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

Cement is het onzichtbare skelet van de moderne wereld, het materiaal dat onze steden bij elkaar houdt. Toch is het proces van de productie ervan een belangrijke bijdrager aan de opwarming van de aarde. Wanneer kalksteen wordt verhit om cement te maken, komt er enorme hoeveelheden kooldioxide vrij, een broeikasgas dat warmte vasthoudt in de atmosfeer. Om dit te stoppen, hebben ingenieurs manieren ontwikkeld om dat gas op te vangen voordat het ontsnapt in de lucht. Een van de meest betrouwbare methoden houdt in dat de uitlaatgassen worden gewassen met een speciale vloeistof die de kooldioxide absorbeert. Deze vloeistof raakt echter uiteindelijk vol en moet worden schoongemaakt zodat deze opnieuw kan worden gebruikt. Het reinigingsproces vereist een enorme hoeveelheid warmte, vaak meer dan de fabriek beschikbaar heeft om te verspillen. Als de fabriek niet genoeg warmte kan vinden om de vloeistof schoon te maken, kan het systeem voor koolstofafvang niet efficiënt werken, waardoor het vervuilingsprobleem onopgelost blijft.

Tegelijkertijd moet de gevangen kooldioxide, zodra deze is opgevangen, worden omgezet in een vloeistof om afgevoerd te worden voor opslag. Deze transformatie vereist het afkoelen van het gas tot extreem lage temperaturen. Hierbij genereert de machine die het gas koelt een grote hoeveelheid restwarmte, die meestal gewoon in de lucht wordt gedumpt. Dit creëert een frustrerende paradox: de fabriek heeft warmte nodig om de vloeistof schoon te maken, maar het proces om het gas klaar te maken voor transport verspilt precies de warmte die het nodig heeft. Onderzoekers aan de Norwegian University of Science and Technology en SINTEF Energy Research hebben een manier voorgesteld om dit puzzelstukje op te lossen. Ze stellen voor om het koelsysteem op een slimme manier te verbinden met het verwarmingssysteem, waardoor een afvalproduct wordt omgezet in een nuttig hulpmiddel.

Het team richtte zich op een specifieke opstelling die in cementfabrieken wordt gebruikt waar kooldioxide wordt opgevangen en vervolgens wordt vloeibaar gemaakt. In de standaardversie van dit proces wordt het gas afgekoeld met behulp van een koelcyclus die vertrouwt op ammoniak, een veelgebruikt industrieel koelmiddel. Terwijl de ammoniak warmte absorbeert van de kooldioxide om deze af te koelen, wordt de ammoniak zelf warm. In een typische fabriek wordt deze warme ammoniak weer afgekoeld door de warmte die zij heeft opgenomen af te geven aan de omringende lucht, waardoor de energie die zij zojuist heeft geabsorbeerd, in feite wordt weggegooid. De onderzoekers stelden een simpele vraag: wat als ze die warmte, in plaats van te dumpen, zouden gebruiken om de koolstofafvangvloeistof schoon te maken?

Om dit werkend te krijgen, ontwierpen ze een systeem dat werkt als een thermische lift. Ze voegden een tweede lus toe aan de bestaande ammoniakopstelling, gebruikmakend van een andere vloeistof genaamd pentaan. De warme ammoniak uit de koelcyclus draagt haar warmte over aan het pentaan. Deze warmte is voldoende om het pentaan te laten koken en in een gas te veranderen. Wanneer het pentaangas wordt samengeperst, wordt het nog heter. Dit oververhitte pentaan wordt vervolgens naar het deel van de fabriek gestuurd dat de vloeistof voor koolstofafvang moet reinigen. Daar geeft het zijn warmte af, waardoor de vloeistof net genoeg wordt opgewarmd om de gevangen kooldioxide vrij te laten, zodat de vloeistof opnieuw kan worden gebruikt. Het pentaan koelt vervolgens af, verandert weer in een vloeistof en is klaar om meer warmte van de ammoniak op te nemen, waardoor een continue cyclus ontstaat.

