VALMIUDET CCS-PROSESSIEN KEHITYKSEEN KESKI-SUOMESSA (CCS-TOOLS) V Liekkipäivä Dipoli, Otaniemi, Espoo Antti Tourunen, VTT

Transkriptio

1 VALMIUDET CCS-PROSESSIEN KEHITYKSEEN KESKI-SUOMESSA (CCS-TOOLS) V Liekkipäivä Dipoli, Otaniemi, Espoo Antti Tourunen, VTT

2 Projektiesittely - Sisältö Tausta ja lähtökohdat CCS:n periaate Tavoitteet Työpaketit Miksi? Mitä? Miten?

3 VALMIUDET CCS-PROSESSIEN KEHITYKSEEN KESKI-SUOMESSA (CCS-TOOLS) Hankkeen kesto: Yhteistyökumppanit: Tekes, Foster Wheeler Energia Oy, Sammet Oy, Benet Oy, Movista Oy

4 Mitä tarkoittaa hiilidioksidin (CO 2 ) talteenotto? Talteenotto Teknologiat tarkoituksena on tuottaa mahdollisimman puhdasta hiilidioksidia, joka sopii kuljetettavaksi ja varastoitavaksi CO2 Hiilidioksidin varastointi

5 Hiilidioksidin talteenottotekniikat Nykytekniikalla hiilidioksidia voidaan erottaa kolmella eri tavalla riippuen prosessista tai voimalaitossovellutuksesta 1) talteenotto savukaasuista, 2) talteenotto ennen polttoa tai 3) talteenotto happipolton avulla Alkuperäinen kuva: IPCC 2005) Näiden lisäksi on kehitteillä uusia, erityisesti CCS-tarkoituksiin suunniteltuja menetelmiä, kuten hapen kantajiin perustuva poltto (CLC)

6 Projektiesittely Lähtökohta (1/3) Energiantuotantosektorin murros Ilmastonmuutoksen hillintä ja hiilidioksidipäästöjen vähentäminen ovat keskeisiä energiantuotantoa ja tuotantoteknologioita ohjaavia tekijöitä 2006 kokonaisenergiatuotannosta 81% tuotettiin kivihiilellä, maakaasulla ja öljyllä ja sähköntuotannossa fossiilisten polttoaineiden osuus oli 67% Fossiilisten polttoaineiden korvaaminen lyhyellä tähtäimellä uusiutuvilla ja muilla CO 2 vapailla teknologioilla ei ole realistista Merkittävimmät keinot CO 2 päästöjen vähentämiseksi ovat energiatehokkuuden parantaminen, energian säästö sekä hiilidioksidipäästöjen vähentäminen sähköntuotannossa. Source: IEA World Energy Outlook 2006

7 Projektiesittely Lähtökohta (2/3) Ilmaston lämpenemisen pysäyttämiseksi pitäisi CO 2 -päästöjä pystyä vähentämään radikaalisti vuoteen 2100 mennessä Tavoitteen saavuttamiseksi tarvitaan kaikkia esitettyjä vähentämiskeinoja ja vahvaa panostusta teknologian kehittämiseen CCS tekniikat on arvioitu tärkeimmäksi yksittäiseksi uudeksi tekniikaksi hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä IEA:n skenaarion* mukaan joka vuosi tarvitaan uutta CCS hiilivoimalaitosta (500MWe, ) Energiantuotannon lisäksi CCS on sovellettavissa myös muihin prosesseihin - terästeollisuus - bio- ja turvepohjaisten liikennepolttonesteiden tuotanto jne. *Energy Technology Perspectives 2008 Scenarios & Strategies to OECD/IEA, 2008

8 Projektiesittely Lähtökohta (3/3) Hiilidioksidin talteenottoon perustuvat energiantuotantoprosessit ovat huomattavasti monimutkaisempia kuin perinteiset tuotantotekniikat Normaaliin voimalaitostoimitukseen verrattuna CCS-laitoksen vaatima tila on yli kaksinkertainen mikä tarkoittaa myös laitetoimitusten volyymin merkittävää kasvamista CCS-laitoksen investointi on % suurempi verrattuna perinteiseen voimalaitostoimitukseen. Tämä avaa mahdollisuuksia uusille toimijoille, jotka osaavat soveltaa eri alojen osaamista CCS prosessin laitesuunnitteluun, ohjaukseen ja automaatioon jne.

