Chcete se účastnit a spolupracovat na vývoji zařízení na zachycení CO2 z odpadních plynů, např. spalin? Na řešení intenzifikace tohoto procesu? Na konstrukci a stavbě zařízení rotujícího absorbéru? Na simulacích CFD? Na experimentech? Pak čtěte dále – je toho na přečtení hodně, ale snažili jsme se vysvětlit problematiku CCS co nejstručněji (pouze z  pohledu jedné technologie a někdy i za cenu zjednodušení) a proto věříme, že mnoho z vás vydržíte při čtení do konce.

Víte co to je zkratka CCS?

Carbon Capture and Storage – česky zachycení a ukládání uhlíku, což se týká zachycení a odstranění CO2, v nejčastějším případě ze spalin na výstupu z kotle – anglicky „post-combustion“ CCS. A může se jednat o spalování uhlí i zemního plynu a dalších paliv, včetně spalování odpadů. A týká se nejenom elektráren či tepláren, ale i dalších průmyslových odvětví jako metalurgie, petrochemie, atd.

Co je podstatou CCS?

Je to technologie na odstranění CO2, jeho transportu a uložení tak, aby se nedostal do atmosféry.  

Jakým způsobem se CO2 odstraňuje ze spalin?

Technologie „post-combustion“ používá na odstranění CO2 několik postupů: absorpci, chemickou absorpci, adsorpci, membránovou separaci, nízkoteplotní (kryogenní) štěpení, Ca-Looping a další.

Jaká technologie je nejlepší?

Ta otázka se přímo nabízí, nicméně je špatně položená. Spíše se ptejme, jaká technologie je v současné době aplikovatelná v průmyslovém měřítku. Ze všech současných technologií je za nejvhodnější a nejlépe aplikovatelnou v blízké budoucnosti považována technologie chemické absorpce.

Co se dá říci o chemické absorpci obecně?

Je to technologie dobře zdokumentována. Dnes se uvádí, že je tato technologie ve fázi komercializace, tj. na úrovni TRL 9 – TRL znamená Technology Readiness Level a čím vyšší číslo, tím je technologie blíže komerčnímu využití, tj. technologie je „mature“, tj. dospělá (číslo TRL 9 je nejvyšší stupeň). Na rozdíl např. od membránové separace. Mimochodem do membránové technologie byla vkládána velká naděje, je však stále ve fázi TRL 4-5, tj. laboratorních měřítek, a navíc se ukazuje, že zatím může „soupeřit“ s technologií chemické absorpce pouze při nižším stupni zachycení. Při běžně požadovaném 90% zachycení nepředstavuje membránová technologie žádné výhody oproti chemické absorpci.

A co to je chemická absorpce?

Velmi zjednodušeně řečeno, CO2 je absorbováno (rozpuštěno) v nějaké chemikálii, v niž dojde k chemickému navázání CO2, tedy k chemické reakci. Je to podobné, jako se sírou, či oxidem síry ve spalinách. Síra obsažená ve spalinách po shoření paliva se při kontaktu s vodní parou přes několik chemických reakcí přetvoří až na H2SO4, kyselinu sírovou. U CO2 záleží na tom, která chemikálie, tzv. absorbent, se použije.

Jaký absorbent se používá?

Několik různých, např. NaOH nebo skupina aminů. Zde se omezíme pouze na jeden z nich. Jako optimální absorbent pro chemickou absorpci CO2 se v poslední době ustálilo použití aminů, konkrétně kapaliny s názvem Monoethanolamin MEA, který je nejlépe zdokumentovaným absorbentem. MEA musí být přiveden do kontaktu se spalinami, z kterých je CO2 na povrchu vytvořeného kapalného filmu absorbováno a chemicky vázáno. Jeho nevýhodou je, že po absorpci CO2 je MEA korozivní a je tedy nutno použít nerez ocel či speciální úpravu povrchů.

Kde absorpce probíhá?

Absorpce se realizuje v různých aparátech, u velkých instalací jsou nejčastěji používané statické kolony s různým vnitřním uspořádáním, které jsou vyplněny různými typy náplně (nejznámějšími jsou Raschigovy kroužky). Do kolony je přiváděna absorpční kapalina, která je rozstřikována a gravitací stéká a tvoří na náplni kapalný film. Nejčastěji pak v protisměru proudí spaliny, z nichž se na povrchu kapalného filmu zachycuje a absorbuje CO2 – viz přiložený obrázek převzatý z bakalářské práce Ondřeje Straky z Chemické fakulty VUT v Brně, kde je také stručný přehled typů absorbérů: Bakalářská práce

Co následuje po procesu zachycení CO2?

