Mobile carbon capture with alternative absorbents

Sammanfattning

Utsläpp av växthusgaser (greenhouse gases, GHG) från transportsektorn är en av de främsta orsakerna till klimatförändringar och kräver åtgärder i närtid samt skalbara strategier för att minska utsläpp. Integrering av absorbentbaserad mobil koldioxidavskiljning (mobile carbon capture, MCC) i dieseldrivna tunga lastbilar utgör en möjlig väg för att minska utsläppen av koldioxid (CO2). Denna avhandling undersöker alternativa absorbenter för MCC i två delar. Först genomfördes en litteraturbaserad utvärdering av elva absorbentkategorier mot 13 identifierade nyckelindikatorer (key performance indicators, KPI) för både låg (90 °C) och hög (120 °C) regenereringstemperatur. Ett viktat poängsystem utvecklades för att identifiera de mest lovande kandidaterna vid respektive regenereringsvillkor, där den specifika värmeåtgången för avdrivning (specific reboiler duty, SRD, MJ/kg CO2) bedömdes som den mest kritiska indikatorn. Baserat på dessa resultat genomfördes en kompletterande fallstudie av ett stationärt, dieselmotordrivet generatoraggregat för att uppskatta om den tillgängliga spillvärmen från en sexcylindrig dieselmotor skulle vara tillräcklig för att uppnå 90 % avskiljningsgrad (CO2 capture rate, CR, %) vid både låg och hög regenereringstemperatur för de olika absorbenterna. I den andra delen utfördes processimuleringar i Aspen Plus för att jämföra prestandan hos monoetanolamin (MEA) och aminblandningen metyldietanolamin/piperazin (MDEA/PZ) under 18 stationära driftförhållanden i en representativ sexcylindrig dieselmotor. Driftförhållanden härleddes från simuleringar utförda med Vehicle Energy Consumption Calculation Tool (VECTO), det av Europeiska kommissionen framtagna fordonsmodelleringsverktyget för certifiering av bränsleförbrukning och CO2-utsläpp från tunga fordon inom EU, vilket ger representativa värden på avgasmassflöden (600–2 000 kg/hr) och koldioxidhalter (4–14 wt%) vid varierande motorvarvtal och belastning. Screeningen identifierade de tre bäst presterande absorbentkategorierna vid respektive regenereringstemperatur. Fallstudien av genset-systemet indikerade att regenerering vid låg desorptionstemperatur är mer gynnsam till följd av större tillgång på återvinningsbar spillvärme, medan högtemperaturdesorption begränsades av otillräcklig spillvärme för att uppnå 90 % avskiljningsgrad. Simuleringsresultaten visade att MEA generellt presterar bättre än MDEA/PZ över det undersökta driftområdet avseende CR och SRD. MDEA/PZ kan dock uppvisa något förbättrad prestanda i dessa avseenden vid mycket låga avgasmassflöden och CO2-koncentrationer. Vidare uppvisade MDEA/PZ i genomsnitt lägre värmeåtgång (kW) vid låga till medelhöga L/G-förhållanden. Baserat på simuleringsresultaten utvecklades ett interpoleringsverktyg i MATLAB för att uppskatta värmeåtgången (kW), avskiljningsgraden och den specifika värmeåtgången (SRD), inom de studerade stationära driftförhållandena. Arbetet avslutas med rekommendationer om lovande absorbenter för framtida MCC-utveckling, samtidigt som behovet av experimentell validering betonas för att verifiera resultaten och möjliggöra prototyper.