Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Derzeit erfordert die CO2-Abscheidung mit flüssigen Alkanolaminen Energiekosten von 2,5 bis 3,5 MJ/kg CO2.1 Diese Werte sind noch weit von dem Zielwert von 1 MJ/kg CO2 entfernt, bei dem Abscheidungsverfahren als rentabel gelten. Wir haben kürzlich geschätzt, dass der Energieverbrauch durch den Einsatz fester Adsorbentien auf 500 kJ/kg CO2 gesenkt werden kann, während die CO2-Produktivität bei über 200 kg CO2/m3/h bleibt.2 Wenn ein solches Ziel erreicht wird, würde dies zu einer beträchtlichen Verringerung der Grösse (Fixkosten) und des Energieverbrauchs (variable Kosten) der Kohlenstoffabscheidungsanlage führen. Die EPFL hat synthetische Strategien entwickelt, um die Leistung von porösen Materialien in CO2-basierten Abscheidungen mit hohen, zyklischen CO2-Kapazitäten zu verbessern. Unser Ziel ist es daher, eine Pilotanlage zur Abscheidung von CO2 aus Gasgemischen zu errichten, deren Zusammensetzung und Temperaturen denen von Kraftwerken und anderen Abgasströmen entsprechen, wobei die an der EPFL entwickelten festen Adsorbentien verwendet werden. Mit der Anlage werden wir verschiedene wichtige Leistungsindikatoren wie Produktivität, prozentuale Reinheit und prozentuale Rückgewinnung bei unterschiedlichen Material- und Prozessparametern überwachen, um zu verstehen, wie sich diese Faktoren auf den Energie- und Kostenaufwand für die CO2-Abscheidung auswirken.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Currently, CO2 capture with liquid alkanolamines requires an energy cost ranging from 2.5 to 3.5 MJ / kg CO2; 1 values that are still far from the target, 1 MJ / kg CO2, where capture processes are considered viable. We recently estimated that using solid adsorbents, one can decrease the energy consumption as low as 500 kJ/kg CO2, while keeping CO2 productivity greater than 200 kg CO2/m3/h.2 If such a target is reached, it would lead to a considerable decrease in the size (fixed cost) and energy consumption (variable cost) of the carbon capture plant. EPFL has developed synthetic strategies to enhance the performance of porous materials in CO2-based separations with high, cyclable CO2 capacities. Thus, our goal is to construct a pilot plant to capture CO2 from gas mixtures that have compositions and temperatures matching those of power plants and other exhaust gas streams using the solid adsorbents that were developed at EPFL. With the unit, we will monitor various key performance indicators, like productivity, percentage purity, and percentage recovery with varying material and process parameters to understand how such factors impact the energy and cost required for the capture of CO2.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Actuellement, la capture du CO2 à l'aide d'alcanolamines liquides nécessite un coût énergétique allant de 2,5 à 3,5 MJ/kg de CO21 ; des valeurs qui sont encore loin de l'objectif de 1 MJ/kg de CO2, pour lequel les procédés de capture sont considérés comme viables. Nous avons récemment estimé qu'en utilisant des adsorbants solides, il est possible de réduire la consommation d'énergie jusqu'à 500 kJ/kg de CO2, tout en conservant une productivité de CO2 supérieure à 200 kg CO2/m3/h.2 Si un tel objectif est atteint, cela conduirait à une réduction considérable de la taille (coût fixe) et de la consommation d'énergie (coût variable) de l'usine de capture du carbone. L'EPFL a développé des stratégies synthétiques pour améliorer la performance des matériaux poreux dans les séparations basées sur le CO2 avec des capacités de CO2 élevées et cyclables. Notre objectif est donc de construire une installation pilote pour capturer le CO2 à partir de mélanges de gaz dont la composition et la température correspondent à celles des centrales électriques et d'autres flux de gaz d'échappement, en utilisant les adsorbants solides développés à l'EPFL. Avec l'unité, nous surveillerons divers indicateurs de performance clés, tels que la productivité, le pourcentage de pureté et le pourcentage de récupération en fonction de différents paramètres de matériaux et de processus, afin de comprendre comment ces facteurs influencent l'énergie et le coût requis pour la capture du CO2.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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In den letzten Jahrzehnten sind die CO2-Emissionen aufgrund der negativen Auswirkungen der steigenden Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre auf die Umwelt zu einem wichtigen gesellschaftlichen Anliegen geworden; diese Auswirkungen machen die Durchführung groß angelegter CO2-Abscheidungsmaßnahmen sinnvoll. Die ausgereifteste Abscheidungstechnologie sind Wäscher auf der Basis von flüssigem Amin. Obwohl sie gut funktionieren, erfordert die CO2-Abscheidung mit flüssigen Alkanolaminen Energiekosten von 2.5 bis 3.5 MJ/kg CO2;1 Werte, die noch weit von dem Zielwert von 1 MJ/kg CO2 entfernt sind, bei dem Abscheidungsverfahren als rentabler gelten. Aufgrund ihrer geringeren Wärmekapazitäten werden feste Adsorbentien als Alternative zu flüssigen Aminen erforscht. Ziel dieses Projekts ist es daher, den Einsatz verschiedener fester Adsorbentien in einem Abscheidungsprozess im Kilogramm-Maßstab zu demonstrieren und die beste Kombination aus Adsorbent und Prozess zu ermitteln, die die geringsten wirtschaftlichen und energetischen Kosten verursacht. Wir schätzen, dass durch den Einsatz fester Adsorbentien der Energieverbrauch < 1 MJ/kg CO2 gesenkt werden kann, während die CO2-Produktivität > 200 kg CO2/m3/h bleibt.2 Das Erreichen solcher Ziele kann zu einer erheblichen Verringerung der Größe (Fixkosten) und des Energieverbrauchs (variable Kosten) der Kohlenstoffabscheidungsanlage führen. Im Rahmen dieses Projekts ist es daher unser Ziel, die Leistung bestimmter Adsorbentien zu optimieren, eine Pilotanlage zur Abscheidung von CO2 aus Gasgemischen zu bauen, deren Zusammensetzung und Temperaturen denen von Kraftwerken und anderen Abgasströmen entsprechen, und diese Adsorbentien in der Pilotanlage einzusetzen. In der Pilotanlage werden verschiedene Arten von festen CO2-Adsorbentien wie Siliziumdioxid, metallorganische Gerüste (MOFs) und Zeolithe (mit oder ohne Aminimprägnierung) eingesetzt, und in der Pilotanlage werden verschiedene wichtige Leistungsindikatoren wie Produktivität, prozentuale Reinheit und prozentuale Rückgewinnung bei unterschiedlichen Material- und Prozessparametern überwacht. Diese Daten werden in Verbindung mit verfahrenstechnischen und technisch-wirtschaftlichen Analysen zur Optimierung der Material- und Verfahrenskombination verwendet, um ein CO2-Abscheidungsverfahren mit den geringstmöglichen wirtschaftlichen und energetischen Kosten zu erhalten. Im ersten Jahr wurden bereits bedeutende Fortschritte erzielt. Erstens haben wir an der Optimierung unserer festen Adsorbentien gearbeitet, ihre Zyklierbarkeit mit mehr als 250 Zyklen getestet und begonnen, ausgewählte MOFs erfolgreich auf 250 Gramm zu vergrößern und diese Materialien mit verschiedenen Ansätzen zu größeren Strukturen zu formen. Bei der MOF-Synthese wurde insbesondere der Waschschritt verfeinert, was zu einer erheblichen Kostensenkung um den Faktor 4.5 bei der Synthese führte. Wichtig ist, dass die Pilotanlage im Werk getestet wurde und kurz vor der Fertigstellung steht. Wir gehen davon aus, dass sie Ende dieses Jahres installiert werden kann, sobald das Gebäude, in dem die Pilotanlage installiert wird, fertiggestellt ist. Was schließlich die Prozessgestaltung betrifft, so wurde in Zusammenarbeit mit Professor François Maréchal ein umfassendes TSA-Prozessmodell (Temperaturwechseladsorption) entwickelt. Das Modell wurde bereits mit experimentellen Daten aus der Literatur validiert und wird in Zukunft zusammen mit den experimentellen Daten aus der Pilotanlage verwendet werden, um die optimalen Prozessbedingungen (Prozess/Materialkombination) für den Abscheidungsprozess zu ermitteln.
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Over the past few decades, CO2 emissions have become a major societal concern due to the adverse effects that rising atmospheric greenhouse gas concentrations are having on the environment; such effects make the implementation of large-scale CO2 capture efforts pertinent; however, this implementation has been hampered by the high economic and energy costs of the capture process. The most mature capture technology are liquid amine-based scrubbers. Although they perform well, the CO2 capture with liquid alkanolamines requires an energy cost ranging from 2.5 to 3.5 MJ / kg CO2;1 values that are still far from the target, 1 MJ / kg CO2, where capture processes are considered to be more viable. Given their lower heat capacities, solid adsorbents are being explored as alternatives to liquid amines. Thus, it is the goal of this project to demonstrate the use of various solid adsorbents in a kg scale capture process and elucidate the best adsorbent/process combination that gives rise to the lowest economic and energy cost. We estimate that using solid adsorbents, one can decrease the energy consumption < 1MJ/kg CO2, while keeping CO2 productivity > 200 kg CO2/m3/h.2 Reaching such targets can lead to considerable decreases in the size (fixed cost) and energy consumption (variable cost) of the carbon capture plant. Thus, within the context of this project it is our goal to optimize performance of targeted adsorbents, construct a pilot plant to capture CO2 from gas mixtures that have compositions and temperatures matching those of power plants and other exhaust gas streams, and implement those adsorbents into the pilot plant. Several different types of solid CO2 adsorbents, such as silicas, metal-organic frameworks (MOFs) and zeolites (either with or without amine impregnation) will be implemented in the pilot plant, and from the pilot plant, various key performance indicators, like productivity, % purity, and % recovery with varying material and process parameters, will be monitored. This data output, combined with process design engineering and technoeconomic analyses, will be used to optimize the materials and process combination, allowing us to obtain a CO2 capture process that has the lowest economic and energy cost possible. In the first year, significant progress has been made. Firstly, we have worked to optimize our solid adsorbents, tested their cyclability >250 cycles, began successfully scaling up selected MOFs to 250 grams and shaping those materials into larger structures using several different approaches. Notably, for the MOF synthesis, the washing step was refined, leading to a substantial cost reduction by a factor of 4.5 in the synthesis. Importantly, the pilot plant has been factory tested and is close to final. We expect it to be installed at the end of this year once the building where the pilot plant will be installed is finalized. Finally, from the process design side, a comprehensive TSA (Temperature Swing Adsorption) process model has been developed in collaboration with Professor François Maréchal. The model has already been validated with experimental data from the literature and will be used in the future, with the experimental data obtained from the pilot plant, enabling us to elucidate the optimal process conditions (process/materials combination) for the capture process.
