanwezig zijn in de lucht, en verhoogt ook de CO2-zuiverheid van het resulterende syngas of de rookstroom, waardoor koolstofafvang effectiever wordt. Oxyfuelverbranding overwint de technische uitdaging van de lage partiële CO2-druk die normaal gesproken wordt aangetroffen in conventionele rookgassen van steenkoolverbranding door een zeer geconcentreerde CO2-stroom te produceren (~60 procent). Partiële druk verwijst naar de relatieve concentraties van verschillende stoffen in de gasfase. De partiële druk beïnvloedt de CO2-afvangkosten, omdat het de grootte van de procesapparatuur, de energievereisten van de afvanginstallatie en de toepasbare afvangtechnologieën beïnvloedt. Hoe hoger de druk, hoe gemakkelijker CO2 kan worden afgevangen en hoe goedkoper het proces zal zijn door minder energieverbruik en kleinere afvangapparatuur. De partiële druk is een belangrijke variabele voor het afvangen van CO2. Terwijl afvang na verbranding goed werkt met bestaande installaties, biedt oxyfuelverbranding een kans voor nieuwe infrastructuur.

Chemical looping TRL 5-6

Chemical looping is een geavanceerde vorm van oxyfuelverbranding die een dure luchtseparatie-eenheid overbodig maakt. In plaats daarvan wordt een zuurstofdrager in vaste vorm gebruikt. Het is gebaseerd op verbranding of vergassing van steenkool in een stikstofvrije omgeving. In plaats van een luchtseparatie-eenheid te gebruiken, wordt bij chemische looping echter een metaaloxide of andere verbinding als zuurstofdrager gebruikt om O2 van de lucht naar de brandstof over te brengen. Omdat dit geen end-of-pipe-technologie is, is het belangrijk dat de gebruikte zuurstofdrager in staat is om onzuiverheden in de brandstoftoevoer te verwerken en om te weten hoe de brandstofomzettingsprestaties en de levensduur van de zuurstofdragerdeeltjes worden beïnvloed. Chemical looping kan ook worden geclassificeerd als voorverbrandingstechnologie.

Hoe CO2 te scheiden

Zoals hierboven aangegeven zijn er verschillende technieken (de tweede laag) die bij post-combustion kunnen worden gebruikt om CO2 van het rookgas te scheiden, waaronder adsorptie, membranen en andere technieken. Sommige van deze technieken worden ook gebruikt in andere CCS-technologieën zoals pre-combustion. Hieronder lichten we de verschillende technieken toe.

Absorptie (oplosmiddelen) technieken

Bij deze techniek wordt een vloeibaar oplosmiddel, oftewel het absorptiemiddel, gebruikt om CO2 selectief op te lossen uit het gasmengsel. Conventionele oplosmiddelen vertrouwen op chemische absorptie om kooldioxide te verwijderen, maar er zijn ook fysische oplosmiddelen.

We beginnen met chemische oplosmiddelen. Chemische oplosmiddelen bevatten meestal een amine dat selectief reageert met kooldioxide. Het industriële gas wordt naar een absorber geleid, waar het oplosmiddel veilig en snel reageert met kooldioxide. Het CO2-rijke oplosmiddel wordt vervolgens overgebracht naar een regenerator, waar de temperatuur wordt verhoogd tot ongeveer 120 graden Celsius. Deze temperatuurverhoging keert de kooldioxide-absorptiereactie om, waardoor een zuiver CO2-gas en vers oplosmiddel ontstaan. De CO2 wordt opgevangen voordat het wordt verzonden voor geologische opslag of verder gebruik. Het verse oplosmiddel kan worden teruggevoerd naar de absorber om de cyclus opnieuw te beginnen. Dit regeneratieproces is zeer energie-intensief. Er zijn twee generaties commercieel verkrijgbare amine oplosmiddelen. De eerste generatie oplosmiddelen zoals monoëthanolamine (MEA). MEA wordt het meest gebruikt voor CO2-absorptie vanwege de hoge selectiviteit, snelle reactie en lage kosten. Het is echter ook gevoelig voor onzuiverheden en vereist ontzwaveling en denitrificatie van het rookgas om effectief te kunnen werken. Oplosmiddelen van de tweede generatie zijn onder andere verbeterde mengsels van sterisch gehinderde alkaloamines en aminozuren die lagere regeneratietemperaturen vereisen en beter bestand zijn tegen afbraak. Ze kosten echter meer dan MEA en presteren minder goed dan MEA. Door aminetechnologie toe te passen kan 85-95% van de CO2 uit rookgassen worden afgevangen (IPCC, 2005). Het is een volwassen technologie, maar de energie die nodig is voor het afvangen en comprimeren van CO2 leidt tot een hoger brandstofverbruik, waardoor de netto CO2-reductie die wordt bereikt lager is dan het afvangpercentage. Traditionele amine oplosmiddelen hebben een technisch gereedheidsniveau (TRL) van 9. Andere chemische vloeibare oplosmiddelen zouden een TRL 2-7 kunnen hebben.

