Tilbake til søkeresultatene

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering

Capture of CO2 in Confined Surfactant Geometries

Alternativ tittel: CO2 Fangst i Surfaktant Geometrier

Tildelt: kr 2,9 mill.

Mål Målet er å designe og validere lyotropiske flytende krystaller for CO2-fangst, transport, og injeksjon i akviferer, basert på termodynamisk modellering og småskala eksperimentering, gjennom spesifisering av en polymer arkitektur for lyotropiske flytende krystaller, undersøkelse av vanninntrenging i strukturen, enkle valideringseksperimenter, økonomisk analyse, og en overordnet teknisk konseptvurdering. Teknisk En lav-energi post-combustion CO2-fangst metode studeres ved bruk av nanostrukturerte vandige løsninger, i form av lyotropiske flytende krystaller, for å fange CO2 fra røykgass strømmer etter kompresjon av røykgassen til moderat trykk. Fangstkinetikken er rask, grunnet fravær av faste solide barrierer mot molekylære diffusjonsveier. Etter opptak inneholder de nanostrukturerte vandige løsninger et forhøyet molært innhold av CO2. Etter CO2-fangstprosessen transporterer rørledninger de CO2-ladede flytende krystaller til underjordiske akviferer for langsiktig lagring. Flytende krystaller utgjør en primær forseglingsmekanisme mot CO2-lekkasje ut av akviferene. Takbergart utgjør en sekundær forseglingsmekanisme mot CO2-lekkasje. En integrert vandig løsning fanger, transporter, og lagrer CO2. Flytende krystaller gir reduserte kjemiske potensialer av CO2 i en skreddersydd intern fase. Vesentlige energibesparelser resulterer fra å redusere komprimeringsenergien som kreves for å fange CO2. Flytende krystaller designes ved hjelp av termodynamisk beregningsmodellering, så vel som eksperimentell syntese, fasestabilitetskarakterisering og småskala konsept validering. Termodynamiske beregninger involverer molekylære dynamikkmetoder, inkludert brutkraftsversjoner av Widom-partikkelinnsettingsteknikker, for å estimere orienteringsavhengige kjemiske potensialer. Termodynamiske beregninger opplyser funksjonell gruppevalg og arkitektonisk utvelgelse som er involvert i å skreddersy indre kjemiske miljøer innenfor flytende krystallgeometrier. Eksperimentelle aktiviteter involverer faselikevektkartlegging ved hjelp av polarisert lysmikroskopi, lysspredning, røntgenspredning, NMR og reometrisk vurdering. Valideringsarbeidet måler svelling og gir kvantifiserbare CO2-opptaksrater ved bruk av småskala instrumentering og PVT-målinger. Prosjektaktiviteter omfatter også en samlet gjennomgang av muligheten til konseptet, inkludert CapEx og OpEx-kostnader, samt praktiske hensyn og metningsdata. Merværdi av prosjektet Prosjektet gir kunnskap om CO2 metningsmengder i flytende krystaller ved forskjellige trykk. Prosjektet gir generell vitenskapelig nytte ved å belyse termodynamiske aspekter av CO2-affinitet til spesifikke polymeriske grupper. De termodynamiske beregningsmetoder som utvikles i prosjektet, blir universelt overførbare til et bredt spekter av applikasjoner innom CCS, inkludert flytende krystall konsepter, polymermembranteknologi og kombinert CCS-EOR-teknologier involverende polymerer. Forskningsutfordringer Utfordringene er å implementere termodynamiske beregninger for å belyse den kjemiske utformingen og anslå orienteringsavhengige kjemiske potensialer. Arkitektonisk utvelgelse av amfifile di-blokk-kopolymerer er nødvendig for å fastsette stabilitet og flytbarhet av de flytende krystaller med hensyn til fortynning, urenheter, temperatur, trykk, og pH. CO2 opptak og faselikevekter må påvises. Forskningsresultater Konseptets økonomiske analyse viser at flytende krystaller er ikke økonomisk lønnsømme grunnet høye materiale kostnader samt lave CO2 metningstall. Ved 5 bar trykk, er opptak omtrent 15 gram CO2 per kilogram av flytende krystaller. Den praktiske gjennomførbarheten av konseptet er utelukket grunnet gelering og skumdannelse. Syntetisk amine-modifikasjon av flytende krystaller er utført i forskjellige arkitektoniske konfigurasjoner. CO2 opptak i modifisert flytende krystaller skjer ved kjemisk binding samt fysiske attraksjoner. Kjemiske bindinger dannes ved CO2 reaksjon med amine grupper. Fysiske attraksjoner skjer med oksygen molekyler i etylene oxide grupper. Begge opptaksmekanismer fremgår i absorpsjonsmålingene. Imidlertid gir absorpsjon av rent CO2 i flytende krystall løsninger vesentlig osmotisk vanntap, hvilket eliminerer fase stabiliteten til flytende krystallene. NMR-metoder er ufølsomme for CO2 opptak. Pulsert feltgradient NMR viser at flytende krystaller inneholder bundet og fritt vann. Reometriske studier viser at CO2-ladede modifiserte flytende krystaller har omtrent samme flytbarhet som uladede modifiserte flytende krystaller. På den teoretiske modelleringssiden er det satt opp en ny verktøykjede for GPU-simuleringer, og mange av utfordringene som er involvert i å sette opp simuleringene er allerede blitt løst. Analytiske metoder og flerdimensjonale presentasjonsmetoder er utviklet. Simuleringer har blitt utført til relativt lange tidsskalaer for systemer som benytter etere som den kjemiske funksjonelle gruppen med affinitet mot CO2.

