Close-up van koolstofafvang
12 Sep 2023
Om een kritiek nieuw front in de strijd tegen klimaatverandering te versterken, ontwikkelde GEA een reeks oplossingen voor koolstofafvang die zijn toegespitst op de behoeften van grote industriële vervuilers.
In de strijd tegen klimaatverandering zal de geleidelijke introductie van hernieuwbare stroom, duurzame brandstoffen en energie-efficiënte praktijken zeker helpen, maar het is niet genoeg. Op de korte termijn is het afvangen van CO2 van puntbronnen voor hergebruik of langetermijnopslag onder de grond van essentieel belang. Koolstofafvang wordt zelfs gezien als de belangrijkste kortetermijnoplossing om de CO2-emissies aan banden te leggen en om de wereld op koers te brengen in het behalen van de klimaatdoelstellingen.1
Koolstofafvang wordt al decennia gebruikt om aardgas te upgraden naar verkoopbare brandstof of om teruggewonnen CO2 in olievelden te injecteren om de olieterugwinning te vergroten. Maar voor de hedendaagse grote industriële vervuilers is koolstofafvang in feite nieuw terrein. En hoewel olie- en gasbedrijven altijd een duidelijke economische prikkel hebben gehad om CO2 van hun productstromen te scheiden, kan hetzelfde niet gezegd worden voor een cement- of staalproducent. In Europa lopen deze industriële vervuilers bijvoorbeeld het risico om te moeten investeren in koolstofafvang en hun prijzen overeenkomstig te verhogen, terwijl ze concurreren tegen producenten in landen die geen CO2-wetgeving hebben. En ze kunnen het zich niet veroorloven om te wachten. De schreeuw om klimaatactie (van regelgevende instanties, het grote publiek en de planeet zelf) is gewoon te luid en te dringend.
Kortom, de hedendaagse industriële vervuilers hebben een snelle, effectieve en economische manier nodig om hun CO2 af te vangen en te verwijderen.
GEA’s missie voor koolstofafvang
Als langdurig leverancier van oplossingen voor emissiebeheersing zet GEA zich nu in om industrieën met hoge emissies te helpen om aan de slag te gaan met koolstofafvang. “Om de belofte van koolstofafvang waar te maken, moet het goedkoper en eenvoudiger worden om in te voeren in de verschillende industrieën”, aldus Dr. Felix Ortloff, Senior Director GEA Carbon Capture Solutions. Ortloff en zijn team richtten zich voornamelijk op vijf industrieën (cement, ijzer en staal, glas, chemicaliën en bio-energie) en ontwierpen een reeks oplossingen voor koolstofafvang toegespitst op hun specifieke behoeften. “Ten eerste moeten veel van deze bedrijven reglementaire wijzigingen doorvoeren en hun eigen pad naar koolstofneutraliteit volgen, en ze hebben dus geen tijd te verliezen”, aldus Ortloff. “Ten tweede zullen ze zonder enorme subsidies op een kleine tot middelgrote schaal willen beginnen, zodat ze de projectkosten kunnen beheersen en de capaciteit eventueel uit kunnen breiden in een volgende uitbreidingsstap. Ten derde zoeken ze een relatief eenvoudige oplossing; hier helpt een enkele leverancier door de leveringsomvang te reduceren. Tot slot zoeken ze een oplossing die probleemloos in hun operaties kan worden opgenomen”.
Om aan deze vereisten te voldoen, ontwikkelde GEA een portfolio met end-to-end oplossingen voor koolstofafvang dat bestaat uit vier hoofdonderdelen:
- XECO voor afvalwarmteterugwinning – voor maximale economie: warmte van de processen van een installatie en rookgassen worden gebruikt om een groot deel van de warmte te genereren die nodig is voor CO2-scheiding.
- SETO voor gasvoorbehandeling – voor maximale effectiviteit en duurzaamheid: schadelijke restcomponenten worden uit het rookgas verwijderd om de stabiliteit van de chemische processen voor koolstofafvang op lange termijn te maximaliseren.
- CEBO-installaties voor koolstofafvang – vier installaties voor aminegebaseerde koolstofafvang van verschillende groottes bieden klanten een doelgerichte, economische oplossing die eenvoudig te installeren is.
