PICC – Process Integrated Carbon Capture - Design and Evaluation

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/502519

Short description (German)

Das Netto-Null-Ziel kann nur erreicht werden, wenn CO2 aus Punktquellen oder aus der Atmosphäre abgeschieden und dauerhaft gespeichert wird. Eine grosse Herausforderung bei der Integration vonCO2-Abscheidungsanlagen (CC Anlagen) in der Industrie ist deren grosser Energiebedarf. Das Ziel dieses Projekts ist die Integration von CC-Anlagen in industriellen Fallbeispielen zu untersuchen. Im Rahmen dieser Untersuchungen werden verschiedene Designs und Betriebsweisen der CC-Anlagenbetrachtet. Mittels Prozessintegration wird bestimmt, wie die Systeme korrekt integriert werden können. Ausserdem werden technisch-wirtschaftliche Aspekte der Integration und des Betriebs des Gesamtsystems untersucht. Die Ergebnisse werden in einem Energiesystemmodell genutzt, mit welchem evaluiert wird, wie das Netto-Null-Ziel kostenoptimal erreicht werden kann. Die Arbeit umfasst weitereine Vorstudie zur Abklärung eines möglichen Mehrwertes durch die Integration von P2X-Technologienin das System. Es wird ein allgemeingültiger Leitfaden entwickelt, der die Erkenntnisse darstellt und Handlungsempfehlungen für die Umsetzung enthält.

Short description (English)

The net zero target can only be achieved if CO2 is captured from either point sources or from the atmosphere and stored permanently. One main challenge for integrating CO2 capture (CC) plants in industry is the large energy demand for the CO2 separation facility. This work aims to investigate CC integrated with industrial case studies. The investigation will study the various designs and operational variants of the CC plant, then using Process Integration to understand how to correctly integrate the systems. It will also consider techno-economic aspects of the integration and operation of the whole system. These will feed to an energy system model to assess how the net-zero greenhouse gas emissionsgoal can be achieved in a cost-optimal way. The work includes a preliminary study to evaluate if integrating P2X technology will add value to the system. A generalized guideline will be developed to present insights of the results and provide recommendations for the implementation and actionable advice.

Short description (French)

L'objectif du zéro net ne peut être atteint que si le CO2 est capturé à partir de sources ponctuelles ou de l'atmosphère et stocké de manière permanente. L'un des principaux défis de l'intégration des usines de capture du CO2 (CC) dans l'industrie est l'importante demande d'énergie pour l'installation de séparation du CO2. Ce travail a pour but d'étudier l'intégration du captage du CO2 à l'aide d'études de cas industriels. L'enquête étudiera les différentes conceptions et variantes opérationnelles de l'usine de CC, puis utilisera l'intégration des processus pour comprendre comment intégrer correctement les systèmes. Elle examinera également les aspects technico-économiques de l'intégration et du fonctionnement de l'ensemble du système. Ces aspects seront intégrés dans un modèle de système énergétique afin d'évaluer comment l'objectif d'émissions nettes nulles de gaz à effet de serre peut être atteint de manière optimale en termes de coûts. Le travail comprend une étude préliminaire pour évaluer si l'intégration de la technologie P2X ajoutera de la valeur au système. Une ligne directrice généralisée sera élaborée pour présenter les résultats et fournir des recommandations pour la mise en œuvre et des conseils pratiques.

Final report (German)

Um das politische Ziel der CO2-Neutralität zu erreichen, ist eine tiefgreifende Dekarbonisierung in allen Sektoren unerlässlich. Technologien zur CO2-Abscheidung, -Nutzung und -Speicherung sind entscheidend für die Verwirklichung des Schweizer Ziels, bis 2050 CO2-Neutralität zu erreichen. Das Projekt «Process Integrated Carbon Capture – Design and Evaluation» (PICC) präsentiert eine umfassende Methodik zur Integration von CO2-Abscheideanlagen in industrielle Prozesse, die in drei unterschiedlichen industriellen Umgebungen in der Schweiz demonstriert wird: KVA Linth (Abfallverbrennungsanlage), KSV Werdhölzli (Klärschlammverbrennungsanlage) und HHKW Galgenen (Holzkraftwerk). Das primäre Ziel besteht darin, integrierte Systeme zu entwerfen, die die Energieeffizienz steigern, die Wärmerückgewinnung optimieren und die CO2-Emissionen reduzieren, um so die Netto-Null-Ziele der Schweiz zu unterstützen. Das Projekt untersucht, wie sich die Integration von CO2-Abscheideanlagen in verschiedene industrielle Punktquellen auf die Energieeffizienz und die techno-ökonomische Leistung der integrierten Konzepte auswirkt. Der Ansatz kombiniert Prozesssimulation, Pinch-Analyse und Systemleistungsanalyse durch stückweise stationäre Simulationen:

Prozesssimulation: Mit CHEMCAD wurde die CO2-Abscheideanlage modelliert, um den stationären Betrieb zu simulieren und die Prozess- sowie Energieanforderungen zu ermitteln.