Lyotropic liquid crystals are not viable for integrated CO2 capture, transport and storage. At 5 bar pressure, saturation quantities are approximately 15 grams of CO2 per kilogram of lyotropic liquid crystals. Lyotropic liquid crystals contain both bound and free H2O, precluding architectural designation of a kinetic barrier against water penetration. Hence, lyotropic liquid crystals will experience the same competitive binding of water to ethylene oxide functional sites as is known to occur in mixtures of dimethyl ethers of polyethylene glycol. As such, lyotropic liquid crystals will be unable to surpass the CO2 saturation uptake performance of mixtures of dimethyl ethers of polyethylene glycol. Lyotropic liquid crystals also suffer from problems of viscosity, gelling, and foaming. A new toolchain was developed for setting up GPU simulations for CO2 in reference systems. The newly toolchain is highly applicable for performing thermodynamic modelling for other CCS applications.

The proposal represents a completely new and novel idea to utilize liquid crystals to capture CO2, providing thermodynamic stability and thereby circumventing natural restrictions on sealant rock integrity for long-term storage. The proposed approach uses a completely new chemical mechanism, and is therefore not a continuation of other ideas. Liquid crystal phases provide reduced internal CO2 chemical potentials. Significant energy savings are relevant during capture, compression, processing, transport, and injection stages of CCS processes. Hence, from a comprehensive perspective, significant potential exists for a step-change improvement in energy-saving as well as cost-savings. The new liquid crystal concept provides a complete processing chain in one package - CO2 capture, dispersion with water, pumping for transport, and aquifer injection as an aqueous dispersion. Such an approach significantly reduces energy costs associated with capture, compression, processing, transport, and geologic injection. CapEx and OpEx costs are also substantially reduced by reducing the equipment train and associated processing steps. For example, the need for expensive membrane solutions is entirely eliminated. The project represents a combination of thermodynamic modelling and experimental characterization and assessment. The modelling activities will include quantum mechanical methods as well as molecular dynamics simulations, to be performed by Bjørn Kvamme's group at UiB. The modelling work will be complemented by experimental activities including phase equilibria determination, dispersion stability, and bench-scale validation at Ugelstad Laboratory at NTNU. A central part of the project will be assessment of the overall concept based on preliminary kinetic and saturation data. The review will be based on economic criteria as well as practical considerations such as transportability. Material and energy consumption will be included in the overall concept review.

Aktivitet:

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering