Έπειτα από 10 χρόνια ερευνών, μέσα από χρηματοδοτούμενα από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή και τη Γενική Γραμματεία Έρευνας και Καινοτομίας προγράμματα, οι ερευνητές του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ) και του Εθνικού Κέντρου Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (ΕΚΕΤΑ κατάφεραν να ανακαλύψουν ένα νέο μίγμα αμινών, που δεσμεύουν το διοξείδιο του άνθρακα πολύ πιο αποδοτικά, με φιλικότερες στο περιβάλλον διεργασίες, με μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις και με κατά 40% μικρότερο λειτουργικό κόστος σε σύγκριση με την βέλτιστη υπάρχουσα τεχνολογία, την οποία χρησιμοποιούν έως σήμερα οι μονάδες δέσμευσης CO2.
Στόχος της δέσμευσης CO2 είναι η απομόνωση και ο διαχωρισμός του από το μίγμα των αερίων καύσης. Ο καθηγητής του ΑΠΘ περιέγραψε τη διαδικασία: «Ένας αποτελεσματικός τρόπος διαχωρισμού είναι με την επιλεκτική χημική απορρόφηση του CO2 από μίγμα χημικών ενώσεων (διαλύτες) που επιλεκτικά αντιδρούν χημικά με το CO2 και δεν το αφήνουν να εκλυθεί στην ατμόσφαιρα. Τέτοιες χημικές ενώσεις είναι οι αμίνες, οργανικές ενώσεις που περιέχουν αμινο-ομάδες, οι οποίες αντιδρούν και δεσμεύουν το CO2. Φέρνοντας λοιπόν σε επαφή το υγρό υδατικό μίγμα των αμινών με τα αέρια καύσης των ορυκτών καυσίμων , το CO2 μεταφέρεται από την αέρια φάση στην υγρή φάση των αμινών μέσω χημικών δεσμών που δημιουργεί αυτό με τις αμίνες.
Έτσι απομακρύνεται ως υγρό από το μίγμα των αερίων καύσης, που, χωρίς πλέον CO2, απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα. Στη συνέχεια το υγρό μίγμα αμινών με το CO2 θερμαίνεται με αποτέλεσμα την σχάση των δεσμών του CO2 με τις αμίνες και την απελευθέρωση καθαρού αέριου CO2, το οποίο μπορεί να οδηγηθεί για αποθήκευση σε υπόγειους γεωλογικούς σχηματισμούς ή χρήση για την παραγωγή άλλων χρήσιμων χημικών ενώσεων. Το μίγμα των αμινών, απαλλαγμένο πλέον από το CO2 επαναχρησιμοποιείται για τη διαρκή δέσμευση CO2». Σε ό,τι αφορά το κόστος λειτουργίας της δέσμευσης, ο Δρ. Σεφερλής εξήγησε πως «αυτό εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμότητα που χρειάζεται για την απελευθέρωση του CO2 από το μίγμα αμινών».
Η ομάδα του ΑΠΘ και του ΕΚΕΤΑ προκειμένου να απαντήσει στο βασικό για την έρευνα ερώτημα «πώς μπορεί να βρεθεί κατάλληλο μίγμα διαλυτών, ώστε η δέσμευση του CO2 να γίνει με μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις, φιλικότερους στο περιβάλλον διαλύτες και οικονομικά βιώσιμες διεργασίες» βρέθηκε μπροστά σε μία δύσκολη εξίσωση, με τους συνδυασμούς οργανικών ενώσεων με αμινο-ομάδα να ξεπερνούν σε πλήθος τα δεκάδες δισεκατομμύρια, λαμβάνοντας υπόψιν όλους του πιθανούς συνδυασμούς των χημικών ομάδων. Επίσης το μίγμα των διαλυτών μπορεί να περιλαμβάνει περισσότερες από μια οργανικές ουσίες με αμινο-ομάδα καθιστώντας το πρόβλημα ουσιαστικά ανέφικτο να λυθεί με συμβατικές πειραματικές μεθόδους. Η επιλογή από τον ερευνητή του καλύτερου συνδυασμού ήταν πρακτικά αδύνατη.
