System metanizacji - CO2-SNG

System metanizacji CO2 do magazynowania
energii elektrycznej poprzez produkcję SNG

Opis projektu

Unia Europejska przewodzi działaniom mającym na celu redukcję emisji CO2 oraz zwiększenie do roku 2020 udziału produkcji energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii do poziomu co najmniej 20%. Wadą odnawialnych źródeł energii, takich jak energia z wiatru czy słońca, jest ich okresowość, co powoduje niestabilność produkcji energii elektrycznej. Aby możliwe było osiągnięcie celów wyznaczonych przez UE, konieczne jest magazynowanie energii elektrycznej.

Projekt CO2-SNG służy jednoczesnemu rozwiązaniu problemów wykorzystania CO2 oraz magazynowania energii wytworzonej w oparciu o OZE. Dwutlenek węgla wychwycony ze spalin z bloku energetycznego w połączeniu z wodorem produkowanym w elektrolizerze przekształcany jest w specjalnych reaktorach metanizacji do Syntetycznego Gazu Ziemnego SNG.

Po latach badań we współpracy z naukowcami i firmami przemysłowymi opracowano nowatorską konstrukcję reaktora metanizacji, w której konwersja CO2 przynosi korzyści ekonomiczne. Aby przenieść wyniki działań laboratoryjnych na skalę pilotażową, powstało konsorcjum zrzeszające: TAURON Wytwarzanie S.A. (lider projektu), Francuską Komisję Energii Alternatywnych i Energii Atomowej (CEA), francuską firmę ATMOSTAT, Akademię Górniczo-Hutniczą im. Stanisława Staszica w Krakowie (AGH), Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla (IChPW), RAFAKO S.A., West Technology & Trading Sp. z o.o. (WTT Polska) i Exergon Sp. z o.o. Budowa, rozruch i roczne próby na instalacji pilotażowej finansowane są przez Konsorcjum, przy współudziale Innoenergy oraz Partnerów Projektu.

Doświadczenie i wiedza zdobyte przy pracy na instalacji pilotażowej doprowadzą do komercjalizacji projektu.

Partnerzy projektu CO2 - SNG

TAURON Wytwarzanie - Koordynator projektu, odpowiada za budowę i testowanie instalacji, która jest zintegrowana z instalacją wychwytywania CO2

AGH Kraków - Odpowiada za kinetyczną analizę reakcji metanizacji na różnych katalizatorach
ATMOSTAT - Opracowanie i dostarczenie modułowych reaktorów strukturalnych

CEA (Francuska Komisja Energii Alternatywnych i Energii Atomowej) - Odpowiada za zaprojektowanie i realizację pierwszego reaktora 3–4 m3/h
EXERGON - Termodynamiczne modelowanie procesu, integracja cieplna układu, przygotowanie Studium Wykonalności oraz analiza biznesowa produktu
IChPW - Testowanie układu w skali pilotowej w rzeczywistym środowisku przemysłowym i skalowanie procesu wychwytu CO2
RAFAKO - Opracowanie projektu wykonawczego instalacji i modelu 3D, integracja reaktora metanizacji z całością instalacji. Nadzór nad dokumentacją urządzeń pomocniczych, sprzedaż przyszłych produktów projektu
West Technology & Trading - Odpowiada za przygotowanie dokumentacji koniecznej do produkcji i zakupu urządzeń oraz ich integrację z całością instalacji

Harmonogram projektu CO2-SNG
Harmonogram projektu CO2-SNG

Opis instalacji

Instalacja CO2-SNG jest jedną z pierwszych na świecie wykorzystującą tego typu reaktor metanizacji. Celem instalacji jest konwersja 4,5 Nm³/h CO2 do SNG. CO2 jest wychwytywane ze spalin z bloków energetycznych w TAURON Wytwarzanie S.A. Oddział Elektrownia Łaziska w Łaziskach Górnych w pilotażowej instalacji CCP (Carbon Capture Plant) wykorzystującej absorpcję CO2 w roztworach amin, która została opracowana i przetestowana przez TAURON i IChPW.

