Use of high temperature heat pump for solvent regeneration in post-combustion carbon capture unit with liquefaction facility: Concept and thermodynamic analysis

Il cemento è lo scheletro invisibile del mondo moderno, il materiale che tiene insieme le nostre città. Eppure, il processo di produzione è un importante contributore al riscaldamento globale. Quando il calcare viene riscaldato per creare il cemento, rilascia enormi quantità di anidride carbonica, un gas serra che intrappola il calore nell'atmosfera. Per fermare questo fenomeno, gli ingegneri hanno sviluppato modi per catturare quel gas prima che si disperda nel cielo. Uno dei metodi più affidabili prevede il lavaggio dei fumi di scarico con un liquido speciale che assorbe l'anidride carbonica. Tuttavia, questo liquido alla fine si satura e deve essere pulito per poter essere riutilizzato. Il processo di pulizia richiede una quantità enorme di calore, spesso superiore a quello di cui la fabbrica dispone in eccesso. Se la fabbrica non riesce a trovare abbastanza calore per pulire il liquido, il sistema di cattura del carbonio non può funzionare efficientemente, lasciando il problema dell'inquinamento irrisolto.

Allo stesso tempo, una volta catturata, l'anidride carbonica deve essere trasformata in un liquido per essere spedita via per l'immagazzinamento. Questa trasformazione richiede il raffreddamento del gas a temperature estremamente basse. Nel farlo, i macchinari che raffreddano il gas generano una grande quantità di calore residuo, che di solito viene semplicemente disperso nell'aria. Questo crea un frustrante paradosso: la fabbrica ha bisogno di calore per pulire il liquido, ma il processo di preparazione del gas per il trasporto scarta esattamente il tipo di calore di cui ha bisogno. I ricercatori dell'Università norvegese di scienza e tecnologia e della SINTEF Energy Research hanno proposto un modo per risolvere questo enigma. Suggeriscono di collegare il sistema di raffreddamento al sistema di riscaldamento in un ciclo intelligente, trasformando un prodotto di scarto in una risorsa utile.

Il team si è concentrato su una configurazione specifica utilizzata negli impianti di cemento dove l'anidride carbonica viene catturata e poi liquefatta. Nella versione standard di questo processo, il gas viene raffreddato tramite un ciclo di refrigerazione che si basa sull'ammoniaca, un comune refrigerante industriale. Mentre l'ammoniaca assorbe calore dall'anidride carbonica per raffreddarla, l'ammoniaca stessa si scalda. In un impianto tipico, questa ammoniaca calda viene raffreddata rilasciando il suo calore nell'aria circostante, scartando essenzialmente l'energia appena assorbita. I ricercatori si sono posti una domanda semplice: cosa succederebbe se, invece di disperdere quel calore, lo usassimo per pulire il liquido che cattura il carbonio?

Per far sì che ciò funzioni, hanno progettato un sistema che agisce come un ascensore termico. Hanno aggiunto un secondo ciclo alla configurazione dell'ammoniaca esistente, utilizzando un fluido diverso chiamato pentano. Il calore dell'ammoniaca calda proveniente dal ciclo di raffreddamento viene trasferito al pentano. Questo calore è sufficiente a far bollire il pentano e a trasformarlo in gas. Man mano che il gas di pentano viene compresso, diventa ancora più caldo. Questo pentano surriscaldato viene quindi inviato alla parte della fabbrica che ha bisogno di pulire il liquido di cattura del carbonio. Lì, cede il suo calore, riscaldando il liquido quanto basta per rilasciare l'anidride carbonica catturata, in modo che il liquido possa essere riutilizzato. Il pentano si raffredda, torna allo stato liquido ed è pronto a raccogliere altro calore dall'ammoniaca, creando un ciclo continuo.

I ricercatori hanno utilizzato sofisticate simulazioni al computer per testare quanto bene questa idea funzionerebbe in uno scenario del mondo reale. Hanno modellato un impianto che cattura un milione di tonnellate di anidride carbonica ogni anno. I loro calcoli hanno dimostrato che questo nuovo sistema potrebbe recuperare con successo una parte significativa del calore necessario per pulire il liquido. Nello specifico, il sistema potrebbe fornire circa il 22 percento del calore totale richiesto per la pulizia, se il liquido necessita di una quantità standard di energia per la rigenerazione. Se l'impianto utilizza un tipo di liquido più efficiente che richiede meno calore inizialmente, il sistema potrebbe coprire fino al 34 percento del fabbisogno. Ciò significa che la fabbrica dovrebbe bruciare molto meno combustibile per generare vapore, risparmiando denaro e riducendo ulteriormente le emissioni.

Lo studio ha anche esaminato quanta energia il nuovo sistema consumerebbe per azionare pompe e compressori. Sebbene l'aggiunta del ciclo extra richieda un po' di elettricità in più, il bilancio complessivo è positivo. I ricercatori hanno scoperto che il sistema è altamente efficiente nel convertire il lavoro svolto in calore utile. Nelle loro simulazioni, l'impostazione ha raggiunto un indice di efficienza superiore al 57 percento, che è una prestazione elevata per un sistema che svolge due compiti contemporaneamente: raffreddare il gas e riscaldare il liquido. Questo è notevolmente migliore rispetto al sistema standard, che solo raffredda il gas e spreca il calore. Il team ha scoperto che il sistema funziona meglio quando l'anidride carbonica viene compressa a una pressione specifica prima di essere raffreddata, un dettaglio che permette il recupero del calore alla temperatura corretta.

Uno dei vantaggi chiave di questo approccio è che non dipende dal meteo o dalla posizione della fabbrica. In molte parti del mondo, le cementerie faticano a trovare calore residuo perché le materie prime sono umide e devono essere asciugate, il che consuma tutta l'energia termica disponibile. In quei climi umidi, il metodo abituale di sottrarre calore da altre parti della fabbrica spesso fallisce. Questo nuovo sistema, tuttavia, genera la propria fonte di calore proprio dove è necessaria, utilizzando l'energia dal processo di raffreddamento stesso. Trasforma l'atto di congelare l'anidride carbonica in un modo per riscaldare il fluido di pulizia, riciclando efficacemente l'energia che altrimenti andrebbe perduta.

I ricercatori hanno riconosciuto che costruire questo sistema richiederebbe compressori più grandi e potenti di quelli utilizzati da un impianto standard, il che rappresenta una sfida ingegneristica significativa. I macchinari devono gestire il flusso del fluido di pentano in modo efficiente senza sprecare energia. Hanno inoltre osservato che, sebbene i loro risultati si basino su modelli informatici, la fisica dietro il progetto è solida e si basa su principi termodinamici stabiliti. Lo studio suggerisce che l'aggiornamento degli impianti di cattura del carbonio esistenti con questo sistema a doppio ciclo potrebbe essere una via percorribile, specialmente per le strutture che mancano di altre fonti di calore residuo. Collegando le necessità di raffreddamento e di riscaldamento dell'impianto, la tecnologia offre un modo per rendere la cattura del carbonio meno energivora e più pratica per l'industria del cemento, aiutando a trasformare una grande fonte di inquinamento in una parte gestibile della soluzione.