9 Projektiesittely - Tavoitteet Hankkeen tavoitteena on: 1) kehittää CCS-prosesseihin soveltuvia laskenta- ja simulointivalmiuksia 2) polttokoelaitteiden ohjaus- ja automaatiojärjestelmän parantaminen tukemaan happipolttotutkimusta ja helpottamaan mallien liityntää automaatiorajapintaan 3) tuoda esille tiedotuksen avulla CCS tekniikan tarjoamia mahdollisuuksia Näiden toimenpiteiden kautta hanke tarjoaa maakunnan kannalta keskeisen reitin avata uusia liiketoimintamahdollisuuksia CCS tekniikan kehityksessä Tavoitteena on saada aktivoitua maakunnan yritykset ja tutkimustahot mukaan uuden ympäristöystävällisen teknologian kehitykseen

10 WP1: Tiedottaminen Projektiesittely Toteutus WP1 CCS-tekniikat ovat nyt etenemässä vauhdilla demonstrointivaiheeseen Yrityksille ja tutkimuslaitoksille demonstrointihankkeet ovat tärkeä mahdollisuus päästä mukaan tekniikan kehitykseen ja kaupallistamiseen Suomalaisen teollisuuden kannalta on nyt otollinen hetki päästä mukaan CCS tekniikan kehitykseen, demonstrointiin ja edelleen kaupallistamiseen tähtääviin hankkeisiin CCS-teknologian seminaari keskisuomalaisille yritys-, tutkimus- ja päättäjätahoille, tavoitteena aktivoida maakunnan yrityksiä ja tutkimustahoja mukaan uuden ympäristöystävällisen teknologian kehitykseen

11 Uusien energiatuotantoprosessien tuomat liiketoimintamahdollisuudet Suunnittelupalvelut -PI-kaaviot -rakenne ja layout -sähkö ja instrumentointi Laitetoimittajat - osaprosessit - automaatio- ja ohjausjärjestelmät - putkistot - säiliöt - apulaitteet Kemikaalitoimittajat - liuottimet CO 2 talteenottoon - lisäaineet savukaasun puhdistukseen Hiilidioksidin talteenotto- ja varastointiprosessit (CCS) Happitehdas (ASU) Voimalaitos Savukaasun puhdistus Hiilidioksidin talteenotto (CPU) Hiilidioksidin välivarastointi Hiilidioksidin kuljetus Hiilidioksidin varastointi Mallinnuspalvelut - prosessimallinnus - optimointi - konseptikehitys Kuljetus- ja logistiikkapalvelut - putkistokuljetus - pumppaus ja paineistus - laivakuljetus Varastointipaikkojen tutkimus- ja monitorointipalvelut - maaperätutkimus - CO 2 varastojen monitorointilaitteet ja -palvelut

12 Carbon capture and storage projects for the European Energy Programme for Recovery (EEPR) CCS demonstraatioille miljardi euroa Compostilla: Demonstration plant of more than 320 MW by December 2015 Demonstrointivalmiudet: FLEXI BURN CFB, EU FP

13 WP2: Mallinnusrajapinta ja työkalut Projektiesittely Toteutus WP2 Osatehtävän tavoite on parantaa mallinnusvalmiuksia CCS konseptien kehitykseen CCS prosessissa yhdistyvät prosessi-integraation kautta perinteinen voimalaitosprosessi ja kemian teollisuuden prosessit (mm. tislaus, kaasujen ja liuottimien käsittely, savukaasun puhdistus), mikä luo tarpeen kehittää myös laskentatyökaluja, joilla integroitu prosessi voidaan mallintaa Perinteisten voimalaitosten simulointiohjelmistoissa kemian laskentavalmiudet ovat hyvin rajoittuneet Puhtaasti kemianprosessien mallintamisen suunnitellut ohjelmistot ovat hyvin hankalakäyttöisiä voimalaitoksen mallintamisessa Erityisesti CCS konseptien kehityksessä aikariippuva mallinnus tulee olemaan seuraava haaste, kun nyt kehitettyjä konsepteja ryhdytään demonstroimaan ja suunnittelemaan kaupallisen kokoluokan laitoksia Testattu alustavasti Aspen Plus Dynamic-ohjelmiston valmiuksia CCS prosessin aikariippuvaan laskentaan APROS-ohjelmistossa päivitetään aineominaisuuskirjastoa tavoitteena saada valmius kryogeenisen hapen valmistuksen ja hiilidioksidin erotuksen aikariippuvaan laskentaan (Dynamic Link Library)

14 Flue gas O 2 concentration [vol-%] Esimerkki happipolton dynamiikasta Effect of high flue gas recirculation in oxyfuel combustion on process dynamics during a step change in fuel feed (-10%) Oxyfuel combustion (1D model) Air combustion (1D model) Air combustion (measured) Flue gas oxygen response in oxyfuel combustion 9 ~5% 7 Flue gas oxygen response in normal air combustion Time [s] Process is much more sensitive in oxyfuel combustion for the change in fuel feed!

