Embed Size (px)
Citation preview
VALMIUDET CCS-PROSESSIEN
KEHITYKSEEN KESKI-SUOMESSA
(CCS-TOOLS)
V Liekkipäivä
14.1.2010
Dipoli, Otaniemi, Espoo
Antti Tourunen, VTT
25.1.2010 2
Projektiesittely - Sisältö
Tausta ja lähtökohdat
CCS:n periaate
Tavoitteet
Työpaketit
Miksi?
Mitä?
Miten?
25.1.2010 3
VALMIUDET CCS-PROSESSIEN KEHITYKSEEN
KESKI-SUOMESSA (CCS-TOOLS)
Hankkeen kesto: 1.9.2009 – 31.12.2010
Yhteistyökumppanit: Tekes, Foster Wheeler Energia Oy,
Sammet Oy, Benet Oy, Movista Oy
25.1.2010 4
Mitä tarkoittaa hiilidioksidin (CO2) talteenotto?
Hiilidioksidin varastointi
Talteenotto
CO2
Teknologiat
tarkoituksena on tuottaa
mahdollisimman puhdasta
hiilidioksidia, joka sopii
kuljetettavaksi ja
varastoitavaksi
25.1.2010 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
Näiden lisäksi on kehitteillä uusia, erityisesti CCS-tarkoituksiin suunniteltuja menetelmiä, kuten hapen kantajiin perustuva poltto (CLC)
Alkuperäinen kuva: IPCC 2005)
25.1.2010 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 CO2
vapailla teknologioilla ei ole realistista
Merkittävimmät keinot CO2 päästöjen
vähentämiseksi ovat energiatehokkuuden
parantaminen, energian säästö sekä
hiilidioksidipäästöjen vähentäminen
sähköntuotannossa.
~ 40% increase
between 2005 and 2030
~ 40% increase
between 2005 and 2030
~ 40% increase
between 2005 and 2030
Source: IEA World Energy Outlook 2006
25.1.2010 7
Ilmaston lämpenemisen pysäyttämiseksi pitäisi CO2-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
Projektiesittely – Lähtökohta (2/3)
Energiantuotannon lisäksi CCS on
sovellettavissa myös muihin prosesseihin
- terästeollisuus
- bio- ja turvepohjaisten
liikennepolttonesteiden tuotanto jne.
*Energy Technology Perspectives 2008 – Scenarios & Strategies to 2050. OECD/IEA, 2008
IEA:n skenaarion* mukaan joka vuosi
tarvitaan 30-35 uutta CCS
hiilivoimalaitosta (500MWe, 2010-2050)
25.1.2010 8
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 20-100% suurempi verrattuna perinteiseen
voimalaitostoimitukseen.
Tämä avaa mahdollisuuksia uusille toimijoille, jotka osaavat soveltaa eri
alojen osaamista CCS prosessin laitesuunnitteluun, ohjaukseen ja
automaatioon jne.
Projektiesittely – Lähtökohta (3/3)
25.1.2010 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
25.1.2010 10
Projektiesittely – Toteutus WP1
WP1: Tiedottaminen
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
25.1.2010 11
Uusien energiatuotantoprosessien tuomat liiketoimintamahdollisuudet
Happitehdas
(ASU)Voimalaitos
Savukaasun
puhdistus
Hiilidioksidin
talteenotto (CPU)
Hiilidioksidin
välivarastointi
Hiilidioksidin
kuljetus
Hiilidioksidin
varastointi
Mallinnuspalvelut
- prosessimallinnus
- optimointi
- konseptikehitys
Laitetoimittajat
- osaprosessit
- automaatio- ja ohjausjärjestelmät
- putkistot
- säiliöt
- apulaitteet
Suunnittelupalvelut
-PI-kaaviot
-rakenne ja layout
-sähkö ja instrumentointi
Varastointipaikkojen tutkimus- ja monitorointipalvelut
- maaperätutkimus
- CO2 varastojen monitorointilaitteet ja -palvelut
Kuljetus- ja logistiikkapalvelut
- putkistokuljetus
- pumppaus ja paineistus
- laivakuljetus
Kemikaalitoimittajat
- liuottimet CO2 talteenottoon
- lisäaineet savukaasun puhdistukseen
Hiilidioksidin talteenotto- ja varastointiprosessit (CCS)
25.1.2010 12
Carbon capture and storage projects for the European Energy
Programme for Recovery (EEPR)
CCS demonstraatioille miljardi euroa
Demonstrointivalmiudet:
FLEXI BURN CFB, EU FP7 2009-2012
http://www.vtt.fi/sites/flexiburncfb/
Compostilla:
Demonstration plant of more than
320 MW by December 2015
25.1.2010 13
WP2: Mallinnusrajapinta ja työkalut
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)
Projektiesittely – Toteutus WP2
25.1.2010 14
3
5
7
9
11
13
700 1700 2700 3700
Time [s]
Flu
e g
as
O2 c
on
ce
ntr
ati
on
[v
ol-
%]
Oxyfuel combustion (1D model)
Air combustion (1D model)
Air combustion (measured)
Esimerkki happipolton dynamiikasta
Effect of high flue gas recirculation in oxyfuel combustion on process dynamics during a step change
in fuel feed (-10%)
Flue gas oxygen response
in normal air combustion
Flue gas oxygen response
in oxyfuel combustion
~5%
Process is much more
sensitive in oxyfuel
combustion for the change
in fuel feed!