Για την επίλυση του προβλήματος επιστρατεύτηκαν ψηφιακά πρότυπα (μοντέλα) για την εκτίμηση των φυσικών ιδιοτήτων των μορίων των αμινών με βάση τη χημική τους δομή. Ο ερευνητής του ΙΔΕΠ/ΕΚΕΤΑ Δρ. Αθανάσιος Παπαδόπουλος εξηγεί: «Με εξειδικευμένες τεχνικές βελτιστοποίησης πολλαπλών κριτηρίων κατασκευάστηκαν στον ηλεκτρονικό υπολογιστή εικονικά μόρια αμινών τα οποία προσεγγίζουν τις επιθυμητές ιδιότητες ώστε η δέσμευση του CO2 να πληροί τα κριτήρια που τέθηκαν εξ’ αρχής». Η εφαρμογή των ψηφιακών προτύπων για την πρόβλεψη των ιδιοτήτων των μιγμάτων των αμινών μαζί με τις τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης που αναζητούν και επιλέγουν τις βέλτιστες συστάσεις και συγκεντρώσεις των μιγμάτων με βάση συγκεκριμένα κριτήρια οδήγησε στην ανακάλυψη καινοτόμων μιγμάτων αμινών που δεν είχαν μελετηθεί προηγουμένως.
Τα μίγματα αυτά καταφέρνουν να δεσμεύουν το CO2 με πολύ μικρότερη απαιτούμενη ενέργεια, μειώνοντας έτσι το λειτουργικό κόστος της δέσμευσης κατά περίπου 40 % από την υπάρχουσα καλύτερη τεχνολογία. Το νέο υδατικό διάλυμα αμινών που ανακαλύφθηκε έχει τη μοναδική ιδιότητα ότι κατά την χημική απορρόφηση του CO2 από τις αμίνες, το μίγμα τους διαχωρίζεται αυθορμήτως, χωρίς την χρήση θερμότητας (δηλαδή χωρίς επιπρόσθετο κόστος ενέργειας), σε δυο μη-αναμίξιμες υγρές φάσεις. Παράδειγμα μη-αναμίξιμων υγρών φάσεων είναι ο διαχωρισμός του ελαιόλαδου όταν αυτό έρθει σε επαφή με το νερό. Η μία υγρή φάση έχει μεγάλη συγκέντρωση σε CO2 (πλούσια φάση) ενώ η άλλη μικρή. Επομένως, η θερμική κατεργασία για την απελευθέρωση του CO2 από την υγρή φάση επιβάλλεται σε μικρότερη ποσότητα του μίγματος των διαλυτών εξοικονομώντας έτσι σημαντική ποσότητα ενέργειας.
Η ανακάλυψη του νέου μίγματος αμινών χρησιμοποιήθηκε σε εργαστηριακή διάταξη για την πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της υπολογιστικής μηχανικής. Για τον λόγο αυτό σχεδιάστηκαν, κατασκευάστηκαν και τέθηκαν σε αυτοματοποιημένη λειτουργία ένας αριθμός διατάξεων στο ΕΑΝΟΣΥΣ/ΙΔΕΠ/ΕΚΕΤΑ. Ο Διευθυντής του ΙΔΕΠ/ΕΚΕΤΑ Δρ. Σπυρίδων Βουτετάκης εξηγεί ότι «οι διεργασίες αυτές προσομοιάζουν την βιομηχανική εφαρμογή σε πολύ μικρότερη αλλά και πιο διαχειρίσιμη μορφή, σε ελεγχόμενες και πλήρως ασφαλείς συνθήκες λειτουργίας». Στόχος της ομάδας ήταν η μέτρηση της απόδοσης των καινοτόμων μιγμάτων διαλυτών στη δέσμευση CO2 σε συνθήκες εγγύτερα αυτών που επικρατούν στη βιομηχανική εφαρμογή. Κατά την εκπόνηση των πειραμάτων επιβεβαιώθηκε η αυξημένη ικανότητα του μίγματος αμινών να δεσμεύει CO2 καθώς και η σημαντική μείωση των ενεργειακών απαιτήσεων για τον εν λόγω διαχωρισμό.