15 Koetoiminnan ja mallinnuksen yhdistäminen Bench scale Pilot scale Boiler scale Flue gas recirculation PILOT SCALE CFB COMBUSTOR FTIR sampling port Gas analysator Bag filter Gas cooling Deposit probe port ŁAGISZA 460 MWe supercritical OTU CFB To stack Observation port Sampling port Secondary cyclone Sampling port Zone 4 Primary Sampling port cyclone FTIR sampling port EXPERIMENTAL SCALES Sampling port Sampling port Fuel containers 1 and 2 Additive container Zone 3 Sampling port Zone 2 Zone 1 Secondary gas O2, CO2, N2 M Primary gas heating Air PC control and data logging system Sampling port 1D-MODEL flue gas to stack n n+1 MODELS AND DESIGN TOOLS Model analyses Volatile, moisture release CO combustion Mixing Char combustion n v b exp( A/ T )( d / d ref ) dyco kef YCO d t k /(1/ ) ef 1 k CO m n-1 n-2 dmc rc kmc X dt n O2 Figure 2 Secondary air Primary air Furnace heat flux kw/m 2 kw/m 2 MODELS FOR PHENOMENA 1-D PROCESS MODELS 3-D PROCESS MODELS

16 Projektin esittely Toteutus WP3 WP3: Automaatiojärjestelmä ja mallinnus- ja turvallisuusrajapinnat VTT:llä on meneillään polttotutkimusympäristön automaatiojärjestelmän uudistus Osatehtävän tavoitteena on tarkastella erityisesti happipolttoprosessin asettamia vaatimuksia automaatiojärjestelmälle happipolttoprosessin hallinta ja turvallinen käyttö laboratorio-olosuhteissa simulointityökaluihin joustavasti integroituva automaatiojärjestelmä, joka mahdollistaa uusien säätöjärjestelmien kehittämisen koelaiteympäristössä Lisäksi turvallisuusvaatimukset korostuvat erityisesti happipolttoprosessien tutkimuksessa hapen ja hiilidioksidin käsittely asettaa turvallisuudelle erityisvaatimuksia, joihin automaation tulee tarjota riittävät edellytykset sulkematta pois tutkimuksellisia tarpeita

17 Projektiesittely Toteutus WP3 Siemens PCS7 ratkaisu - Järjestelmätoimittajana Insta Automation DataMonitor Server - Kuvien katselu toimistoverkosta - Datan haku Servereiltä toimistoverkonkautta 2 x Operoitava OS single server (ei standardi ratkaisu) -Arkistointi -1000PO lisenssit 1 x ES asema - ES unlimited lisenssi -- Client lisenssi operointiin Prosessiasema DCS ja TLJ integroitu samaan prosessiasemaan TLJ:n kortit sijoitetaan omaan erilliseen kaappiin Turvallisuusanalyysin perusteella on lisätty uusia mittauksia ja laskentaa eri ajo- ja häiriötilanteiden tunnistamiseksi sekä käyttöturvallisuuden parantamiseksi happipoltto-olosuhteissa Automaatiojärjestelmä sisältää vikasietoisen DCS - järjestelmän (distributed control system) sekä erillisen TLJ -logiikan (turvallisuuteen liittyvät järjestelmät) IEC Turvalogiikan tehtävänä on suorittaa pilot -kattiloiden turvallinen alasajo häiriötilanteessa.

18 Planned and operational large-scale (>1 MtCO2/year) CCS projects There are over 70 planned and five operational large-scale CCS projects worldwide. Yhteenveto CCS-juna on lähdössä CCS-TOOLS hankkeessa luodaan valmiuksia olla teknologiakehityksessä mukana eturintamassa Koko CCS-ketjun toteutus vaatii merkittäviä investointeja Uusia liiketoimintamahdollisuuksia

19 VTT luo teknologiasta liiketoimintaa