Trygg og kostnadseffektiv CO2-transport må tallfestes

Bloggere: Svend Tollak Munkejord, Morten Hammer og Sigurd W. Løvseth

CO2 transport må tallfestes: Mange ting er kjent om CO₂-transport, for eksempel at det lar seg gjøre på en trygg måte. Likevel, hvis fullskala CO₂-håndtering (CCS) skulle bli gjennomført i dag, så ville man måtte ta konservative avgjørelser om design og drift, på grunn av manglende kvantitative validerte modeller.

Vurderte 386 referanser for å bedre dagens modell

Dette er en av hovedkonklusjonene i en oversiktsartikkel vi skrev, og som er på vei til å bli publisert i Applied Energy. (Den interesserte leser som ikke har tilgang til journalen kan lese vårt manuskript.) Basert på 386 referanser gir artikkelen status for data og modeller som har å gjøre med CO₂-transport. Dette omfatter modeller som tar høyde for egenskapene til, og en- og flerfasestrømning av, CO₂-rike blandinger.

Dagens modeller må forbedres med hensyn til både strømning og termofysiske egenskaper.

Dagens modeller må forbedres med hensyn til både strømning og termofysiske egenskaper. Dette er høyst relevant også for hele CO₂-håndteringskjeden. Framtidens CO₂-håndteringssystem må ikke bare være trygt, men også effektivt med hensyn til energi og kostnad. Ingeniørene trenger da modelleringsverktøy for å kunne designe og drive systemet på en optimal måte.

Dette må til for trygg og kostnadseffektiv CO₂-transport

Kunnskapshullene bør lukkes samtidig som man bygger ut praktiske CO₂-håndtering. Her er noen av temaene vi fant der det trengs forskning.

• Nøyaktige (og brukbare) modeller for egenskapene til CO₂-rike blandinger ved de trykk, temperaturer og sammensetninger som gjelder for CCS. For å utvikle slike modeller, trengs eksperimentelle data. I dag er slike data, for mange av de relevante urenhetene, mangelvare, unøyaktige, eller begge deler.
• Fiskale målinger (altså nøyaktig måling av CO₂-mengde) vil trenges både til myndighetenes regulering og for å kunne ha transaksjoner i et marked. Mangelen av nøyaktige egenskapsmodeller kan vise seg å gi store utslag i kroner og øre.
• Data og modeller for trykkavlastning av rør og tanker er noe som trengs for å kunne designe og drive trygge systemer. Siden disse prosessene ofte er raske, er de ulike fasene (gass, væske, fast stoff) ikke alltid i likevekt.
• Modeller som kan beskrive duktile løpende brudd i CO₂-transportrør trengs for å ivareta sikkerheten samtidig som man unngår dyre fullskala-forsøk i hvert design-tilfelle.
• Når det gjelder skipstransport av CO₂, så synes en av hovedutfordringene å være optimal design av kjeden. Det må inkludere flytendegjøring, forbehandling og eventuelt prosessering ved injeksjonsstedet. Tema som brønnintegritet og responsen i reservoaret bør også tas i betraktning. Da trengs gode kunnskaper om CO₂-blandingens egenskaper, i tillegg til strømning i brønnen, samspill mellom CO₂-en og saltvannet, osv.

Ta hensyn til dannelse av CO₂ i fast form

I artikkelen klarte vi ikke å motstå fristelsen til å gjøre noen beregninger selv. Vi studerte et av rør-trykkavlastningseksperimentene utført av DNV GL. I disse eksperimentene ble et rett rør fylt med CO₂. Ved et bestemt tidspunkt ble den ene enden av røret åpnet mot atmosfæren, og trykk og temperatur ble målt ved ulike posisjoner inni røret. Dette kan sees i figur 1 og 2, der vi har plottet eksperimentelle data sammen med beregninger fra vår 1D to- og trefase CFD-modell. Den svarte linjen representerer de eksperimentelle dataene. Den blå linjen og den røde stiplede linjen representerer våre CFD-beregninger, der den eneste forskjellen er varmeovergangskorrelasjonen inni røret. (‘C’ betyr Colburn og ‘GW’ betyr Gungor–Winterton). Nær utløpet (figur 1) kan man se at Gungor–Winterton-korrelasjonen gir best resultat. Ikke minst blir minimumspunktet godt fanget. Dette er punktet hvor det ikke er mer fast eller væske-CO₂ igjen, og det bare er gass som strømmer.

Nær den lukkede enden av røret er konklusjonen den motsatte (figur 2). Her er det Colburn-korrelasjonen som gir mye bedre resultat. Grunnen til den store forskjellen er at det oppstår fast CO₂ (tørris). Dette kan sees som en knekk i de eksperimentelle dataene (og i vår beregning) ved tiden ca. 40 s. Gungor—Winterton-korrelasjonen gir for mye varmeovergang, slik at CO₂-en ikke kommer inn i området hvor det dannes fast CO₂. Som man kan se, så bidrar CO₂ i fast form til å holde temperaturen lav.

• Finn ut mer om SINTEFs kompetanse på CO₂-transport

Denne beregningen viser at strømnings- og trykkavlastningsmodeller for CO₂ må ta hensyn til dannelse av CO₂ i fast form. Det er også viktig å modellere varmeovergangen gjennom rørveggen til omgivelsene.

Dette arbeidet ble utført i forskningssenteret for miljøvennlig energi (FME) BIGCCS International CCS Research Centre.

Ønsker du å vite mer om vår forskning på CO₂-transport – les disse bloggene:

• Gas or liquid: new CO₂ mixture property knowledge needed for efficient and robust CCS
• Simulering av løpende sprekk i CO₂-rør
• Strømning av CO₂ i rør
• Hvorfor gode modeller er viktig for sikker og effektiv CO₂-transport