Aby dostosować system CO2-SNG do współpracy z niestabilnymi źródłami energii odnawialnej, instalację zaprojektowano do pracy w szerokim zakresie mocy 20–100% mocy znamionowej. Instalacja została zaprojektowana i skonstruowana z wykorzystaniem mobilnych kontenerów (nadzoru, analizatora, sprężonego powietrza, elektrolizera oraz metanizacji). Kontener metanizacji jest sercem systemu metanizacji, obejmuje kontrolę ciśnienia i przepływu gazów, a także układ chłodzący reaktora.

Reaktor metanizacji

Dotychczas wykorzystywane w przemyśle układy metanizacji składają się z kaskadowych reaktorów adiabatycznych lub reaktorów rurowych. W tego typu reaktorach kontrola temperatury procesu jest trudna, a koszty eksploatacji i konserwacji są wysokie. Reaktory metanizacji opracowane przez CEA i ATMOSTAT oparte są na unikalnej konstrukcji, która zapewnia lepszą kontrolę temperatury procesu metanizacji. W opracowanej koncepcji reaktorów strukturalnych reakcja metanizacji realizowana jest w „kanałach reakcyjnych” wypełnionych drobnoziarnistym katalizatorem, natomiast odbiór ciepła ze strefy reakcji realizowany jest poprzez krążący w „kanałach chłodzących” czynnik – olej termalny.

Schemat procesu CO2-SNG

Schemat procesu CO2-SNG

Wykorzystanie SNG/CNG

Istnieje wiele możliwości wykorzystania syntetycznego metanu – SNG produkowanego w instalacji CO2-SNG. Między innymi możliwe jest wytwarzanie CNG (sprężonego gazu ziemnego) do napędzania samochodów. CNG jest o wiele bardziej przyjazny dla środowiska niż tradycyjne paliwa samochodowe, jak olej napędowy czy benzyna. Ciągłe zaostrzanie norm emisyjnych może spowodować, że CNG będzie w przyszłości pionierem na rynku alternatywnych paliw samochodowych.

Możliwe jest również magazynowanie SNG poprzez jego zatłaczanie do sieci gazowej. SNG ma właściwości, które pozwalają na wtłaczanie go do istniejącego systemu gazowego i transportowanie do odbiorców, bez konieczności budowania nowej sieci.

Planowane testy

Testy planowane na instalacji CO-SNG mają na celu uprzemysłowienie procesu. Te planowane na 2019 rok związane są z:

Walidacją technologii metanizacji: 4,5 Nm3 /h strumienia  dla zmiennych obciążeń w zakresie od 20 do 100% mocy znamionowej.

Walidacją dynamiki pracy układu metanizacji dla trybu pracy instalacji w okresach nadprodukcji energii z OZE i wynikającą stąd koniecznością częstych wyłączeń oraz zmiany parametrów wejściowych.

Potwierdzeniem żywotności katalizatora oraz stopnia konwersji CO2 do metanu.

Analizą efektów energetycznych układu metanizacji ukierunkowaną na możliwość wykorzystania ciepła wydzielanego w procesie metanizacji do wstępnego podgrzewania gazu na wlocie do reaktora bądź do regeneracji amin w jednostce CCP.

CNG wyprodukowany przez instalację będzie magazynowany w butlach i wykorzystywany do napędzania samochodów.

Instalacja wychwytu CO2

Spaliny wytworzone w bloku węglowym posiadają zbyt wysokie stężenie tlenków siarki jak na wymogi zastosowanej w instalacji technologii usuwania CO2. Zatem przed przystąpieniem do właściwego procesu spaliny wymagają przygotowania polegającego na usunięciu tlenków siarki. W instalacji pilotowej proces ten realizowany jest w pierwszej kolumnie, gdzie spaliny kontaktują się ze specjalnym roztworem.