Bij het gebruik van physical oplosmiddelen voor CO2-afvang is er geen chemische reactie, dus de drijvende kracht voor CO2-absorptie is de oplosbaarheid van CO2 in het oplosmiddel die over het algemeen toeneemt met de druk en afneemt met de temperatuur in overeenstemming met de wet van Henry. De wet van Henry is een gaswet die stelt dat de hoeveelheid opgelost gas in een vloeistof recht evenredig is met de partiële druk ervan. Moderne CO2-afvangsystemen vóór verbranding gebruiken oplosmiddelen om CO2 selectief te absorberen uit gasmengsels met behulp van het dit absorptieproces. Dit komt door de relatief hoge partiële CO2-druk in syngas. Ze houden CO2 in oplossing door middel van physical mechanismen in plaats van chemische reacties. Bij verhitting is het scheiden makkelijker, zodat er minder energie (of warmte) nodig is. Voorbeelden van deze oplosmiddelen zijn Selexol en Rectisol (TRL 9). Het meest gebruikte en rijpe proces is het Selexol-proces. Dit heeft een technisch gereedheidsniveau van 9 volgens het Global CCS Institute.

Adsorptietechnieken (sorbentia) TRL 7-9

Bij adsorptie hechten moleculen in vloeistoffen en gassen zich aan vaste oppervlakken door zogenoemde zwakke van der Waals interacties. Van der Waals krachten worden aangedreven door geïnduceerde elektrische interacties tussen twee of meer atomen of moleculen die zich zeer dicht bij elkaar bevinden. Adsorptie is een andere scheidingstechniek die enigszins verschilt van absorptie omdat adsorptie een specifieke fysische en chemische verbinding tussen CO2 en het oppervlak van het adsorbens inhoudt. Sorbentia en oplosmiddelen zijn vergelijkbaar, maar bij oplosmiddelen wordt de CO2 geabsorbeerd in een vloeistof, terwijl bij sorbentia de CO2 wordt geadsorbeerd aan vaste stoffen. Nadat het sorbens de CO2 heeft opgevangen en weer heeft vrijgegeven, kan het sorbens opnieuw worden gebruikt. Selectiecriteria voor dit sorbens zijn onder andere een groot oppervlak, een hoog regeneratievermogen en een hoge selectiviteit. Het is mogelijk om CO2 adsorptie te bereiken door de druk of temperatuur van een verzadigd sorbens te veranderen. Fysische vaste sorbentia die gebruikt worden bij het afvangen van koolstof zijn mesoporeus silica, metaal-organische raamwerken (MOF's), koolstofhoudende materialen (actieve kool, grafeen, koolstofnanobuisjes), polymeren, calciumoxide (CaO), kleimaterialen, alkalimetaalcarbonaten, magnesiumoxide (MgO), gelaagde dubbele hydroxiden, alkalisilicaten.

Deze techniek heeft het voordeel van lagere regeneratie-energie in vergelijking met solventen, maar deze sorbententechnologieën zijn over het algemeen minder ontwikkeld dan solventen. Vaste sorbentia kunnen worden gebruikt voor post- en pre-combustiontechnologieën. Vaste adsorbentia hebben een TRL van 5-9 afhankelijk van het sorbens. Metalen organische raamwerken (MOF) zijn een mogelijke oplossing voor de hierboven genoemde mobiele koolstofafvang.

Calcium looping (CaL) is een koolstofafvangtechnologie van de tweede generatie. Calcium looping is een CO2-afvangmethode waarbij vaste sorbentia op CaO-basis worden gebruikt om CO2 uit rookgassen te verwijderen. Het is ook een nuttig bijproduct voor de cement- en kalkindustrie. Deze technologie heeft een technisch gereedheidsniveau van 6-7 (2020).