K samotnému procesu zachycení, tj. absorpci, je nutno přidat ještě proces, v kterém se absorbent (v našem případě MEA) musí tzv. regenerovat, tj. uvolnit z něho zpět CO2, tak aby se MEA mohl opět použít/recyklovat. A na regeneraci, která spočívá v zahřátí MEA a uvolnění CO2 je nutno přivést energii. CO2 se pak stlačuje na vysoký tlak a transportuje se a ukládá, např. v geologicky vhodných lokalitách.

Co se dá ještě říci o procesu zachycení a uložení CO2?

Fáze zachycení (absorpce a chemické reakce) a regenerace je pro celý proces CCS nejvýznamnější a také nejdražší. Uvádí se, že proces zachycení CO2 představuje až 70% nákladů na technologii CCS. Proto je snaha daný proces intenzifikovat. Tj. dosáhnout intenzivnější přenos hmoty mezi spalinami, resp. CO2 a kapalným absorbentem, tj. v našem případě MEA. Pokud se to podaří, bude velikost celé instalace výrazně menší a klesnou i investiční náklady. U statických kolon je problém, že zvyšovat jejich účinnost nelze, jednoduše proto, že kapalina proudí vlivem zemské gravitace a tu bohužel nelze zvýšit. Takže, pokud chceme zvětšit výkon statické kolony, aby zpracovala větší množství spalin, jediné řešení je zvětšit její velikost. Běžně mívají statické kolony výšku mnoho desítek metrů a průměr klidně 8m, 10m. A opět rostou investiční náklady a požadavky na prostor.

Proč je takový problém zvýšit zachycení CO2, resp. zvýšit přenos hmoty mezi plynem a absorbentem?

Zásadním problémem při procesu absorpce je zemská gravitace, která je příčinou, že kapalina stéká uvnitř kolony. Pokud máte za sebou předmět Přenos tepla, či tuto část v rámci předmětu Termomechanika, tak si jistě pamatujete na přenos tepla konvekcí, či prouděním. Pokud máme horký povrch a potřebujeme ho ochladit třeba studenou vodou co nejintenzivněji, tj. nejrychleji, pak máme dvě možnosti: buď snížíme teplotu chladicí vody, abychom zvětšili teplotní diferenci mezi povrchem a vodou (tato možnost většinou není, protože máme k dispozici vodu o dané teplotě) proudící okolo tohoto povrchu. Anebo „zintenzivníme“ přenos tepla mezi povrchem a vodou tím, že zvýšíme rychlost proudění vody a tím pádem tzv. součinitel přestupu tepla. A na stejném principu funguje přenos hmoty mezi CO2 a kapalným filmem (povrchem) MEA. Koncentrace CO2 ve spalinách je daná (nebudeme ji přeci uměle zvyšovat) a v MEA je na počátku nulová. Je to analogie s teplotu povrchu a vody. Ve spalinách je koncentrace CO2 výsledkem druhu spalovaného paliva a způsobu hoření a v kapalném filmu MEA je na počátku nulová a tudíž nemůžeme ovlivnit přenos hmoty tím, že bychom zvýšili rozdíl koncentrací (ten je jakousi hnací silou pro přenos hmoty, resp. absorpci). A proto jediným řešením je zintenzivnit přenos hmoty.

Jakým způsobem můžeme zvýšit přenos hmoty mezi CO2 a MEA?

Zvýšíme řádově rychlost proudění kapalného filmu. A jak toho lze dosáhnout? Jak řečeno výše, zemskou gravitaci neošidíme. Tak zbývá jediná cesta, použít odstředivou sílu, resp. nahradit přirozenou gravitační sílu umělou, vyvolanou odstředivým zrychlením.

Na přiloženém obrázku je vidět, jak takové zařízení pracuje. Ve válcové skříni je rotující výplň (šrafovaná část), což může být drátěná síť, kovová pěna apod., na jejíž vnitřní obvod je přiváděna kapalina (v našem případě MEA) - pozice 1. Kapalina proudí odstředivou silou rotující náplní směrem k vnějšímu obvodu, přičemž uvnitř náplně dochází ke kontaktu se spalinami, které jsou přiváděny na vnější povrch rotujícího síta (pozice 3). Uvnitř drátěné vestavby na jejím drátěném povrchu se vytvoří kapalný film, mezi oky sítě pak letí různě velké kapky či shluky kapek a toto vše tvoří rozhraní mezi kapalnou a plynnou fází, kde dochází k přenosu CO2 do MEA. Spaliny „ochuzené“ o CO2 jsou odváděny středovou trubkou (pozice 4), MEA „obohacené“ o CO2 pak odchází ze dna skříně (pozice 2). Krása tohoto řešení spočívá v tom, že volbou otáček, průměrů rotujícího síta a také do jisté míry typem drátěné vestavby, tj. její porozitou, můžeme snadno kontrolovat intenzitu přenosu hmoty, resp. intenzitu zachycení CO2. V literatuře se uvádí, že se dá dosáhnout až třicetinásobek zemské gravitace (dá se dosáhnout samozřejmě větší, ale nastávají problémy s dynamikou a kmitáním rotující části a zkracuje se doba, po kterou je MEA v kontaktu s plynem a nestačí dojít k absorpci a chemické reakci). Anglicky se používá pro tento aparát název Rotating Packed Bed nebo také HiGee (high gravitation) a byl patentován v roce 1981 (Ramshaw, C.; Mallinson, R. H. Mass Transfer Process. U.S. Patent 4,283,255). Proces s použitím RPB je podle Ramshawa nazývaný Process intensification PI. Schéma z patentu je na přiloženém obrázku – mimochodem, nejdeš v popisu na schématu jednu zásadní chybu? Pokud ano, napiš na email na konci celého textu.

