Etterbrenneren som gjør bioenergi karbonnegativ

Se for deg et termisk kraftverk som går på skogsavfall, og som fjerner CO₂ fra atmosfæren i stedet for å slippe det ut. Det er ideen bak det EU-finansierte prosjektet BioNETzero: Kombiner biomasse med en forbrenningsteknologi som fanger sin egen CO₂, lagre CO₂-en permanent, og kraftverket blir karbonnegativt. Trærne tok opp karbonet fra luften mens de vokste, så når karbonet lagres i grunnen etterpå, blir det i praksis fjernet fra atmosfæren.

Kjerneteknologien i prosjektet er kjemisk sirkulasjonsforbrenning, eller CLC. Den store fordelen er at brenselet aldri kommer i kontakt med luft. Oksygenet når fram til brenselet via en sirkulerende strøm av metalloksidpartikler, så avgassen inneholder ikke noe nitrogen fra luften, bare CO₂ og vanndamp. Når vannet er kondensert ut, er CO₂-en i praksis klar for lagring, uten det kostbare separasjonstrinnet som de fleste karbonfangstløsninger er avhengige av.

Det er i hvert fall teorien. I praksis er det en hake ved det: Brenselet brenner ikke helt opp.

Hva er kjemisk sirkulasjonsforbrenning (chemical looping combustion – CLC)? I et vanlig fyringsanlegg brenner brenselet i luft, og CO₂-en i avgassen blir fortynnet av alt nitrogenet som luften inneholder (om lag 78 prosent). Det er kostbart og energikrevende å skille ut CO₂-en i etterkant. Kjemisk sirkulasjonsforbrenning omgår problemet ved å dele prosessen i to. I den ene reaktoren, luftreaktoren, tar små metalloksidpartikler opp oksygen fra luft. Partiklene sirkuleres så til den andre reaktoren, brenselreaktoren, der de avgir oksygenet til brenselet. Brenselet brenner uten noen gang å komme i kontakt med luft, og avgassen består derfor nesten bare av CO₂ og vanndamp. Partiklene går deretter tilbake for å ta opp oksygen på nytt, om og om igjen.

Problemet med restene

Når biomassen omdannes i en CLC-brenselreaktor, finner ikke hvert eneste molekyl en oksygenpartner. En liten andel av brenselet forlater reaktoren som uforbrente gasser: karbonmonoksid, hydrogen, metan og spor av andre hydrokarboner.

Restene kan ikke bare sendes videre. De utgjør tapt energi, de ville forurense CO₂-en som skal lagres, og noen av dem er skadelige utslipp i seg selv. Før avgassen når kraftverkets dampgenerator og gassrensetrinn, passerer den derfor gjennom et siste, lite forbrenningskammer med én eneste oppgave: å fullføre det brenselreaktoren startet på. Denne etterbrenneren gjør det vi kaller «oksypolering» (oxy-polishing).

I BioNETzero har kollegene mine og jeg ved SINTEF Energi, sammen med partnere ved Silesian University of Technology (SUT) i Polen, nå utformet denne etterbrenneren for CLC-pilotanlegget på Tiller i Trondheim. Vi har vurdert den grundig gjennom omfattende datamodellering før noe som helst bygges i stål.

Utformingen viser seg å være en hårfin balansegang.

Tre problemer i ett lite kammer

For det første har gassen som kommer fra brenselreaktoren lav brennverdi: Den brennbare andelen er liten og sterkt fortynnet med CO₂ og vanndamp. Gassen er vanskelig å tenne og brenner ustabilt, litt som et stearinlys du prøver å holde tent i vinden, og etterbrenneren må blande inn oksygenet svært godt for at forbrenningen ikke bare slukner.

For det andre er selve oksygenet dyrt. Luft ville ført tilbake nitrogenet som CLC så elegant unngår, så poleringstrinnet må bruke rent oksygen, og det må produseres industrielt. Hvert kilo teller, og etterbrenneren bør derfor fullføre forbrenningen nesten uten oksygenoverskudd.

Det tredje og mest interessante problemet er nitrogenet som allerede skjuler seg i brenselet. BioNETzero satser bevisst på billige restprodukter fra biomasse. I pilotforsøkene var det greiner og topper fra skogsdrift, fliset, tørket og presset til pellets. Disse restene inneholder mer nitrogen enn rent trevirke, og i brenselreaktoren blir mye av dette nitrogenet omdannet til ammoniakk. Når ammoniakken møter oksygen i etterbrenneren, gir kjemien den to veier å gå: Ammoniakken kan bli til ufarlig nitrogengass (N₂), det samme molekylet som utgjør mesteparten av luften vi puster inn, eller den kan bli til NO_x, en gruppe forurensende gasser som bidrar til smog og sur nedbør. Utformingen må sørge for at den går den ufarlige veien, til nitrogen.