- NAVO voor benutting en vastlegging van CO2 – met oplossingen voor het zuiveren, vloeibaar maken, conditioneren en transporteren van CO2 kunnen klanten hun afgevangen CO2 kwijt – voor hergebruik in industriële productie of langetermijnopslag
Voor Ortloff geeft de enorme ervaring in emissiebeheersing, afvalwarmteterugwinning en het vloeibaar maken en hergebruiken van CO2 – samen met hun kerncompetenties in het ontwerp, de installatie en de schaalvergroting van industriële proceslijnen – GEA een voorsprong op de concurrentie. “Dankzij onze tientallen jaren ervaring in de afgasbehandeling kunnen we een meer gestandaardiseerd, eenvoudiger ontwerpconcept bieden met materialen die kostenefficiënt en toch duurzaam zijn”, vertelt hij. “Bovendien hebben we de financiële kracht om grotere projecten tegen zeer concurrerende prijzen te organiseren vergeleken met een aantal gevestigde spelers op dit gebied. En we garanderen prestaties, waardoor het projectrisico voor onze klanten zeer laag is”.
De oplossingen voor koolstofafvang van GEA voor een optimale en economische CO2-reductie.
Kostenefficiëntie door warmteterugwinning
De meest energie-intensieve stap van het koolstofafvangproces is de verwarming van de amineoplossing in de thermische reboiler om het CO2-gas te desorberen en scheiden. XECO, GEA’s oplossing voor afvalwarmteterugwinning, maakt optimaal gebruik van de afvalwarmte die in de installatie beschikbaar is, om te helpen deze stap in het proces kracht bij te zetten en de bedrijfskosten te minimaliseren.
“Een aantal van de huidige topprojecten voor koolstofafvang komen in aanmerking voor een ruime publieke financiering – die nodig is om ervaring met een nieuwe technologie op te doen – maar de overgrote meerderheid van de industriële vervuilers zal de koolstofafvang zelf moeten financieren. Het koolstofafvangproces bekrachtigen met teruggewonnen afvalwarmte is een geweldige manier om de kosten te minimaliseren” - Dr. Felix Ortloff, Senior Director Carbon Capture Solutions, GEA
- Dr. Felix Ortloff, Senior Director Carbon Capture Solutions, GEA
Zoals Ortloff aangeeft, moet een effectief warmteterugwinningssysteem ook worden ontworpen volgens de specifieke eigenschappen van het rookgas van de installatie. Het geschikte warmtedragermedium selecteren, of dat nu thermische olie of stoom is, is ook een belangrijke factor. “GEA heeft een lange geschiedenis van het benutten van overtollige warmte uit industriële processen en rookgassen om klanten te helpen de energie-efficiëntie van hun installaties te verbeteren”, aldus Ortloff. “Een van de grootste uitdagingen van warmteterugwinning voor cementinstallaties is bijvoorbeeld de hoge stofbelasting in het rookgas van de oven die de duurzaamheid van de warmteterugwinningsunit enorm kan beïnvloeden. Ons XECO-systeem voor afvalwarmteterugwinning heeft al bewezen in staat te zijn om jaren lang onder deze omstandigheden te werken en toch een zeer goede warmteoverdracht te behouden”.
Glasproducenten vertrouwen ook al meer dan tien jaar op de XECO-oplossing van GEA om de energie-efficiëntie te verbeteren. “Doordat de glasproductie relatief grote hoeveelheden afvalwarmte genereert, kan onze oplossing voor koolstofafvang hen helpen om een enorme CO2-verwijdering (van ruwweg 40-50%) te behalen met weinig tot geen extra energie-input”, aldus Ortloff.
Gasvoorbehandeling voor prestaties op de lange termijn
GEA biedt de cement-, ijzer- en staal-, glas-, chemische en bio-energie-industrie al vele jaren oplossingen voor emissiebeheersing. “Elke industrie heeft haar eigen rookgasprofiel en een juiste voorbehandeling van het afgas is cruciaal om optimale prestaties in de koolstofafvang te waarborgen”, aldus Ortloff. Dit komt doordat typische afgassen in deze industrieën restcomponenten bevatten – vooral stikstofoxiden (NOx), zwaveloxiden (SOx), aerosolen en vaste deeltjes, zoals stof – die een negatieve invloed hebben op de stabiliteit van de amineoplossing die wordt gebruikt om het CO2 af te vangen en te verwijderen.
