Kritische Prozessmessung für CCS: Teil Eins

Einführung in Verfahren zur Kohlenstoffabscheidung

Prozess der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung

Jede Tonne Kohlendioxid (CO₂), die aus industriellen Prozessen abgeschieden und gespeichert wird, ist ein Schritt zur Eindämmung der Auswirkungen des Klimawandels. Ein kritischer Aspekt von Trocknungs-, Transport- und Sequestrierungsprojekten ist die genaue und kontinuierliche Messung von Prozessvariablen wie Reinheit, Sauerstoffgehalt (O₂) und Feuchtigkeitsgehalt. Dazu werden fortschrittliche Online-Analysegeräte wie Gaschromatographen (GCs), Sauerstoffanalysatoren und Feuchtigkeitsanalysatoren eingesetzt. Diese Instrumente bieten zahlreiche Vorteile für den Prozess, die Sicherheit und die Wirtschaftlichkeit, die die Effizienz und Zuverlässigkeit von CO₂-Sequestrierungsprojekten verbessern. (Weitere Informationen zu diesen Instrumenten finden Sie in Teil 2 dieser Serie.)

Weltweite staatliche Initiativen zu Verfahren wie Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS), Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS) und Bioenergie in Verbindung mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (BECCS) können eine wichtige und vielfältige Rolle bei der Erreichung der globalen Energie- und Klimaziele spielen. Sie treiben den Bedarf an analytischen Werkzeugen voran, die zur Aufrechterhaltung der Qualität und Sicherheit dieser Projekte beitragen.

Prozessübersicht

CCUS bezeichnet eine Reihe von Prozessen, bei denen CO₂ aus großen industriellen Quellen wie petrochemischen Anlagen oder Kraftwerken, die fossile Brennstoffe oder Biomasse als Brennstoff verwenden, abgeschieden wird. Das abgeschiedene CO₂ wird in der Regel aufbereitet, komprimiert und für die industrielle Weiterverwendung transportiert oder in bestehende geologische Formationen wie erschöpfte Öl- und Gaslagerstätten injiziert, wo es dauerhaft gespeichert wird.

BECCS ist eine Reihe von Verfahren, die typischerweise von Bioraffinerien zur Dekarbonisierung ihrer industriellen Biomasseprozesse eingesetzt werden und die Abscheidung und dauerhafte Speicherung von CO₂ aus den Anlagen umfassen. Ein primäres Beispiel für diesen Prozess ist die Umwandlung von Rohstoffen wie Mais in hocheffizientes Ethanol. Pflanzen wie Mais absorbieren während ihres Wachstums CO₂ und stellen somit eine direkte Methode dar, um es aus der Atmosphäre zu entfernen.

CO₂-Trocknung

CO₂ kann aus einer Vielzahl industrieller Prozesse abgeschieden werden, bei denen jeweils eine Reihe von Verunreinigungen entstehen können, die die Qualität, Sicherheit und Effizienz der nachgelagerten Betriebe beeinträchtigen können. Zu diesen Verunreinigungen zählen:

Kohlenwasserstoffe aus der Erdölraffination

Schwefel aus Rauchgasen

Aminos aus der Gasstrippung

Feuchtigkeit aus Prozess- und Transportvorgängen

Verunreinigungen wie Feuchtigkeit können eine Reihe von Problemen verursachen. Wasserdampf kann zu Flüssigkeit kondensieren, zu Eis gefrieren und mit CO₂ und Schwefelverbindungen reagieren, wodurch aggressive Säuren entstehen.   Die Folgen sind unter anderem Korrosion von Metalloberflächen, Verstopfungen von Rohrleitungen und Schäden an beweglichen Teilen wie Hochgeschwindigkeits-Kompressorschaufeln.

In den USA erfolgt der Großteil der Bioethanolproduktion in einem „Trockenmühlenverfahren“, bei dem Getreide gemahlen und mit Wasser zu einer „Aufschlämmung“ verarbeitet wird. Anschließend folgen Prozesse wie Fermentation (einschließlich CO2-Entfernung), Destillation und Dehydratisierung, um hochreines Ethanol herzustellen.

