Produksjon av varme og kraft ved forbrenning av avfall danner CO2. Fangst av denne CO2’en vil bidra til den helt påkrevde reduksjonen i globale CO2-utslipp. En del av karbonet i avfall er av biogen opprinnelse og CO2-fangst fra avfallsforbrenning vil derfor også bidra til å fjerne CO2 fra atmosfæren. Integrasjon av CO2-fangst i et avfallsforbrenningsanlegg vil medføre ekstra kostnader og energibruk. Utvikling av mer effektive og mindre kostnadskrevende fangstteknologier er derfor nødvendig for å redusere barrierene for å implementere CO2-fangst.
Prosjekt LOUISE har derfor som hovedmål å demonstrere kjemisk sirkulasjons-forbrenning (CLC - Chemical Looping Combustion) som en innovativ og effektiv CO2 fangstteknologi for anlegg som produserer varme og kraft fra foredlede avfallsbrensler (FAB). CLC er en oxyfuel fangstteknologi men uten behov for kryogen luftseparering. I stedet blir oksygen separert fra luft som en integrert del av CLC-prosessen. Det blir gjort ved bruk av metalloksider. Et veldig relevant metalloksid er ilmenitt, et mineral som utvinnes og prosesseres i stor skala i Norge. Prosjektet vil validere bruk av ilmenitt i CLC med foredlet avfallsbrensel. For å ytterligere redusere kostnader og øke graden av sirkularitet, vil prosjektet også evaluere mulig bruk av skrapmaterialer fra stål- og titan-industri som aktuelle metalloksider i CLC-prosessen.
Prosjekt LOUISE startet høsten 2021 og ble avsluttet desember 2024. Det er et ACT-3 prosjekt med samarbeid mellom forsknings- og industripartnere fra Norge, Tyskland, Hellas og Tyrkia. Den norske delen av prosjektet finansieres av CLIMIT. Den involverer SINTEF og NORSUS som forskningspartnere, og SAREN Energy Bio-El AS, Geminor AS, Kronos Titan AS og Titania AS som industripartnere.
De viktigste resultatene oppnådd av partnerne i den norske delen av LOUISE er:
* Testkjøringer gjennomført med gode resultater i 150 kW CLC pilotanlegg. De viser at høy CO2 fangstrate kan oppnås (> 95 %) og at ytelse ellers er minst like god som for biomasse, som er brukt som referansebrensel.
* Ilmenitt er validert som et metalloksid som egner seg bra for CLC med foredlet avfallsbrensel.
* Nye metalloksidmaterialer basert på skrap fra stål- og titanindustri er testet i lab-skala og viser seg å være relevante kandidater i en CLC-prosess.
* Det er gjennomført livssyklusanalyser av full-skala CLC-prosesser for avfallsbrensler med fangst og lagring av CO2. De viser at CLC er fullt på høyde med, eller bedre, enn mer konvensjonelle fangst-teknologier med hensyn til klimaeffekt.
* En prosess-studie for et 60 MW CLC-anlegg på Øra industriområde i Fredrikstad er utført. Det vil forsyne et lokalt industrielt dampnettverk, et lokalt fjernvarmenett, pluss produsere strøm i dampturbiner. En økonomisk evaluering av anlegget viser at salg av negative CO2-sertifikater (fra andelen biogent CO2 som fanges) er nødvendig for å gi økonomi i prosjektet.
* SINTEF har vært ansvarlig for informasjonsformidling fra prosjektet. Det har inkludert opprettelse og vedlikehold av prosjektets nettside, prosjektlogo, nyhetsbrev, samt arrangere to åpne webinar. Webinarene hadde stor deltakelse, henholdsvis 140 og 80 personer. Webinarene bidro til å nå et bredt og relevant publikum med økte sjanser for at prosjektresultatene tas opp og bringes videre.
* Det tredje GA-møtet i prosjektet ble avholdt i Fredrikstad i mai 2023 med deltagelse fra alle landene i prosjektet. Vert for møtet var Kronos Titan AS og møtet og alt rundt ble veldig godt mottatt av deltagerne. Møtet inkluderte også interessante fabrikkbesøk hos Kronos Titan samt hos SAREN Energy Bio-El forbrenningsanlegg som produserer damp og kraft fra foredlet avfallsbrensel.
* Prosjektresultater har blitt kommunisert utad både i konferanser og journaler. Blant annet i den 6. og 7. International Conference on Chemical Looping i 2022 og 2024, og i International Journal of Greenhouse Gas Control i 2023. Den tekno-økonomiske evalueringen av et 60 MW anlegg vil bli presentert på TCCS-13, og en artikkel med de siste resultatene vil bli publisert i Industrial & Engineering Chemistry Research i 2025.
Viktig prosjektarbeid er gjort også av de andre partnerne i prosjektet, fra de andre landene. Spesielt kan nevnes pilot-tester på 1 MW skala, design av et 10 MW demonstrasjonsanlegg, samt flere business-case som er etablert og evaluert. Disse casene viser at LOUISE CLC-systemet gir lavere driftskostnader enn mer konvensjonell fangstteknologi, men CLC er mindre anvendbart for ettermontering på eksisterende anlegg. Business-casene med CCS (lagring av CO2) kom bedre ut enn casene med CCU (bruk av CO2).
De norske partnerne i LOUISE har samarbeidet veldig godt med partnerne fra de andre landene og mye kunnskap og erfaring har blitt delt mellom partnerne i prosjektet. Det er et veldig verdifullt tilleggsresultat fra prosjektet.
Main achievements obtained by the partners in the Norwegian part of LOUISE are:
* Successful operation with SRF waste-derived fuel in the 150 kW pilot unit achieved, showing very high capture rate (> 95 %) and performance parameters at least as good as for biomass.
* Ilmenite is validated good candidate as an oxygen carrier material for CLC of waste-derived fuels.
* Screening of several new metal oxide materials show that some scrap fractions from steel and titanium industry can be new metal oxide materials for CLC.
* Life-cycle assessments for different business cases of full-scale CLC processes with CO2 capture and storage from waste feedstocks have been performed, showing that CLC performs equal or better than more conventional capture technologies.
* A case study for a 60 MW CLC plant at Øra industry site in Fredrikstad has been established. It will supply the local industrial steam network, a district heating network, and produce power from steam turbines. An economic assessment of the plant shows that sales of negative CO2 certificates seem to be needed to provide economy in the project.
* SINTEF has been responsible for the dissemination activities in LOUISE. This have included establishing and maintaining the project webpage, project logo, newsletters, and arranging two public workshops (webinars). The webinars achieved high participation, with 140 and 80 participants. As such, the webinars succeeded in reaching and communicating the project’s work to a wide, relevant audience, thereby increasing the chances of uptake of the project’s solutions.
* Project results have been disseminated both in conferences and journals, such as both the 6th and 7th International Conference on Chemical Looping in 2022 and 2024, and in the International Journal of Greenhouse Gas Control 2023. The 60 MW case study will be presented at TCCS-13, and a final paper will be published in Industrial & Engineering Chemistry Research in 2025.
Important project work has also been done by partners from the other countries. Most notably are the 1 MW pilot tests, the basic design of a 10 MW demonstration plant, and several business cases being established. The business case results indicate that the LOUISE CLC system achieves lower operating costs than more conventional capture technology. However, it is less suitable for retrofitting existing WtE-plants. Overall, the business cases for CCS (CO2 storage) were found to be more profitable than CCU (CO2 use) in a broad range of considered boundary conditions.
The Norwegian partners in LOUISE have collaborated very well with the partners from the other countries and a lot of knowledg
The aim is to prepare for pre-commercial demonstration of Chemical Looping Combustion (CLC) for CO2 capture from solid waste-derived fuels (waste-to-energy WtE). CLC is an innovative, highly efficient combustion process for generation of power and heat providing a concentrated stream of CO2. A net electrical efficiency above 35 % and CO2 avoidance costs below 25 €/t can be expected for CLC of waste-derived fuels, which is a significant improvement compared to first generation CO2 capture technologies. The potential impact of enabling CLC for WtE is large, especially in urban areas where WtE plants are a major source of CO2. A main advantage of the CLC concept is the separation of the heat production from the release of problematic substances. This allows for higher steam temperatures and electrical efficiency, even for more low-quality fuels, such as waste.
The LOUISE project will:
• Demonstrate CLC of solid waste-derived fuels in a realistic environment with pilot tests at 150 kWth and 1 MWth scale (TRL 6) using ilmenite as the oxygen carrier due to its known favorable properties
• Elaborate the basic design and cost estimation of a 10 MWth demonstration unit (TRL 7).
• Validate new oxygen carriers and industrial by-product; investigate the interaction of oxygen carriers with impurities in the waste-derived fuels
• Develop concepts for utilizing spent oxygen carrier from CLC in metal production processes
• Determine the environmental impact of CLC waste-to-energy plants using life-cycle assessment methodology
• Develop business cases of commercial CLC plants firing waste-derived fuels on existing sites of the industrial partners in the four participating countries (Germany, Norway, Greece, Turkey)
• Investigate the potential for CO2 delivery from CLC WtE plants for permanent storage at Northern Lights (Longship) and/or CO2 utilisation