Jak je technologie CCS na principu chemické absorpce finančně náročná a kde ve světě je instalována?

Technologie „post-combustion“ CCS je finančně nesmírně náročná a proto jsou její komerční instalace velmi sporadické. V celém procesu CCS je nejdražší částí zachycení CO2 a regenerace absorbentu, která činí až 70% celého procesu CCS (včetně tepelných výměníků na využití tepla z regenerace absorbentu). Pouhých 30% pak jde na transport CO2 a jeho uložení. Z toho je patrné, jak velký význam má intenzifikace samotného procesu zachycení CO2 a snížení ceny této části procesu CCS. Podle studie U. S. Department of Energy - National Energy Technology Laboratory se cena instalace v elektrárně se zachycením CO2 zvýší oproti bez zachycení asi o 1300 US$/kW výkonu. Podle jiné studie pak tento nárůst činí cca 900 €/kW (oba údaje jsou však z roku 2007, v dnešní době mohou být tyto náklady nižší, tak jak se technologie CCS stává dostupnější).

Prakticky jediná velká instalace na komerční bázi je v Kanadě, v elektrárně SaskPower v Boundary Dam. Všechny ostatní instalace jsou pilotního, tj. testovacího charakteru, tj. zachycují jen nepatrnou část z celkové produkce daného zdroje. Např. jedna z největších pilotních instalací AEP Mountaineer (Alstom 2011) ve West Virginia, USA zachycuje 100000 tCO2/rok, při ceně dodatečné instalace na proces CCS ve výši 668 Milionů US$ (výstavba druhé fáze byla mezitím zrušena). Srovnej např. produkci CO2 v teplárně České Budějovice (pouhý střední zdroj) ve výši 96 tCO2/hod, což činí při celoročním provozu cca 800000 tCO2. Celá řada dalších instalací ve světě byla ještě ve fázi projekce zrušena, pravděpodobnou příčinou (spekulujeme) jsou nesmírně vysoké náklady.

V Evropě je situace dosti tristní. Dvě pilotní instalace (tj. na úrovni TRL 6), jedna RWE v Německu v Niederaussemu, druhá v Dánsku v uhelné elektrárně v Esbjergu. Ve fázi instalace je pilotní provoz ve Velké Británii poblíž Sheffieldu. To je v porovnání třeba s USA, kde je v provozu devět pilotních instalací hodně málo.  Za pozornost ještě stojí Evropské CO2 testovací centrum v Mongstadu v Norsku, vybudované konsorciem firem Gassnova, Statoil, Sasol a Shell v ceně US$ 1,02 miliard, kde jsou testovány různé technologie chemické absorpce. Tristní situace v Evropě je vyjádřena ve zprávě auditorů Evropského účetního dvora (Zvláštní zpráva č.24/2018), kde je konstatováno, že EU není úspěšná v komerčním využití zachycování uhlíku a Evropský program podle této zprávy nesplnil v oblasti CCS své ambice. Postup mnoha projektů CCS brzdila nebo zpožďovala mimo vysoké ceny i nejistota ohledně regulačních rámců a politik.

Existuje porovnání velikosti klasické statické kolony na chemickou absorpci a zařízení s rotujícím absorbérem?

Ano, taková studie byla zpracována na Newcastle University ve Velké Británii, kde se také staví instalace na zdroji 250 MWe poblíž Sheffieldu. Srovnání velikosti ukazuje, že zařízení s rotujícím absorbérem (RPB) může být až 12x menší – viz obrázek (zdroj School of Chemical Engineering and Advanced Materials, Newcastle University) a samozřejmě budou nižší i investiční náklady.

Do jakého směru vývoje se hodláme zaměřit na odboru termomechaniky a techniky prostředí Energetického ústavu?

