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

セメントは現代世界の目に見えない骨格であり、都市を繋ぎ止めている素材です。しかし、その製造プロセスは地球温暖化の主要な要因となっています。セメントを作るために石灰石を加熱すると、大量の二酸化炭素が放出されます。これは、大気中に熱を閉じ込める温室効果ガスです。これを阻止するために、エンジニアたちは、ガスが空中に逃げてしまう前に捕獲する方法を開発してきました。最も信頼できる方法の一つは、二酸化炭素を吸収する特別な液体で排気ガスを洗浄することです。しかし、この液体はいずれ満杯になり、再利用できるように洗浄する必要があります。この洗浄プロセスには膨大な量の熱が必要であり、多くの場合、工場が余剰として持っている以上の熱を必要とします。もし工場が液体の洗浄に十分な熱を見つけられなければ、炭素回収システムは効率的に機能せず、汚染問題は解決されないまま残されてしまいます。

同時に、二酸化炭素を捕獲した後は、貯蔵のために運び出すための液体へと変えなければなりません。この変化には、ガスを極低温まで冷却する必要があります。その際、ガスを冷却する機械は大量の廃熱を発生させますが、これは通常、ただ空中に放出されてしまいます。これは、もどかしいパラドックスを生み出します。つまり、工場は液体を洗浄するための熱を必要としているのに、ガスを輸送するための準備プロセスが、まさに必要としている種類の熱を捨ててしまっているのです。ノルウェー科学技術大学とSINTEFエナジー・リサーチの研究者たちは、このパズルを解く方法を提案しました。彼らは、冷却システムを加熱システムに巧妙なループで接続し、廃棄物となるものを有用な資源に変えることを提案しています。

研究チームは、二酸化炭素が捕獲され、その後液化されるセメント工場で使用される特定のセットアップに焦点を当てました。標準的なプロセスでは、ガスは一般的な工業用冷媒であるアンモニアを用いた冷凍サイクルを使用して冷却されます。アンモニアが二酸化炭素から熱を吸収して冷却するにつれて、アンモニア自体が温まります。典型的なプラントでは、この温まったアンモニアは、吸収した熱を周囲の空気中に放出することで再び冷却されますが、これは実質的に、吸収したエネルギーを捨てていることになります。研究者たちは、単純な問いを投げかけました。「もし、その熱を捨てる代わりに、液体の洗浄に使用したらどうなるだろうか？」と。

これを実現するために、彼らは既存のアンモニアのセットアップに、ペンタンと呼ばれる別の流体を用いた第2のループを追加し、「熱のエレベーター」のように機能するシステムを設計しました。冷却サイクルからの温まったアンモニアが、ペンタンに熱を伝えます。この熱は、ペンタンを沸騰させてガスに変えるのに十分なものです。圧縮されたペンタンガスは、さらに高温になります。この過熱されたペンタンは、工場の液体の洗浄を必要とする部分へと送られます。そこで、それは熱を放出し、液体が捕らえた二酸化炭素を放出して再利用できるように、液体をちょうど適度な温度まで温めます。その後、ペンタンは冷却されて再び液体に戻り、より多くの熱を吸収するためにアンモニアから熱を受け取る準備を整え、連続的なサイクルを作り出します。

研究者たちは、このアイデアが現実世界のシナリオでどの程度うまく機能するかをテストするために、高度なコンピュータシミュレーションを使用しました。彼らは、年間100万トンの二酸化炭素を捕獲するプラントをモデル化しました。彼らの計算によれば、この新しいシステムは、液体の洗浄に必要な熱の大部分を正常に回収できることが示されました。具体的には、液体の再生に標準的なエネルギー量が必要な場合、このシステムは洗浄プロセスに必要な総熱量の約22パーセントを提供できます。もし、より少ない熱で開始できる、より効率的なタイプの液体を使用する場合、システムは必要量の最大34パーセントをカバーできます。これは、工場が蒸気を生成するために燃焼させる燃料を大幅に減らし、さらなる排出を削減できることを意味します。

また、研究では、ポンプやコンプレッサーを動かすためにこの新システムがどれだけのエネルギーを消費するかについても調査しました。追加のループを加えることで追加の電力を必要としますが、全体的なバランスはプラスです。研究者たちは、このシステムが、自身が行う仕事を有用な熱に変換する上で非常に効率的であることを発見しました。シミュレーションにおいて、このセットアップは57パーセントを超える効率を達成しましたが、これは、ガスの冷却と液体の加熱という2つの仕事を同時に行うシステムとしては非常に高い性能です。これは、ガスの冷却のみを行い、熱を無駄にする標準的なシステムよりも明らかに優れています。チームは、二酸化炭素が冷却される前に特定の圧力まで圧縮されるとき、このシステムが最もよく機能することを発見しました。この詳細は、熱回収が適切な温度で行われることを可能にします。

このアプローチの主な利点の一つは、天候や工場の場所に依存しないことです。多くの地域において、セメント工場は原料が湿っており、乾燥させるためにすべての熱エネルギーを消費してしまうため、廃熱を見つけるのに苦労しています。そのような湿った気候では、工場の他の部分から熱を盗む通常のメソッドはしばしば失敗します。しかし、この新しいシステムは、冷却プロセス自体から得られるエネルギーを使用して、必要な場所に直接熱源を生成します。これは、二酸化炭素を凍らせる行為を、洗浄用液体の加熱方法へと変えることで、本来なら失われるはずのエネルギーをリサイクルするものです。

研究者たちは、このシステムを構築するには、標準的なプラントが使用するものよりも大型で強力なコンプレッサーが必要であり、それが大きなエンジニアリング上の課題であることを認めています。機械は、エネルギーを無駄にすることなく、ペンタン流体を効率的に扱う必要があります。彼らはまた、彼らの結果はコンピュータモデルに基づいているものの、設計の背後にある物理学は健全であり、確立された熱力学の原理に基づいていることも指摘しました。この研究は、既存の炭素回収プラントにこのデュアルループシステムを後付けすることが、特に他の熱源が不足している施設にとって、実行可能な道となり得ることを示唆しています。冷却と加熱のニーズを連結することで、この技術は炭素回収をよりエネルギー消費が少なく、より実用的なものにし、主要な汚染源を解決策の管理可能な一部へと変える手段を提供します。