De onderzoekers gebruikten geavanceerde computersimulaties om te testen hoe goed dit idee zou werken in een scenario uit de echte wereld. Ze modelleerden een fabriek die jaarlijks één miljoen ton kooldioxide opvangt. Hun berekeningen toonden aan dat dit nieuwe systeem erin zou slagen een aanzienlijk deel van de warmte die nodig is om de vloeistof schoon te maken, te herstellen. Specifiek zou het systeem ongeveer 22 procent van de totale warmte kunnen leveren die nodig is voor het reinigingsproces, indien de vloeistof een standaard hoeveelheid energie nodig heeft voor regeneratie. Als de fabriek een efficiënter type vloeistof gebruikt dat minder warmte vereist, zou het systeem tot wel 34 procent van de behoefte kunnen dekken. Dit betekent dat de fabriek veel minder brandstof hoeft te verbranden om stoom te generen, wat geld bespaart en verdere emissies vermindert.

De studie keek ook naar hoeveel energie het nieuwe systeem zou verbruiken om de pompen en compressoren aan te drijven. Hoewel het toevoegen van de extra lus enige extra elektriciteit vereist, is de algehele balans positief. De onderzoekers ontdekten dat het systeem zeer efficiënt is in het omzetten van de arbeid die het verricht in nuttige warmte. In hun simulaties behaalde de opstelling een efficiëntiecijfer van meer dan 57 procent, wat een sterke prestatie is voor een systeem dat twee taken tegelijk uitvoert: het koelen van het gas en het verwarmen van de vloeistof. Dit is aanzienlijk beter dan het standaard systeem, dat alleen het gas koelt en de warmte verspilt. Het team ontdekte dat het systeem het beste werkt wanneer de kooldioxide tot een specifieke druk wordt samengeperst voordat deze wordt afgekoeld, een detail dat ervoor zorgt dat de warmteverwinning plaatsvindt bij de juiste temperatuur.

Een van de belangrijkste voordelen van deze aanpak is dat het niet afhankelijk is van het weer of de locatie van de fabriek. In veel delen van de wereld worstelen cementfabrieken om restwarmte te vinden omdat de grondstoffen nat zijn en moeten worden gedroogd, wat alle beschikbare thermische energie verbruikt. In die vochtige klimaten faalt de gebruikelijke methode om warmte te stelen uit andere delen van de fabriek vaak. Dit nieuwe systeem genereert echter zijn eigen warmtebron precies waar die nodig is, door gebruik te maken van de energie uit het koelproces zelf. Het zet het bevriezen van de kooldioxide om in een manier om de reinigingsvloeistof op te warmen, waardoor energie die anders verloren zou gaan, effectief wordt gerecycled.

De onderzoekers erkenden dat het bouwen van dit systeem grotere en krachtigere compressoren zou vereisen dan een standaardfabriek gebruikt, wat een aanzienlijke technische uitdaging vormt. De machines moeten de stroom van de pentaanvloeistof efficiënt kunnen verwerken zonder energie te verspillen. Ze merkten ook op dat hoewel hun resultaten gebaseerd zijn op computermodellen, de fysica achter het ontwerp solide is en rust op gevestigde thermodynamische principes. De studie suggereert dat het nabespuiten (retrofitting) van bestaande koolstofafvanginstallaties met dit dual-loop systeem een levensvatbaar pad voorwaarts kan zijn, vooral voor faciliteiten die geen andere bronnen van restwarmte hebben. Door de koel- en verwarmingsbehoeften van de fabriek aan elkaar te koppelen, biedt de technologie een manier om koolstofafvang minder energie-intensief en praktischer te maken voor de cementindustrie, wat helpt om een grote bron van vervuiling om te vormen tot een beheersbaar onderdeel van de oplossing.