Z různých publikovaných článků je zřejmé, že na účinnost zachycení CO2 v rotačním absorbéru má značný vliv způsob, kterým se přivádí kapalný absorbent (v našem případě MEA) na vnitřní povrch rotujícího síta, tj. „liquid distributor“ – viz obrázek (převzato z článku Experimental investigations on the upper operating limit in rotating packed beds, Chemical Engineering & Processing: Process Intensification 121 (2017) 240–247). Tj. zda se kapalina přivádí jednoduchými otvory v trubce, jakou rychlostí (aby nebyla kapalina „přetlačena“ z vnějšku proudícím plynem, jehož rychlost narůstá tak jak klesá plocha obvodu směrem k vnitřku vestavby), či trysky s nějakým velikostním spektrem, sprej či paprsek různě nakloněný vůči rotaci a celá řada dalších aspektů, např. otázka: je lepší přivést kapalinu na vnitřní povrch s menším či větším poloměrem? Tj. vliv odstředivé síly, která se projeví ihned na počátku rozstřiku atd. atd. atd. Způsob přívodu kapaliny a její rozstřik uvnitř rotující vestavby má vliv na tvorbu kapalného filmu na povrchu „drátků“, a to následně pak na velikost plochy, na níž dojde k absorpci CO2. A je s tím spojená celá řada dílčích problémů, na jejichž popis zde není prostor.

Zmiňme alespoň jeden důležitý, a to je typ drátěného rotujícího síta, tj. vlastní náplň (packing). Na rozdíl od původního patentu (zmínka výše), který používal z větší části výplň ze skleněných kuliček, se dnes používá „wire mesh“ (schématický obrázek zde).

Skutečná síť, používaná v lab scale zařízeních je např. tzv. „raised mesh“ Expamet (obrázek níže), tj. vylisovaná do “výšky“ s tloušťkou drátu cca 0,5mm, nebo Montz (německý výrobce), nebo hodně sofistikované a také dražší řešení s použitím kovové pěny (metal foam) s 3D otevřenými buňkami, např. holandský Recemat – viz další obrázek.

Jaké metody budeme používat při výzkumu rotačního absorbéru?

Experimentální výzkum na lab-scale zařízení. Výzkum bude zaměřen na studium rozstřikované kapaliny na vstupu do síta a na výstupu z něho. Bude používána simulační kapalina, která bude mít stejné vlastnosti jako MEA, tj. viskozitu, povrchové napětí a hustotu. Bude používána rychlá kamera na zviditelnění spektra kapek a laserový systém Phase Doppler Anemometer PDA na detailní studium spektra. Porovnání spekter na vstupu a na výstupu nám dá jistou informaci o chování kapaliny uvnitř rotujícího síta.

Počítačové modelování pomocí CFD softwaru CCM+ (Siemens Adapco). Použit může být jakýkoliv jiný CFD kód (např. Ansys). Bude používán model Volume of Fluid VOF. Simulován bude rozstřik, resp. rozložení kapaliny uvnitř rotujícího síta a množství zadržené kapaliny na sítu (tzv. liquid holdup). V současné době máme již první výsledky.

V jaké fázi výzkumu se nacházíme?

• V části experimentální jsme na úplném začátku, tj. máme teoretické znalosti, víme z celé řady článků, jak postavit laboratorní zařízení v tzv. „lab scale“ a víme, v čem se dá rotační absorbér vylepšit (přinejmenším si to myslíme).
• V současné době jeden z našich studentů studuje konstrukci „lab scale“ zařízení a začne ho kreslit, aby se mohlo vyrobit.
• Máme vytypované drátěné sítě, které se následně nakoupí a instalují do zařízení (jedná se o Expamet, Montz a kovovou pěnu)
• V části CFD simulací je hotový a vysíťovaný geometrický model a provedeny první výpočty s modelem Volume of Fluid, který řeší rozložení kapaliny uvnitř síta.

Co nabízíme studentům?

• Spolupráci na velmi aktuálním tématu, na kterém se mohou podílet studenti bakalářského, magisterského a doktorského programu.
• Studenti bakalářského programu možná najdou zajímavé téma na závěrečnou práci a možná i následně na diplomku. Studenti magisterského programu i téma na doktorát. Téma je nejbližší studentům magisterského programu Procesní inženýrství, Energetické inženýrství, Technika prostředí.
• Finanční podporu při studiu.

Pokud bude mít kdokoliv zájem dovědět se něco navíc, nebo se budete chtít zapojit do spolupráce (stavba experimentálního zařízení, provádění experimentů, CFD simulace, atd.), kontaktujte:

prof. Ing. Miroslav Jícha, CSc.
Energetický ústav, FSI VUT v Brně
e-mail: jicha@fme.vutbr.cz
tel.: +420 541 143 271