In Europa wird Bioethanol hauptsächlich aus Weizen, Mais und Zuckerrüben unter Verwendung ähnlicher „nasser“ Fermentationsverfahren hergestellt. In Brasilien hingegen wird Bioethanol überwiegend aus Zuckerrohr als Hauptrohstoff unter Verwendung eines speziellen Verfahrens hergestellt, das als Zuckerrohrmahlverfahren bekannt ist. Dabei wird das Zuckerrohr zerkleinert, um den Saft zu gewinnen, der dann fermentiert und zu Ethanol destilliert wird. Die Abhängigkeit Brasiliens von Zuckerrohr sorgt für eine effizientere Energiebilanz, da die Bagasse (die faserigen Rückstände) als Energiequelle für den Destillationsprozess verwendet wird.

In Mexiko nimmt die Bioethanolproduktion zu, wobei Mais und Zuckerrohr die wichtigsten Rohstoffe sind, obwohl die Industrie im Vergleich zu Brasilien und den USA noch in den Kinderschuhen steckt. In allen Regionen ist das während der Fermentation entzogene CO₂ in der Regel mit Feuchtigkeit gesättigt und muss im Rahmen der Aufbereitung für den Transport oder die Lagerung getrocknet werden.

Die europäische Norm für CO₂-Reinheit (ISO 27913) legt in der Regel einen Feuchtigkeitsgehalt von unter 500 ppmV fest, viele CCS-Projekte streben jedoch weitaus niedrigere Werte an. Der maximal zulässige Feuchtigkeitsgehalt variiert je nach Projekt, wobei die nominalen Prozesswerte im Normalbetrieb bei etwa 20 ppmV liegen, die Alarmschwellen jedoch in der Regel im Bereich von 70 bis 120 ppmV liegen. Der Entwässerungsprozess entfernt Feuchtigkeit aus CO₂, um Schäden an nachgeschalteten Anlagen zu verhindern und die Korrosion von Rohrleitungen sowie die Bildung von Hydraten während des Transports zu verringern. Dies wird in der Regel durch Trockenmittel oder Kühlverfahren erreicht. Diese Anlagen sind jedoch energieintensiv, sodass die Messung des Feuchtigkeits-Taupunkts zu einer wichtigen Technik wird, um sowohl eine optimale Energieeffizienz als auch den Schutz der Anlagen und Rohrleitungen vor Korrosion zu gewährleisten.

CO₂-Transport und -Speicherung

Nach der Trocknung wird das CO₂ über Pipelines oder per Schiff zum Sequestrierungsort transportiert. Die Aufrechterhaltung des CO₂ in einem überkritischen Zustand (hoher Druck und hohe Temperatur) verbessert die Transporteffizienz.

Am Sequestrierungsort wird CO₂ in geologische Formationen wie erschöpfte Ölfelder, salzhaltige Aquifere oder Basaltformationen injiziert. Die Gewährleistung der Reinheit von CO₂ und die Überwachung auf Schadstoffe ist entscheidend, um Umweltverschmutzungen zu verhindern und die langfristige Integrität der Speicherung zu gewährleisten.

Zusammenfassung

Der Einsatz von Online-Gaschromatographen und Sauerstoff- und Feuchtigkeitsanalysatoren in CO2-Trocknungs-, Transport- und Sequestrierungsprojekten bietet erhebliche Vorteile in Bezug auf Prozess, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit. Diese Instrumente ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung und Steuerung in Echtzeit und gewährleisten, dass CO₂ innerhalb der optimalen Reinheit und der O₂- und Feuchtigkeitsgehaltvorgaben bleibt. Dies verbessert nicht nur die Prozesseffizienz und -qualität, sondern gewährleistet auch die Sicherheit und Langlebigkeit der Infrastruktur, reduziert die Wartungskosten und gewährleistet die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften. Durch die Integration dieser fortschrittlichen Analysewerkzeuge können CO2-Sequestrierungsprojekte ein höheres Maß an Zuverlässigkeit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit erreichen und so einen wirksamen Beitrag zum Klimaschutz leisten.

In Teil 2 werden die Analysetechniken zur Überprüfung der Reinheit des abgeschiedenen CO₂, zur Erkennung von Verunreinigungen und zur Verhinderung korrosiver oder gefährlicher Aktivitäten näher betrachtet.