26 NR 2 APRIL 2010DOOR GIEL TER VEEN - GRONTMIJcentrales kan worden afgevangen en naarde wijze waarop een nieuwe centrale metCO2-afvang het best kan worden ontworpenen gerealiseerd. Er zijn in principe driebasistypen van energiecentrales met CO2-afvang (zie ook figuur):1 Conventionele verbranding van brandstofmet afscheiding van CO2 uit de rookgassenna verbranding (post combustion capture).Voordelen: eenvoudig, relatief goedkoop,betrouwbaar, bekende technologie.Nadelen: grote volumes gas te managen,CO2-concentraties in het proces zijn laag,er is een grote en energie-intensieve CO2-afscheidingsinstallatie nodig.2 Vergassing van de brandstof en daarnaverbranding van de gasstroom. Afschei-ding van CO2 vindt plaats direct na devergassing (pre combustion capture).Voordelen: kleine volumes synthesegas,hogere CO2-concentraties, redelijk bekendproces.Nadelen:veelkleineprocesstappen,duurder dan conventionele verbrandingmet post combustion capture.3 Verbranding van brandstof met pure zuur-stof zonder afvang van CO2 (oxyfuel).Voordelen: kleine volumes, hoge CO2-concentraties, geen scheidingstechnologienodig.Nadelen:nieuwetechniekenmoetenworden toegepast. Bij de huidige status vande techniek is energie-intensieve lucht/zuurstof-scheiding nodig, hierdoor is dezetechniekondanksdegoedeafvangconditiesniet meteen de meest effici?nte.Bij pre en post combustion capture is eenscheidingstechnologie nodig die de CO2 vande overige gassen kan scheiden. De meestHET ONTWIKKELEN EN REALISEREN VAN DUURZAMEdecentrale energieopwekking kost tijd engeld. Geld dat de samenleving zou moetenwillen betalen om deze energietransitie totstand te brengen. Om op relatief kortetermijn een brug te slaan tussen de huidigevormen van energieopwekking en de CO2-neutraleenergieopwekkingkanCCS(CarbonCapture and Storage) in de overgangsfaseeen tijdelijke en effectieve methode zijn omfossiele brandstoffen nog langer te blijvenbenutten zonder de CO2-concentratie in deatmosfeer verder te verhogen. Deze transi-tieperiode is lang genoeg om nieuwe tech-nieken te ontwikkelen en financieel econo-misch te laten renderen. De marktprijs vooruitstoot van CO2 en eventuele erkenning vande waarde van vermeden uitstoot zijn bepa-lend voor een snelle toepassing van CCS.Vaststellen van de kosten van CCS is dus eenbelangrijkissue.Hetmeetellenvandekostenvan CCS is in lijn met het meetellen van demilieubelasting van energieopwekking metfossiele brandstoffen. Kosten die op ditmoment nog nauwelijks in de prijs vanenergie zijn meegenomen.Technieken vergelekenEnergiecentrales behoren tot de grootsteuitstoters van broeikasgassen waar de mensinvloed op heeft. Wetenschappelijk en toe-gepast onderzoek richt zich dan ook opCO2-afvangtechnieken bij energiecentrales.Universiteiten en onderzoeksinstellingenonderzoeken al jaren methoden om CO2 zoeffici?nt mogelijk af te vangen. Hierbij kunje onderscheid maken tussen onderzoeknaar de wijze waarop CO2 bij bestaandebesproken technieken voor het afvangen vanCO2 zijn:1 Adsorptie: het adsorberen van CO2 aaneen vast adsorptiemiddel. Regeneratie vanhet adsorptiemiddel gebeurt door hetverlagen van de druk.2 Absorptie: het opnemen van CO2 in eenabsorptiemiddel. Het regenereren van hetabsorptiemiddel gebeurt door een tempe-ratuurverhoging.3 Cryogeenafvangen:hetCO2-rijkegaswordtgekoeld totdat het CO2 (dat een hogerkookpunt heeft dan andere gassen) con-denseert en kan worden afgescheiden.4 Membraantechnologie: CO2 scheiden opbasis van verschil in