Odsiarczone spaliny kierowane są do drugiej kolumny, tzw. absorbera, gdzie kontaktują się z roztworem absorpcyjnym, opartym na związkach aminowych, który wiąże chemicznie większość CO2. Oczyszczone spaliny opuszczają kolumnę i kierowane są do komina. Związany chemicznie dwutlenek węgla wraz z roztworem kierowany jest do trzeciej kolumny, tzw. desorbera. Do urządzenia tego doprowadzane jest ciepło, które powoduje, że z roztworu desorbuje się (uwalnia) gazowy CO2. Uzyskany w ten sposób strumień gazu kierowany jest do komina – w procesie przemysłowym zostanie odpowiednio wykorzystany. Pozbawiony CO2 roztwór absorpcyjny zawracany jest do kolumny absorpcyjnej, gdzie ponownie kontaktuje się ze spalinami i absorbuje CO2. W ten sposób cykl powtarza się, co umożliwia prowadzenie procesu w sposób ciągły.

 Reaktor metanizacji
Zdjęcie: SKID reaktora metanizacji
 
Dane  techniczne SKIDu reaktora:
Stumień gazu – do 22,5 Nm3/h
Waga: 540 kg
 
Instalacja pilotażowa CO2-SNG
Zdjęcie: Lokalizacja instalacji pilotażowej CO2-SNG w TAURON Wytwarzanie S.A.
Oddział Elektrownia Łaziska w Łaziskach Górnych
Dane techniczne instalacji pilotażowej:
Strumień CO2 – 4,5 Nm³/h
Strumień H2 – 18,0 Nm³/h
Temperatura procesowa – 300–350°C
Ciśnienie gazu – do 15 b
Stopień konwersji CO2 do SNG >97%
Elastyczność – od 20% do 100%
Produkcja metanu – 4,4 Nm³/h

InnoEnergy

Overview

European Union leads in CO2 emission reduction with the objective that at least 20% of their energy will come from renewable sources in 2020. The disadvantage of renewable sources like solar and wind energy is their intermittency resulting in a fluctuation of their production. To reach its objective, the electricity should be stored.

The CO2-SNG project is devoted to solve simultaneously the CO2 utilization and renewable electricity storage problems. CO2-SNG methanation devices convert Carbon Dioxide captured from flue gas and Hydrogen produced by electrolyzer to Synthetic Natural Gas (SNG).

After years of research, a new technology of methanation structured reactor has been developed with collaboration of scientists and industrials. It makes possible a profitable conversion of CO2. To continue the execution of research tasks needed to industrialize the process, a shift from laboratory scale to pilot scale is required. That is why a consortium has been created. It gathers TAURON Wytwarzanie SA (manager of CO2- SNG), CEA (French Alternatives Energies and Atomic Energy Commission), the French company ATMOSTAT, AGH University of Science and Technology, the Institute for Chemical Processing of Coal (IChPW), the company RAFAKO, the company West Technology & Trading (WTT) and the company Exergon. Consortium is in charge of building, commissioning and testing of the pilot plant.

The experience resulting from CO2-SNG should lead to several optimizations. These changes as well as the knowledge gained about the process will lead to propose a marketable unit in an industrial scale.

Project Partners CO2-SNG

TAURON Wytwarzanie - The Project leader, responsible for buidling and testing the plant, which is integrated with CO2 capture plant

AGH Kraków - Kinetic analysis of methanation reaction on different catalysts

ATMOSTAT - Development and delivery of modular structured reactor for demonstration plant

CEA (French Alternatives Energies and Atomic Energy Commision) - Pilot research/tests of the first reactor 3–4 m³/h. Assumptions for the demonstartion plant

EXERGON - Thermodynamic modeling of the process, thermal integration, contribution in preparing Feasibility Study and Bussines Case

IChPW - CO2-SNG pilot plant test in industrial conditions and carbon capture process scale-up

RAFAKO - Co-designing of the demonstration plant, supervising construction works on the plant, commercialization of the project results

West Technology & Trading - Preparing process documentation required for designing and purchase of devices and equipment and their integration

Description of the plan

CO2-SNG plant is one of the first in the world using this kind of methanation reactor. The Target of the plant is the conversion of 4,5 Nm³/h of CO2 to SNG. The CO2 is captured from the flue gas of TAURON Wytwarzanie SA Łaziska Power Plant. A Pilot Amine-Based CO2 Capture Plant has already been developed and tested by TAURON and IChPW and will extract the CO2 from flue gas.