Voorbehandeling omvat ook het regelen van de vochtigheid van het rookgas. “We moeten een stabiele waterconcentratie in de amineoplossing behouden”, licht Ortloff toe. “Als het watergehalte van het rookgas te hoog of te laag is, doet dit ook afbreuk aan de prestaties”. GEA’s voorbehandeling van rookgas verkleint ook het risico op de vorming van aanslag in het systeem voor koolstofafvang, wat een enorme invloed heeft op de onderhoudskosten.
Doordat GEA de unieke rookgasprofielen van elk van deze industrieën kende, konden ze hun SETO-oplossing voor gasvoorbehandeling zodanig ontwerpen dat de configuratie van de gasreinigingslijn kon worden gepersonaliseerd. “Dankzij onze ervaring in gasvoorbehandeling kunnen we het CO2-scheidingsproces naadloos in de afgaslijn van elke klant integreren voor lagere bedrijfskosten en een beter betrouwbare koolstofafvang”, aldus Ortloff.
Flexibele koolstofafvang
GEA’s CEBO-installaties voor koolstofafvang zijn afhankelijk van state-of-the-art aminegebaseerde CO2-koolstofafvang. Hiervoor moet het rookgas van de installatie door een amine-oplosmiddel worden gevoerd, dat het CO2 door absorptie verwijderd; het oplosmiddel wordt vervolgens verwarmd om puur CO2 vrij te geven voor de eindfase van hergebruik of opslag. Hoewel dit in de olie- en gasindustrie vanouds een gevestigde praktijk is, is de uitdaging tegenwoordig om koolstofafvang snel en economisch in verscheidene andere zwaar vervuilende industrieën te introduceren. “Aminegebaseerde koolstofafvang in de olie- en gasindustrie betreft meestal enorm grootschalige projecten met zeer grote gasdoorstromen die duur zijn om te bouwen, installeren en gebruiken”, aldus Ortloff. “Dit komt gewoon niet overeen met de behoeften van onze doelindustrieën in cement, ijzer & staal, glas, chemicaliën of bio-energie, met zeer uiteenlopende gasdoorstromen en begrotingen. Voor deze industrieën is een eenvoudigere en flexibelere aanpak nodig”.
GEA biedt vier koolstofafvanginstallaties van verschillende groottes – met een CO2-scheidingscapaciteit uiteenlopend van 16 tot 200 ktpa – gebaseerd op de gemiddeld beschikbare hoeveelheid afvalwarmte in verschillende industrieën.
“Voor een grote cementinstallatie kunnen we met de beschikbare afvalwarmte misschien 20% van het CO2 van hun rookgas afvangen als een eerste stap; voor een glasinstallatie is dat percentage wellicht 40-50%”- Dr. Felix Ortloff, Senior Director Carbon Capture Solutions, GEA
- Dr. Felix Ortloff, Senior Director Carbon Capture Solutions, GEA
“Bio-energie is interessant omdat we door middel van CO2-vastlegging netto negatieve antropogene CO2-emissies kunnen behalen. Dit komt doordat het afgevangen CO2 oorspronkelijk afkomstig is van de productie van biomassa – directe afvang van natuurlijke lucht, zeg maar”.
Het ontwerp van GEA’s CEBO-installaties voor koolstofafvang is eenvoudig en modulair. Standaardcontainers van 12 meter, die dienst doen als de “bouwsteen”, worden voorgemonteerd voor een snelle installatie en zijn voorzien van zijdeuren voor eenvoudige toegang en onderhoud. CEBO-installaties voor koolstofafvang gebruiken corrosiebestendige materialen, zoals thermoplastics of roestvrij staal. Een zelfoptimaliserend besturingssysteem is voorbereid voor ondersteuning op afstand, voor een eenvoudige werking en snelle technische ondersteuning voor klanten.
Benutting en vastlegging in het belang van het klimaat
Om een positieve impact op de klimaatbalans van een bedrijf te hebben, moet het afgevangen CO2 ofwel worden vastgelegd – via langetermijnopslag onder de grond, bijvoorbeeld – of worden gebruikt in plaats van fossiel CO2 voor de productie van goederen, zoals dranken of brandstof. Doordat de markt en infrastructuur voor zowel de benutting als de opslag van afgevangen CO2 relatief nieuw zijn, kan dit een extra uitdaging vormen voor bedrijven die net beginnen met koolstofafvang.
- Welke opties zijn er beschikbaar voor hergebruik, opslag of transport?
- Aan welke vereisten moet worden voldaan voor wat betreft zuiverheid, fysieke toestand, druk en temperatuur?