doorlaatbaarheid(permeabiliteit).Dedrijvendekrachtachterdit proces is een drukverschil.RekenmodelDecombinatievanverschillendetypenenergie-centrales,deverschillendeafvangmethodenenverschillende brandstoffen geven veel proces-routes naar CO2-afvang. Er is modelmatig eenwegenkaart van de technieken opgezet die isgekoppeld aan een groot rekenmodel. Doormiddelvanditrekenmodelkunnendeverschil-Gaat vuile steenkoolwinnen?Als CCS een begaanbare en gewenste weg is, moet kunnen worden gegaran-deerd dat het volkomen veilig kan worden toegepast voor mens en milieu.Degelijk geofysisch onderzoek moet dit aantonen. Daarnaast mag investe-ren in CCS de ontwikkeling en realisatie van echte duurzame energieopwek-king niet vertragen. Realisatie van echt duurzame energie moet de hoogsteprioriteit blijven houden.CCS ONDER DE LOEPNR 2 APRIL 2010 27lenderoutesnaarCO2-afvangmetelkaarwordenvergeleken.Hetmodelheeftalsbasisdeproces-en kostengegevens voor drie hoofdonderdelen:1 De verschillende afvangtechnieken en hunenergieverbruiken.2 De verschillende typen energiecentrales enhun kenmerken.3 De brandstoffen kolen en aardgas met hunspecifieke eigenschappen.Als hierdoor een route naar CO2-afvang wordtgetrokken, kan deze worden gekoppeld aande gegevens over kosten (zie de voetnoot).Voorbeelden van kosten zijn: investerings-kosten, brandstofkosten, de prijs van CO2-rechten en onderhoudskosten. De output vanhet model bestaat onder meer uit de totalekosten per eenheid energie en de prijs per tonafgescheiden (en vermeden) CO2.Het model is flexibel opgezet, zodat technolo-gische verbeteringen van de technieken enenergiecentrales hierin gemakkelijk kunnenwordenge?mplementeerd.Ookishetmogelijkom te simuleren wat de invoering van CO2-rechten betekent voor de verschillende CO2-afvangsituaties.Hetmeestinteressantaanhetmodel is de mogelijkheid om economischeomslagpunten tussen de verschillende tech-nieken te kunnen bepalen. Dit maakt hetmogelijk onder gegeven omstandigheden enuitgangspunten de meest kansrijke techniekte bepalen. In het model zijn als operationelekosten alleen de energetische kosten meege-nomen.Hetverbruikvanchemicali?nofanderematerialen en de personele kosten zijn nietmeegenomen in de vergelijkende berekenin-gen.Vooralsnogisaangenomendatdeinvloedopdeonderlingeresultatenlaagis.Inhetgevalvan chemicali?n is het bijvoorbeeld absoluutniet gewenst om absorbtie/adsorptiemiddeluit te stoten. Als uit voortschrijdend inzichtblijkt dat het toch noodzakelijk is om dezeinvloedenmeetenemen,dankunnendezebijtoekomstige berekeningen aan het modelworden toegevoegd.Resultaten van het modelHet model kan zoals gezegd veel data gene-reren en veel verschillende situaties metelkaar vergelijken. Hieronder worden debelangrijkste conclusies toegelicht. De meestinteressante afvangtechnieken volgens hetmodel zijn absorptie van CO2 toegepast bijpost combustion capture (dus ook als add-onvoor bestaande centrales), en het cryogeenafvangen van CO2 voor pre combustioncapture. Oxyfuel blijft met de huidige tech-niek te duur door de hoge energiekosten voorhet scheiden van zuurstof en lucht.Kolen als brandstof voor CCSVoor een goede brandstofmix (prijs/voorzie-ningszekerheid) zullen aardgas en kolen nogdecennia naast elkaar bestaan als fossielebrandstofvoorziening. Vanwege de hogereconcentratie CO2, en de grotere hoeveelheiduitgestotenCO2 ishetperkilogramCO2 goed-koperomCO2 bijkolencentralesaftescheidenen op te slaan. Als er dan besloten zou wordentot de realisatie van centrales met