Pinch-Analyse: Die PinCH-Software ermöglichte die Auslegung von Wärmetauscher-Netzwerken (HEN) und optimierte die Integration der CO2-Abscheideanlage in bestehende Anlagensysteme, um die Wärmerückgewinnung zu maximieren und den zusätzlichen Energieverbrauch zu minimieren.

Systemanalyse: Modelica wurde für die stückweise stationäre Analyse eingesetzt, um die Leistung der integrierten Systeme über das Jahr hinweg unter Berücksichtigung saisonaler Schwankungen zu bewerten.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Integration von CO2-Abscheidungsanlagen in bestehende industrielle Prozesse die Gesamtenergieeffizienz im Vergleich zu eigenständigen Systemen verbessert, vor allem durch die Nutzung von Abwärme aus dem Abscheidungsprozess und die Anpassung an den Heizbedarf bei niedrigeren Temperaturen in industriellen Betrieben und deren Fernwärmenetzen. Wärmepumpen erwiesen sich als wesentliche Komponenten für den Ausgleich des Wärmebedarfs, die Optimierung der Systemleistung und die Verringerung der Abhängigkeit von Spitzenlastkesseln und externen Wärmeversorgungen. Dies führte zu einem geringeren Brennstoffverbrauch und geringeren Emissionen, wodurch die mit dem reduzierten Stromverkauf verbundenen Nachteile effektiv ausgeglichen wurden. Es bestehen jedoch weiterhin erhebliche Hindernisse für die Integration der CO2-Abscheidung, insbesondere die begrenzten Betriebsdaten zu den kapitalintensiven Abscheidungstechnologien und die Abhängigkeit der wirtschaftlichen Machbarkeit von der Dynamik des Strommarktes. In Systemen, in denen Wärmepumpen zum Einsatz kommen, beeinflussen die Strombezugs- und -verkaufspreise direkt die Betriebskosten und Einnahmequellen. Folglich hängt die wirtschaftliche Tragfähigkeit von Integrationskonzepten in hohem Maße von standortspezifischen Faktoren wie Energiepreisen und der Verfügbarkeit von Abwärme ab, was die Bedeutung maßgeschneiderter Integrationsstrategien zur Gewährleistung kosteneffizienter Emissionsminderungen unterstreicht.

Final report (English)

To achieve the policy objective of net-zero carbon emissions, deep decarbonization is essential across all sectors. Carbon capture, utilization, and storage technologies are critical in supporting Switzerland's goal of achieving net-zero carbon emissions by 2050. The Process Integrated Carbon Capture – Design and Evaluation (PICC) project presents a comprehensive methodology for integrating CO2 capture plants into industrial processes, demonstrated across three distinct industrial settings in Switzerland: KVA Linth (waste incineration plant), KSV Werdhölzli (sewage sludge incineration plant) and HHKW Galgenen (wood-fired power plant). The primary aim is to design integrated systems that enhance energy efficiency, optimise heat recovery, and reduce CO2 emissions, thereby supporting Switzerland's net-zero targets. The project investigates how integrating CO2 capture plants with various industrial point sources influence the energy efficiency and techno-economic performance of the integrated designs. The approach combines process simulation, Pinch Analysis, and system performance analysis through piece-wise steady-state simulations:

Process Simulation: Using CHEMCAD, the CO2 capture plant was modelled to simulate steady-state operation and identify process requirements and energy requirements.

Pinch Analysis: PinCH software facilitated the design of heat exchanger networks (HEN), optimising the integration of CO2 capture plant with existing plant systems to maximise heat recovery and minimise additional energy consumption.

System Analysis: Modelica was employed for piecewise steady-state analysis, assessing the integrated systems' performance over the year, accounting for seasonal variations.