Membranen TRL 4-6

Membraanscheiding maakt gebruik van een semipermeabel membraan of barrière om CO2 fysiek te scheiden van andere rookgassen. Het is een veelbelovende technologie van de volgende generatie voor CO2-afvang na verbranding. Het is het selectieve transport en de scheiding van CO2 door een membraan uit rookgassen onder invloed van drukverschillen. Het energieverbruik en de chemische voetafdruk kunnen aanzienlijk worden verminderd in vergelijking met de aminewassing die momenteel op grote schaal wordt gebruikt. Ondanks vele studies worden commercieel levensvatbare membranen echter nog niet op grote schaal toegepast. Het is mogelijk om energie-efficiënter te zijn dan de bovengenoemde methodologieën bij de behandeling van CO2 -toevoerinhoud >10%. Maar een directe vergelijking van het energieverbruik tussen amineabsorptie en membraanscheidingstechnologieën is moeilijk vanwege de verschillende energiebronnen die nodig zijn (elektriciteit voor membranen en warmte voor absorptie). Membraanscheiding vereist geen gevaarlijke chemische opslag, behandeling of verwijdering, maar ze hebben een lagere scheidingsefficiëntie dan deze volwassen technologieën. Het hoogste TRL-niveau voor CO2-afvang uit rookgassen met membranen bevindt zich momenteel op pilotschaal. Het kan worden gebruikt voor afvang vóór en na verbranding.

Andere technieken om CO2 af te scheiden

Cryogene koolstofafvang (CCC) is een zeer innovatieve CO2-afvangtechnologie. Het CCC-proces scheidt CO2 van lichte gassen in vrijwel elk continu proces. Het koelt de gassen af tot het vorst- of desublimatiepunt van CO2 (-100 tot -135 °C). Desublimeren is het direct veranderen van gas in een vaste stof. Het scheidt de vaste stoffen, zet ze onder druk en verwarmt alle stromen om een CO2-verarmde stroom te produceren bij omgevingsdruk en een zuivere (99+%) vloeibare CO2-stroom onder druk van meestal ongeveer 150 bar, beide bij omgevingstemperatuur. Het proces recupereert ook al het gasvocht en de meeste gasonzuiverheden die minder vluchtig zijn dan CO2 (NOx, SOx, kwik enz.) in scheidbare stromen. Het proces heeft een aantal belangrijke extra voordelen. Om te beginnen is het een retrofit-technologie waarvoor geen stoom of aanpassing van bestaande apparatuur nodig is. Bovendien recupereert het water en bijna alle verontreinigende stoffen naast CO2 uit het rookgas. Het maakt ook zeer efficiënte en kosteneffectieve energieopslag op netwerkschaal en op tijdschalen van minuten mogelijk. Een nadeel van CCC is echter dat de ophoping van CO2 vorst de efficiëntie van het afvangproces vermindert. Het proces moet periodiek worden stilgelegd om het warmteoverdrachtsoppervlak te regenereren en CO2 op te vangen dat uit de uitlaatgassen is bevroren. De TRL is 6.

Heet kaliumcarbonaat of HPC is een post-combustion technologie die de afbraakproblemen van amines omzeilt. Het begint met het koelen en comprimeren van de rookgassen om een verbeterde efficiëntie van CO2-absorptie in de absorber mogelijk te maken. Het HPC-solvent vangt de CO2 op uit de rookgassen in de absorber en wordt vervolgens geregenereerd in de desorber. Het lijkt meer dan 90% van de CO2 af te vangen en maakt een lager energieverbruik in het afvangproces mogelijk dan vergelijkbare technologieën.

Conclusie

Er zijn verschillende manieren om de uitstoot te verminderen. Ten eerste het beperken en mitigeren van de uitstoot van CO2 en andere broeikasgassen. Ten tweede, emissies van verbranding opvangen. Ten derde, CO2 en andere emissies uit de atmosfeer opvangen. Koolstofafvangtechnologieën hebben momenteel een klein aandeel in het terugdringen van CO2. Het aandeel zal waarschijnlijk aanzienlijk toenemen, maar zal relatief laag zijn in vergelijking met andere technologieën en de totale uitstoot in 2030. Koolstofafvangtechnologieën zijn echter cruciaal om de moeilijk te reduceren sectoren te compenseren. CO2 kan worden afgevangen post-combustion, pre-combustion en oxyfuelverbranding. Bovendien spelen de verschillende technieken die in deze technologieën worden gebruikt ook een cruciale rol om de technologieën te verbeteren en de kosten te drukken zodat CCS op grotere schaal en/of in mobiele situaties kan worden toegepast. Momenteel is CCS één van de duurdere technologieën om CO2 te verminderen.

Dit artikel maakt deel uit van de SustainaWeekly van 20 november 2023