NO_x er en samlebetegnelse for nitrogenoksider, hovedsakelig NO og NO₂: gasser som dannes ved forbrenning, og som bidrar til smog, sur nedbør og luftveisplager. De dannes hovedsakelig på to måter: fra nitrogen i luften ved høye forbrenningstemperaturer («termisk NO_x») eller fra nitrogen som er kjemisk bundet i selve brenselet («brensel-NO_x»). Bruker man rent oksygen i stedet for luft, forsvinner den første. Den andre krever nøye gjennomtenkt prosessdesign for å holdes nede.

Løsningen som virker bakvendt: mindre oksygen først

Vi brukte et egenutviklet, detaljert kjemisk simuleringsverktøy som følger hundrevis av reaksjoner langs hele kammeret. Med det testet vi ulike måter å tilføre oksygenet på. Den beste strategien var å tilføre mindre oksygen i begynnelsen av kammeret.

I den anbefalte utformingen tilfører vi bare rundt halvparten av oksygenet som trengs, ved innløpet. Det gir en bevisst oksygenfattig første sone, der det ikke er nok oksygen til alle. Når det er kamp om oksygenet, er det langt mer sannsynlig at ammoniakkmolekylene reagerer med nitrogenoksidene rundt seg og går sammen til inert N₂, enn at de oksideres helt til NO_x. Resten av oksygenet tilføres først lenger ut i kammeret. Det fullfører forbrenningen av karbonmonoksid, hydrogen og metan, med et lite oksygenoverskudd helt til slutt.

Simuleringene tyder på at denne trinnvise tilførselen omdanner mellom 75 og 83 prosent av nitrogenet i brenselet til ufarlig N₂, i scenarioer som spenner fra en godt fungerende brenselreaktor i full skala til et pilottilfelle med dårligere brenselkonvertering. Det «skitneste» scenarioet, med omtrent tre ganger så mye ammoniakk inn i etterbrenneren, ga den høyeste omdanningsgraden, fordi kjemien kunne presses enda lenger i oksygenfattig retning. Samtidig falt innholdet av karbonmonoksid ved utløpet til noen titalls milliondeler (ppm).

Avgassen kommer direkte fra brenselreaktoren til etterbrenneren med høy temperatur, rundt 920–950 °C. Det er varmt nok til at den antennes av seg selv, så lenge det er oksygen til stede og blandingen er god. En pilotbrenner som sikrer antenning, trengs derfor ikke ved normal drift, men den er nødvendig i oppstartsfasen mens systemet varmes opp.

Utformingen testes i en virtuell etterbrenner

Kjemien sier noe om når og hvor mye oksygen som bør tilføres, men ingenting om hvorvidt gassene faktisk blandes i et virkelig, tredimensjonalt kammer. Derfor tok vi i bruk numeriske strømningsberegninger (CFD): simuleringer som deler kammeret inn i nesten to millioner små celler og beregner strømning, temperatur og reaksjoner i hver av dem.

Vi testet fire geometrier i tur og orden på datamaskinen. I den endelige utformingen kommer avgassen fra brenselreaktoren eksentrisk inn i etterbrenneren og setter hele gasstrømmen i rotasjon, omtrent som vann som renner skrått ned i et sluk. Denne virvelen gjør grovarbeidet med å blande oksygenet inn i den tregtbrennende avgassen. Den gir også hvert molekyl en lengre vei å gå, slik at forbrenningen rekker å bli fullført. Simuleringene viser at de brennbare gassene er nesten helt brent opp før avgassen forlater etterbrenneren, og at restkonsentrasjonene er nede på spornivå.

Et lite ledd i en lang kjede

Dette er ikke glamorøst utstyr. Etterbrenneren for oksypolering kommer aldri til å være høydepunktet på en omvisning i et kraftverk. Men karbonnegativ energi fungerer bare hvis hvert ledd i kjeden holder: brenselhåndtering, reaktorene, oksypolering, gassrensing, kompresjon og lagring. Dette arbeidet sikrer ett av disse leddene. Foreløpig på papiret, men utformingen vår brukes nå videre i prosjektets arbeid med røykgassrensing, CO₂-behandling og modellering av et fullskala anlegg.

Noen ganger går veien mot negative utslipp gjennom en to meter lang stålsylinder, der det smarteste den brennbare gassen kan gjøre, er å være tålmodig og vente på oksygenet sitt.