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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Au cours des dernières décennies, les émissions de CO2 sont devenues une préoccupation sociétale majeure en raison des effets néfastes de l’augmentation des concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre sur l’environnement. De tels effets rendent pertinente la mise en oeuvre à grande échelle d’efforts de captage du CO2 ; cependant, cette mise en oeuvre a été entravée par les coûts économiques et énergétiques élevés du processus de capture. La technologie de capture la plus mature est celle des épurateurs liquides à base d’amines. Bien que performant, le captage du CO2 avec des alcanolamines liquides possède un coût énergétique allant de 2.5 à 3.5 MJ/kg CO2; 1 des valeurs encore loin de l'objectif d'1 MJ/kg CO2, où les procédés de captage sont jugés plus viables. Compte tenu de leurs capacités thermiques inférieures, les adsorbants solides sont étudiés comme alternative aux amines liquides. Ainsi, l'objectif de ce projet est de démontrer l'utilisation de divers adsorbants solides dans un processus de capture à l'échelle du kg et d'élucider la meilleure combinaison adsorbant/processus qui donne lieu au coût économique et énergétique le plus bas. Nous estimons qu'en utilisant des adsorbants solides, nous pouvons diminuer la consommation d'énergie à moins d'1 MJ/kg CO2, tout en maintenant la productivité de capture du CO2 supérieure à 200 kg CO2/m3/h. 2 Atteindre de tels objectifs peut conduire à des diminutions considérables de la taille (coût fixe) et de la consommation d'énergie (coût variable) de l’usine de captage du carbone. Ainsi, dans le contexte de ce projet, notre objectif est d'optimiser les performances des adsorbants ciblés, de construire une usine pilote pour capturer le CO2 à partir de mélanges gazeux dont les compositions et les températures correspondent à celles des centrales électriques et des flux de gaz d'échappement types, puis de mettre en oeuvre ces adsorbants dans l'usine pilote. Plusieurs classes différentes d'adsorbants solides, tels que les silices, les structures métallo-organiques (MOF) et les zéolites (avec ou sans imprégnation d'amines) seront mis en oeuvre dans l'usine pilote, et à partir de l'usine pilote, divers indicateurs de performance clés, comme la productivité, le pourcentage de pureté et le pourcentage de récupération avec différents paramètres de matériaux et de processus seront surveillés. Ces données, combinées à l'ingénierie de conception des procédés et aux analyses technico-économiques, seront utilisées pour optimiser la combinaison de matériaux et de procédés, nous permettant d'obtenir un procédé de captage du CO2 ayant le coût économique et énergétique le plus bas possible. Dès la première année, des progrès significatifs ont été réalisés. Premièrement, nous avons travaillé pour optimiser nos adsorbants solides, testé leur cyclabilité > 250 cycles, commencé avec succès à augmenter l’échelle de production des MOF sélectionnés jusqu'à 250 grammes et à façonner ces matériaux en structures plus grandes en utilisant plusieurs approches différentes. Notamment, pour la synthèse des MOF, l’étape de lavage a été affinée, conduisant à une réduction substantielle des coûts d’un facteur 4,5 dans la synthèse. Il est important de noter que l'usine pilote a été testée en usine et est proche de la version définitive. Nous prévoyons qu'elle soit installée à la fin de cette année, une fois que le bâtiment où elle sera installée sera finalisé. Enfin, du côté de la conception du procédé, un modèle de procédé TSA (Temperature Swing Adsorption) complet a été développé en collaboration avec le Professeur François Maréchal. Le modèle a déjà été validé avec des données expérimentales de la littérature et sera utilisé dans le futur, avec les données expérimentales obtenues de l'usine pilote, nous permettant d'élucider les conditions de procédé optimales (combinaison procédé/matériaux) pour le procédé de capture.
Zugehörige Dokumente
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