25.1.2010 15
nc Xkm
t
mr O2c
c
d
d
COefCO Ykt
Y
d
d
)/1/(1 mCOef kk
nrefv ddTAb )/)(/exp(
Model
analyses
CO combustion
Mixing
Char combustion
Volatile,
moist
ure re
lease
Figure 2 Furnace heat flux
kW/m
2
1D-MODELflue gas
1
n n+1
to stack
Primary airSecondary air
2
n-1
3
n-2
ŁAGISZA 460 MWe supercritical OTU CFB
kW/m2
Bench scale Pilot scale Boiler scale
EXPERIMENTAL
SCALES
MODELS FOR PHENOMENA 1-D PROCESS MODELS 3-D PROCESS MODELS
Koetoiminnan ja mallinnuksen yhdistäminen
MODELS AND
DESIGN TOOLS
M
Secondary
cyclone
Fuel containers 1 and 2 Zone 1
Zone 2
Primary
cyclone
Observation port
Deposit probe port
Zone 3
Zone 4
To stack
Sampling port
Sampling port
Sampling port
Additivecontainer
Air
Secondary gas
Primary gas heating
O2, CO2, N2
PC control and data logging system
Sampling port
Sampling port
Gas analysator
FTIR sampling port
FTIR sampling port
Sampling port
Sampling port
Gas coolingBag filter
Flue gas
recirculation
M
Secondary
cyclone
Fuel containers 1 and 2 Zone 1
Zone 2
Primary
cyclone
Observation port
Deposit probe port
Zone 3
Zone 4
To stack
Sampling port
Sampling port
Sampling port
Additivecontainer
Air
Secondary gas
Primary gas heating
O2, CO2, N2
PC control and data logging systemPC control and data logging system
Sampling port
Sampling port
Gas analysator
FTIR sampling port
FTIR sampling port
Sampling port
Sampling port
Gas coolingBag filter
Flue gas
recirculation
PILOT SCALE CFB COMBUSTOR
M
Secondary
cyclone
Fuel containers 1 and 2 Zone 1
Zone 2
Primary
cyclone
Observation port
Deposit probe port
Zone 3
Zone 4
To stack
Sampling port
Sampling port
Sampling port
Additivecontainer
Air
Secondary gas
Primary gas heating
O2, CO2, N2
PC control and data logging system
Sampling port
Sampling port
Gas analysator
FTIR sampling port
FTIR sampling port
Sampling port
Sampling port
Gas coolingBag filter
Flue gas
recirculation
M
Secondary
cyclone
Fuel containers 1 and 2 Zone 1
Zone 2
Primary
cyclone
Observation port
Deposit probe port
Zone 3
Zone 4
To stack
Sampling port
Sampling port
Sampling port
Additivecontainer
Air
Secondary gas
Primary gas heating
O2, CO2, N2
PC control and data logging systemPC control and data logging system
Sampling port
Sampling port
Gas analysator
FTIR sampling port
FTIR sampling port
Sampling port
Sampling port
Gas coolingBag filter
Flue gas
recirculation
PILOT SCALE CFB COMBUSTOR
25.1.2010 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
25.1.2010 17
Siemens PCS7 ratkaisu - Järjestelmätoimittajana Insta Automation
Prosessiasema
DCS ja TLJ
integroitu samaan
prosessiasemaan
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
TLJ:n kortit sijoitetaan
omaan erilliseen kaappiin
Projektiesittely – Toteutus WP3
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 61508.
Turvalogiikan tehtävänä on suorittaa pilot -kattiloiden
turvallinen alasajo häiriötilanteessa.
25.1.2010 18
Planned and operational large-scale (>1 MtCO2/year) CCS projects
There are over 70 planned and
five operational large-scale
CCS projects worldwide.
”CCS-juna” on lähdössä
CCS-TOOLS hankkeessa
luodaan valmiuksia olla
teknologiakehityksessä
mukana eturintamassa
Koko CCS-ketjun toteutus
vaatii merkittäviä
investointeja
Uusia
liiketoimintamahdollisuuksia
Yhteenveto
25.1.2010 19
VTT luo teknologiasta
liiketoimintaa