The findings indicate that integrating CO2 capture plants with existing industrial processes enhances overall energy efficiency compared to stand-alone systems, primarily by utilising waste heat from the capture process and aligning with the lower temperature heating demands of industrial operations and their district heating networks. Heat pumps emerged as essential components in balancing thermal demands, optimising system performance, and reducing reliance on peak load boilers and external heat supplies. This led to lower fuel consumption and emissions, effectively offsetting the trade-offs associated with reduced electricity sales. However, major barriers to CO2 capture integration remain, particularly the limited operational data on the capital-intensive capture technologies and the sensitivity of economic feasibility to electricity market dynamics. In systems where heat pumps are used, the electricity purchase and sale prices directly influence operating costs and revenue streams. Consequently, the economic viability of integration concepts is highly dependent on site-specific factors, such as energy prices and the availability of waste heat, underscoring the importance of tailored integration strategies to ensure cost-effective emissions reductions.

Related documents

• Final report_english [PDF] 6'790 kB
• Final report_Guidelines_english [PDF] 1'441 kB

Final report (French)

Pour atteindre l'objectif politique de zéro émission nette de carbone, une décarbonisation en profondeur est indispensable dans tous les secteurs. Les technologies de capture, de valorisation et de stockage du carbone jouent un rôle essentiel pour soutenir l'objectif de la Suisse d'atteindre la neutralité carbone d'ici 2050. Le projet « Process Integrated Carbon Capture – Design and Evaluation » (PICC) présente une méthodologie complète pour l'intégration d'installations de captage du CO2 dans les processus industriels, mise en œuvre dans trois sites industriels distincts en Suisse : KVA Linth (usine d'incinération des déchets), KSV Werdhölzli (usine d'incinération des boues d'épuration) et HHKW Galgenen (centrale électrique au bois). L'objectif principal est de concevoir des systèmes intégrés qui améliorent l'efficacité énergétique, optimisent la récupération de chaleur et réduisent les émissions de CO2, soutenant ainsi les objectifs de zéro émission nette de la Suisse. Le projet examine comment l'intégration d'installations de captage du CO2 à diverses sources industrielles ponctuelles influence l'efficacité énergétique et les performances technico-économiques des conceptions intégrées. L'approche combine la simulation de processus, l'analyse Pinch et l'analyse des performances du système à travers des simulations par étapes en régime permanent :

Simulation de processus : à l’aide de CHEMCAD, l’installation de captage de CO2 a été modélisée pour simuler un fonctionnement en régime permanent et identifier les exigences du processus et les besoins énergétiques.

Analyse Pinch : le logiciel PinCH a facilité la conception de réseaux d’échangeurs de chaleur (HEN), en optimisant l’intégration de l’installation de captage de CO2 aux systèmes existants de l’usine afin de maximiser la récupération de chaleur et de minimiser la consommation d’énergie supplémentaire.

Analyse du système : Modelica a été utilisé pour l'analyse par segments en régime permanent, évaluant les performances des systèmes intégrés sur l'année, en tenant compte des variations saisonnières.

Les résultats indiquent que l'intégration d'installations de captage de CO2 aux processus industriels existants améliore l'efficacité énergétique globale par rapport aux systèmes autonomes, principalement en utilisant la chaleur résiduelle du processus de captage et en s'adaptant aux besoins de chauffage à basse température des opérations industrielles et de leurs réseaux de chauffage urbain. Les pompes à chaleur se sont révélées être des composants essentiels pour équilibrer les demandes thermiques, optimiser les performances du système et réduire la dépendance vis-à-vis des chaudières de pointe et des sources de chaleur externes. Cela a permis de réduire la consommation de combustible et les émissions, compensant ainsi efficacement les compromis liés à la baisse des ventes d'électricité. Cependant, des obstacles majeurs à l'intégration de la capture du CO2 subsistent, notamment le manque de données opérationnelles sur les technologies de capture à forte intensité capitalistique et la sensibilité de la faisabilité économique aux dynamiques du marché de l'électricité. Dans les systèmes utilisant des pompes à chaleur, les prix d'achat et de vente de l'électricité influencent directement les coûts d'exploitation et les sources de revenus. Par conséquent, la viabilité économique des concepts d'intégration dépend fortement de facteurs spécifiques au site, tels que les prix de l'énergie et la disponibilité de la chaleur résiduelle, ce qui souligne l'importance de stratégies d'intégration sur mesure pour garantir des réductions d'émissions rentables.