Τώρα η ομάδα εργάζεται πάνω στην ανάπτυξη της διεργασίας δέσμευσης με τους καινοτόμους διαλύτες σε βιομηχανική κλίμακα για την αξιολόγηση της εμπορικής ανάπτυξης της νέας αυτής τεχνολογίας. Διερευνάται η δυνατότητα σχεδιασμού και κατασκευής μονάδας δέσμευσης δυναμικότητας 5 τόννων CO2 ημερησίως που συνεπάγεται την επεξεργασία περίπου 1.000 κυβικών μέτρων απαερίων καύσης ασβεστοποιίας σε κανονικές συνθήκες. Η συνεργασία με τις Ελληνικές επιχειρήσεις στους τομείς της παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος, παραγωγής τσιμέντου, ασβέστη και μαγνησίας καθώς και της παραγωγής καυσίμων και χημικών είναι ισχυρή και αποτελεί και την εγγύηση για την επιτυχημένη μετάβαση της νέας τεχνολογίας από την μονάδα πιλοτικής κλίμακας σε βιομηχανική εγκατάσταση.
Η ομάδα του ΑΠΘ και του ΕΚΕΤΑ ηγήθηκε από το 2011 μέχρι το 2014, ως επιστημονικός και διαχειριστικός συντονιστής, της κοινοπραξίας του ερευνητικού έργου CAPSOL (Design Technologies for Multi-Scale Innovation and Integration in Post-Combustion CO2 Capture: From Molecules to Unit Operations and Integrated Plants) που χρηματοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή. Κατά την περίοδο αυτή τέθηκαν τα θεμέλια της καινοτόμου τεχνολογίας δέσμευσης με την ανάπτυξη μεθόδων τεχνητής νοημοσύνης για το σχεδιασμό νέων διαλυτών δέσμευσης υψηλής απόδοσης.
Στη συνέχεια (2016-19) η Ευρωπαϊκή Επιτροπή εμπιστεύτηκε την Ομάδα του ΕΑΝΟΣΥΣ για τον επιστημονικό και διαχειριστικό συντονισμό του ερευνητικού έργου ROLINCAP (Systematic Design and Testing of Advanced Rotating Packed Bed Processes and Phase-Change Solvents for Intensified Post-Combustion CO2 Capture) όπου και προέκυψαν οι νέοι διαλύτες πολλαπλών φάσεων που επιτυγχάνουν την αποτελεσματική αλλά και οικονομικά βιώσιμη δέσμευση του CO2. Πολύ πιο εξελιγμένα ψηφιακά πρότυπα πρόβλεψης της συμπεριφοράς των μιγμάτων διαλυτών αλλά και των αντίστοιχων διεργασιών αναπτύχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν ώστε να είναι δυνατή η μεταφορά σε πειραματικές διατάξεις των νέων διαλυτών.
Στις ερευνητικές κοινοπραξίες των έργων CAPSOL και ROLINCAP συμμετείχαν πανεπιστήμια από την Ευρώπη (Imperial College London, Sheffield University, University of Newcastle, ETH Zurich, Chalmers University) και την Δημοκρατία της Κορέας (Korea Advanced Institute of Science and Technology) καθώς και σημαντικός αριθμός Ευρωπαϊκών εταιρειών. Στο πλαίσιο των δράσεων της Γενικής Γραμματείας Έρευνας και Καινοτομίας «Ερευνώ – Δημιουργώ – Καινοτομώ» η ερευνητική ομάδα του ΕΑΝΟΣΥΣ και του ΕΔΥΜ εκπονούν τρία ερευνητικά έργα (ΝΑΝΟCAP, REALCAP, CO2FUELS) που οδηγούν τις ανάγκες της Ελληνικής βιομηχανίας στην μείωση του περιβαλλοντικού τους αποτυπώματος αλλά και στην παραγωγή νέων προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας.