To be compatible for the use of renewable electricity, the pilot plant has been designed to work with a large range, from 20% to 100% of the nominal capacity. It has been designed and constructed using mobile containers (supervision container, power control container, gas analyze container, electrolyze container and methanation container). The methanation container is the heart of the system, it includes pressure and flow control of gases and the cooling circuit.

Reactor of methanation

The State of The Art methanation reactor technologies consist of cascade of large scale adiabatic reactors or tubular reactors. In such reactors, the temperature control of the reaction is very difficult and the operating and maintenance cost are high. The reactors developed by CEA and ATMOSTAT are based on a new approach, which ensure the control of the reaction temperature. The concept of structured reactors is based on a catalyst powder inserted inside “reactive channels” through which reactant gases are circulating, which are cooled with oil by other channels.

Ways to use SNG/CNG

There are many possibilities to use the CO2-SNG pilot plant product. Among other things, it is possible to produce CNG (compressed natural gas) from SNG (synthetic natural gas) to power cars. CNG is far more environmentally friendly than other automotive fuels. Continuous tightening of emission standards for harmful substances may cause that CNG will in the future be a pioneer in the car fuel market, in addition to electricity.

It is also possible to create SNG warehouses and to inject SNG into the gas network. SNG has properties that allow it to be pressed into the gas system and transported to recipients. What is important, this allows you to use the existing gas system without having to build a new network.

Tests planned

The tests planned for CO2-SNG aim to industrialize the process. They should last at least 6 months and are related to:

Validation of the methanation technology: conversion of 4,5 Nm3/h of CO2, flexibility from 20 to 100%.

 Validation of the assessments about dynamic behavior of reactors for startup, shutdown and gas inlet variation.

 Life duration of catalyst to have 97% of CO2 conversion to methane: validation of the simulation, demonstrate long term efficiency of catalyst with industrial quality gases.

 Evaluation of the methanation heat released in order to validate the possibility of using it for preheating gas at the reactors inlet and/or for the CO2 capture unit (amines regeneration).
The SNG produce during these tests will be stored in a tank and could be used to fuel a car.

CO2 capture plant

The exhaust gases produced in the coal-fired unit have too high a concentration of sulfur oxides as per the requirements of the CO2 capture technology used in the plant. Therefore, before proceeding to the proper process, the exhaust gas requires preparation to remove sulfur oxides. In the pilot plant, this process is carried out in the first column, where the flue gas contacts the special solution.

Desulfurized flue gases are directed to the second column, the so-called absorber where they contact an absorption solvent based on amine compounds that chemically binds most of the CO2. The cleaned exhaust gases leave the column and are directed to the chimney. CO2 rich solvent is directed to the third column, the so-called desorber. The device is supplied with heat, which causes the carbon dioxide gas to be released (released) from the solution, which is transported to the CO2-SNG plant. CO2 lean solvent is returned to the absorption column, where it again contacts the exhaust and absorbs CO2. In this way, the cycle is repeated, which allows the process to be carried out continuously.

 Reaktor metanizacji
Photo: Methanation reactor SKID
 
Technical Characteristic
of Reactors SKID:
Stream of inlet gas – up to 22,5 Nm³/h
Weight: 540 kg
 
Instalacja pilotażowa CO2-SNG
Photo: Location of CO2-SNG Plant in Tauron Wytwarzanie Łaziska Power Plant
Pilot Plant Technical
Characteristic:
Stream of CO2 – 4,5 Nm³/h
Stream of H2 – 18,0 Nm³/h
Process temperature – 300–350°C
Gas pressure – up to 15 bar
Carbon conversion to SNG >97%
Flexibility – from 20% to 100%
Methane production – 4,4 Nm³/h

InnoEnergy