- En hoe kan een bedrijf ervoor zorgen dat op de lange termijn consistent aan deze vereisten wordt voldaan?
GEA’s NAVO-oplossingen voor benutting en vastlegging van CO2 putten uit hun langdurige expertise in chemische processen, zoals het vloeibaar maken, conditioneren, transporteren en hergebruiken van CO2. “We kunnen het CO2 naar wens conditioneren en een verbindingspunt voor ofwel modulair transport of vervoer door een pijpleiding voorbereiden”, aldus Ortloff. “Voor industrieel hergebruik is koeltransport in vloeibare toestand in tanks per vrachtwagen of trein het meest gebruikelijk, waarbij Europa (EIGA) een zuiverheid van ten minste 99,9% eist voor gebruik voor voedingsmiddelen en dranken.2 De specificaties voor transport via pijpleidingen – voor opslag, bijvoorbeeld – zijn anders”. Doordat de transportkosten voor vloeibaar CO2 hoog blijven, raadt GEA aan dat bedrijven potentiële CO2-klanten bij hen in de buurt identificeren en ondersteuning met beperkingen van de leveringsomvang bieden.
- Als langdurig partner van de bierindustrie, heeft GEA ervaring met het terugwinnen van CO2 dat geschikt is voor voedsel, voor hergebruik in de drankproductie.
- Doordat GEA met industriële partners samenwerkt, kan GEA methanol van CO2 en H2 synthetiseren voor gebruik als een brandstof, branstofadditief of bouwsteen in de chemische industrie.
- GEA biedt ook expertise in de productie van carbonaten van afgevangen CO2 voor gebruik in verschillende industrieën, zoals de glas-, farmaceutische, pulp- en papierindustrie. “Met GEA’s uitgebreide ervaring in kristallisatietechnologieën, kunnen we dienst doen als technologieleverancier in projecten met carbonaat/bicarbonaat met een omvang van enkele honderden tonnen productiecapaciteit per dag”, aldus Ortloff.
- Voor extra flexibiliteit biedt GEA de optie van een tussenliggende opslagfaciliteit voor het afgevangen CO2.
- Bovendien kan de thermische energie die uit de koeling en het comprimeren van het CO2 wordt gewonnen, opnieuw in een warmteoverdrachtsysteem worden geïntroduceerd, om de algehele efficiëntie te verbeteren.
Kleine(re) stappen voor duurzaam succes
GEA introduceerde de ontwikkeling van zijn portfolio voor koolstofafvang in 2021 omdat ze een kans zagen om decennia aan GEA-knowhow bij te dragen aan een kritiek nieuw front in de strijd tegen klimaatverandering. Er wordt ook ingezien dat industrieën met hoge emissies, zoals de cement-, en ijzer- en staalindustrie, klein zullen moeten beginnen met koolstofafvang voordat ze overgaan op grotere installaties. “We ontwierpen onze installatie voor koolstofafvang om een verwijdering van 90% CO2 te behalen en de pilot aangetoond dat we hiertoe in staat zijn”, aldus Ortloff.
“Maar op de korte termijn is volledige verwijdering voor de meeste bedrijven niet realistisch. Voorlopig zullen vervuilers de investeringskosten in koolstofafvang moeten afzetten tegen de kosten van koolstofkredieten en beide opties blijven nastreven. Naarmate kredieten minder toegankelijk en duurder worden, zullen bedrijven genoodzaakt zijn om meer te investeren in koolstofafvang” - Dr. Felix Ortloff, Senior Director Carbon Capture Solutions, GEA
- Dr. Felix Ortloff, Senior Director Carbon Capture Solutions, GEA
In de nabije toekomst zouden eisen van aandeelhouders, strengere regelgeving, ruimere stimulansen van de overheid of een robuuste markt voor afgevangen CO2 – of alle bovenstaande omstandigheden – industriële installaties ertoe kunnen bewegen om een groter percentage van hun CO2-emissies af te vangen voor hergebruik en opslag. “We zijn er klaar voor en kijken ernaar uit”, aldus Ortloff. “Maar in de tussentijd kunnen we zware vervuilers helpen nu al kleine vooruitgangen te boeken met een snelle, kosteneffectieve en schaalbare oplossing. Als een cementinstallatie een CO2-verwijdering van 20% kan behalen, zetten ze een grote stap voorwaarts en hebben ze een veel beter uitgangspunt om de capaciteit later uit te breiden”.