Συνολικά, έχουν προσελκυστεί και επενδυθεί πάνω από 8 εκατομμύρια ευρώ στην έρευνα, μέσω των παραπάνω έργων.Η πιλοτική μονάδα δέσμευσης CO2 θα παρουσιαστεί σε λειτουργία στον χώρο της ΓΓΕΚ και του ΕΚΕΤΑ στη ΔΕΘ (περίπτερο 7).
ΑΜΠΕ
ΣΧΕΤΙΚΟ: https://techxplore.com/news/2021-09-carbon-capture-efficiency-net-emissions.html
Στόχος της δέσμευσης CO2 είναι η απομόνωση και ο διαχωρισμός του από το μίγμα των αερίων καύσης. Ο καθηγητής του ΑΠΘ περιέγραψε τη διαδικασία: «Ένας αποτελεσματικός τρόπος διαχωρισμού είναι με την επιλεκτική χημική απορρόφηση του CO2 από μίγμα χημικών ενώσεων (διαλύτες) που επιλεκτικά αντιδρούν χημικά με το CO2 και δεν το αφήνουν να εκλυθεί στην ατμόσφαιρα. Τέτοιες χημικές ενώσεις είναι οι αμίνες, οργανικές ενώσεις που περιέχουν αμινο-ομάδες, οι οποίες αντιδρούν και δεσμεύουν το CO2. Φέρνοντας λοιπόν σε επαφή το υγρό υδατικό μίγμα των αμινών με τα αέρια καύσης των ορυκτών καυσίμων , το CO2 μεταφέρεται από την αέρια φάση στην υγρή φάση των αμινών μέσω χημικών δεσμών που δημιουργεί αυτό με τις αμίνες.
Έτσι απομακρύνεται ως υγρό από το μίγμα των αερίων καύσης, που, χωρίς πλέον CO2, απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα. Στη συνέχεια το υγρό μίγμα αμινών με το CO2 θερμαίνεται με αποτέλεσμα την σχάση των δεσμών του CO2 με τις αμίνες και την απελευθέρωση καθαρού αέριου CO2, το οποίο μπορεί να οδηγηθεί για αποθήκευση σε υπόγειους γεωλογικούς σχηματισμούς ή χρήση για την παραγωγή άλλων χρήσιμων χημικών ενώσεων. Το μίγμα των αμινών, απαλλαγμένο πλέον από το CO2 επαναχρησιμοποιείται για τη διαρκή δέσμευση CO2». Σε ό,τι αφορά το κόστος λειτουργίας της δέσμευσης, ο Δρ. Σεφερλής εξήγησε πως «αυτό εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμότητα που χρειάζεται για την απελευθέρωση του CO2 από το μίγμα αμινών».
Η ομάδα του ΑΠΘ και του ΕΚΕΤΑ προκειμένου να απαντήσει στο βασικό για την έρευνα ερώτημα «πώς μπορεί να βρεθεί κατάλληλο μίγμα διαλυτών, ώστε η δέσμευση του CO2 να γίνει με μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις, φιλικότερους στο περιβάλλον διαλύτες και οικονομικά βιώσιμες διεργασίες» βρέθηκε μπροστά σε μία δύσκολη εξίσωση, με τους συνδυασμούς οργανικών ενώσεων με αμινο-ομάδα να ξεπερνούν σε πλήθος τα δεκάδες δισεκατομμύρια, λαμβάνοντας υπόψιν όλους του πιθανούς συνδυασμούς των χημικών ομάδων. Επίσης το μίγμα των διαλυτών μπορεί να περιλαμβάνει περισσότερες από μια οργανικές ουσίες με αμινο-ομάδα καθιστώντας το πρόβλημα ουσιαστικά ανέφικτο να λυθεί με συμβατικές πειραματικές μεθόδους. Η επιλογή από τον ερευνητή του καλύτερου συνδυασμού ήταν πρακτικά αδύνατη.
Για την επίλυση του προβλήματος επιστρατεύτηκαν ψηφιακά πρότυπα (μοντέλα) για την εκτίμηση των φυσικών ιδιοτήτων των μορίων των αμινών με βάση τη χημική τους δομή. Ο ερευνητής του ΙΔΕΠ/ΕΚΕΤΑ Δρ. Αθανάσιος Παπαδόπουλος εξηγεί: «Με εξειδικευμένες τεχνικές βελτιστοποίησης πολλαπλών κριτηρίων κατασκευάστηκαν στον ηλεκτρονικό υπολογιστή εικονικά μόρια αμινών τα οποία προσεγγίζουν τις επιθυμητές ιδιότητες ώστε η δέσμευση του CO2 να πληροί τα κριτήρια που τέθηκαν εξ’ αρχής». Η εφαρμογή των ψηφιακών προτύπων για την πρόβλεψη των ιδιοτήτων των μιγμάτων των αμινών μαζί με τις τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης που αναζητούν και επιλέγουν τις βέλτιστες συστάσεις και συγκεντρώσεις των μιγμάτων με βάση συγκεκριμένα κριτήρια οδήγησε στην ανακάλυψη καινοτόμων μιγμάτων αμινών που δεν είχαν μελετηθεί προηγουμένως.
Τα μίγματα αυτά καταφέρνουν να δεσμεύουν το CO2 με πολύ μικρότερη απαιτούμενη ενέργεια, μειώνοντας έτσι το λειτουργικό κόστος της δέσμευσης κατά περίπου 40 % από την υπάρχουσα καλύτερη τεχνολογία. Το νέο υδατικό διάλυμα αμινών που ανακαλύφθηκε έχει τη μοναδική ιδιότητα ότι κατά την χημική απορρόφηση του CO2 από τις αμίνες, το μίγμα τους διαχωρίζεται αυθορμήτως, χωρίς την χρήση θερμότητας (δηλαδή χωρίς επιπρόσθετο κόστος ενέργειας), σε δυο μη-αναμίξιμες υγρές φάσεις. Παράδειγμα μη-αναμίξιμων υγρών φάσεων είναι ο διαχωρισμός του ελαιόλαδου όταν αυτό έρθει σε επαφή με το νερό. Η μία υγρή φάση έχει μεγάλη συγκέντρωση σε CO2 (πλούσια φάση) ενώ η άλλη μικρή. Επομένως, η θερμική κατεργασία για την απελευθέρωση του CO2 από την υγρή φάση επιβάλλεται σε μικρότερη ποσότητα του μίγματος των διαλυτών εξοικονομώντας έτσι σημαντική ποσότητα ενέργειας.
Η ανακάλυψη του νέου μίγματος αμινών χρησιμοποιήθηκε σε εργαστηριακή διάταξη για την πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της υπολογιστικής μηχανικής. Για τον λόγο αυτό σχεδιάστηκαν, κατασκευάστηκαν και τέθηκαν σε αυτοματοποιημένη λειτουργία ένας αριθμός διατάξεων στο ΕΑΝΟΣΥΣ/ΙΔΕΠ/ΕΚΕΤΑ. Ο Διευθυντής του ΙΔΕΠ/ΕΚΕΤΑ Δρ. Σπυρίδων Βουτετάκης εξηγεί ότι «οι διεργασίες αυτές προσομοιάζουν την βιομηχανική εφαρμογή σε πολύ μικρότερη αλλά και πιο διαχειρίσιμη μορφή, σε ελεγχόμενες και πλήρως ασφαλείς συνθήκες λειτουργίας». Στόχος της ομάδας ήταν η μέτρηση της απόδοσης των καινοτόμων μιγμάτων διαλυτών στη δέσμευση CO2 σε συνθήκες εγγύτερα αυτών που επικρατούν στη βιομηχανική εφαρμογή. Κατά την εκπόνηση των πειραμάτων επιβεβαιώθηκε η αυξημένη ικανότητα του μίγματος αμινών να δεσμεύει CO2 καθώς και η σημαντική μείωση των ενεργειακών απαιτήσεων για τον εν λόγω διαχωρισμό.
Τώρα η ομάδα εργάζεται πάνω στην ανάπτυξη της διεργασίας δέσμευσης με τους καινοτόμους διαλύτες σε βιομηχανική κλίμακα για την αξιολόγηση της εμπορικής ανάπτυξης της νέας αυτής τεχνολογίας. Διερευνάται η δυνατότητα σχεδιασμού και κατασκευής μονάδας δέσμευσης δυναμικότητας 5 τόννων CO2 ημερησίως που συνεπάγεται την επεξεργασία περίπου 1.000 κυβικών μέτρων απαερίων καύσης ασβεστοποιίας σε κανονικές συνθήκες. Η συνεργασία με τις Ελληνικές επιχειρήσεις στους τομείς της παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος, παραγωγής τσιμέντου, ασβέστη και μαγνησίας καθώς και της παραγωγής καυσίμων και χημικών είναι ισχυρή και αποτελεί και την εγγύηση για την επιτυχημένη μετάβαση της νέας τεχνολογίας από την μονάδα πιλοτικής κλίμακας σε βιομηχανική εγκατάσταση.
Η ομάδα του ΑΠΘ και του ΕΚΕΤΑ ηγήθηκε από το 2011 μέχρι το 2014, ως επιστημονικός και διαχειριστικός συντονιστής, της κοινοπραξίας του ερευνητικού έργου CAPSOL (Design Technologies for Multi-Scale Innovation and Integration in Post-Combustion CO2 Capture: From Molecules to Unit Operations and Integrated Plants) που χρηματοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή. Κατά την περίοδο αυτή τέθηκαν τα θεμέλια της καινοτόμου τεχνολογίας δέσμευσης με την ανάπτυξη μεθόδων τεχνητής νοημοσύνης για το σχεδιασμό νέων διαλυτών δέσμευσης υψηλής απόδοσης.
Στη συνέχεια (2016-19) η Ευρωπαϊκή Επιτροπή εμπιστεύτηκε την Ομάδα του ΕΑΝΟΣΥΣ για τον επιστημονικό και διαχειριστικό συντονισμό του ερευνητικού έργου ROLINCAP (Systematic Design and Testing of Advanced Rotating Packed Bed Processes and Phase-Change Solvents for Intensified Post-Combustion CO2 Capture) όπου και προέκυψαν οι νέοι διαλύτες πολλαπλών φάσεων που επιτυγχάνουν την αποτελεσματική αλλά και οικονομικά βιώσιμη δέσμευση του CO2. Πολύ πιο εξελιγμένα ψηφιακά πρότυπα πρόβλεψης της συμπεριφοράς των μιγμάτων διαλυτών αλλά και των αντίστοιχων διεργασιών αναπτύχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν ώστε να είναι δυνατή η μεταφορά σε πειραματικές διατάξεις των νέων διαλυτών.
Στις ερευνητικές κοινοπραξίες των έργων CAPSOL και ROLINCAP συμμετείχαν πανεπιστήμια από την Ευρώπη (Imperial College London, Sheffield University, University of Newcastle, ETH Zurich, Chalmers University) και την Δημοκρατία της Κορέας (Korea Advanced Institute of Science and Technology) καθώς και σημαντικός αριθμός Ευρωπαϊκών εταιρειών. Στο πλαίσιο των δράσεων της Γενικής Γραμματείας Έρευνας και Καινοτομίας «Ερευνώ – Δημιουργώ – Καινοτομώ» η ερευνητική ομάδα του ΕΑΝΟΣΥΣ και του ΕΔΥΜ εκπονούν τρία ερευνητικά έργα (ΝΑΝΟCAP, REALCAP, CO2FUELS) που οδηγούν τις ανάγκες της Ελληνικής βιομηχανίας στην μείωση του περιβαλλοντικού τους αποτυπώματος αλλά και στην παραγωγή νέων προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας.
Συνολικά, έχουν προσελκυστεί και επενδυθεί πάνω από 8 εκατομμύρια ευρώ στην έρευνα, μέσω των παραπάνω έργων.Η πιλοτική μονάδα δέσμευσης CO2 θα παρουσιαστεί σε λειτουργία στον χώρο της ΓΓΕΚ και του ΕΚΕΤΑ στη ΔΕΘ (περίπτερο 7).
ΑΜΠΕ
ΣΧΕΤΙΚΟ: https://techxplore.com/news/2021-09-carbon-capture-efficiency-net-emissions.html
No comments :
Post a Comment