fossielebrandstoffenzaldekolencentralezichhetbestelenen voor toepassing van CCS.OmslagpuntenIn de grafiek op pagina 28 worden enkeleprocesroutes met elkaar vergeleken. Alsbrandstof is gekozen voor kolen met een prijsvan 110 euro per ton. Het afvangen gaat doortot 85 procent van de CO2 is afgevangen endeCO2 isdaarnagecomprimeerdtoteendrukvan 100 bar (klaar voor transport). Op dehorizontale as van de grafiek staat de markt-prijs per ton CO2. Deze kosten zijn exclusiefde kosten van transport en opslag van CO2.Er is vooralsnog aangenomen dat transporten opslag voor de diverse procesroutes gelijkis. Op de verticale as staat de prijs per nettogeproduceerde kWh elektriciteit. De kWh-prijs van de centrales zonder afvang stijgtnaarmate de CO2-prijs hoger wordt (blauween oranje lijnen). De kWh-prijs voor centralesmet CO2-afvang stijgen uiteraard veel lang-zamer. Opvallend is dat de technieken quakosten dicht bij elkaar zitten. Hierom is hetlogisch dat er nog geen winnende technieknaar voren is gekomen. Een kleine wijzigingin uitgangspunten kan op basis van kostprijsde voorkeur naar een andere techniek doenomslaan.Dekostenvanafvangenliggenrondde 26 euro per ton CO2 als het gaat om cryo-gene afvangtechniek bij een pre combustioncentrale. Als CO2-afvang bij een post com-bustion centrale wordt toegepast zal deafvangprijsop51europertonuitkomen.Doorinvoerparameters te veranderen kan degevoeligheid van de bevindingen wordengetest. Voor elke gegeven situatie komt demeest gunstige techniek naar voren.KolenGasBiomassaKolenBiomassaGas, OilWarmte en arbeidLuchtLuchtCO2afvangN2O2N2CO2CO2CO2CO2KolenGasBiomassaWarmte en arbeidVergassingstoomreforming+ CO2afvangAir/O2SteamWarmteen arbeidCO2 compressieen dehydratieO2 N2H2Lucht Luchtscheiding2.Pre combustion1.Post combustion3.OxyfuelDRIE BASISTYPENBRON:THE IPCC SPECIAL REPORT ON CARBON DIOXIDE CAPTURE AND STORAGEEnergiecentrale Sas van Gent. FOTO GRONTMIJ28 NR 2 APRIL 2010schat op basis van de gehanteerde uitgangs-punten en gegevens dat voor 26 euro per tonde CO2 bij centrales kan worden afgevangen,dit komt overeen met een meerprijs van 0,016euro per kWh exclusief kosten voor transporten opslag. Voor bestaande centrales zal 0,031euro per kWh meer moeten worden betaald.Technologische doorbraken kunnen leidentot versnelling van de ontwikkeling. Pilotpro-jecten kunnen hier zicht op geven. ntechniek zijn eenvoudiger te verbeteren nadatde installatie in bedrijf is genomen.ConclusieMet CCS kan op relatief korte termijn CO2-uitstoot worden voorkomen. We moeten welhiervoor nu een prijs willen betalen. Nietsdoen aan CO2-emissiereductie is op langeretermijn voor de samenleving een duurdereoptie. Energiecentrales stoten verreweg demeesteCO2 uit.CCSiseeneffectievemethodeom uitstoot te voorkomen richting een duur-zame samenleving, te beginnen in Europa.Duurzame initiatieven zullen worden aange-moedigd door de goede financi?le prikkels enmilieubelasting in rekening brengen hoortdaarbij. Duurzame energieopwekking kangezien de groei in het energieverbruik pas oplangere termijn het echte verschil maken inopwarming van de aarde. Hierdoor is in eentransitiefase een alternatief als CCS de moeitevan onderzoek waard. Momenteel liggen deverschillende technieken voor elektriciteits-productie met CCS dicht bij elkaar wat betreftefficiency en kosten. Het wachten is nog opde grootschalige implementatie van CCS. Ofen wanneer CCS wordt toegepast is nogonduidelijk, de CO2-prijs zal hierin een groterol spelen. Politici van Europa kunnen via deregelsvoordeemissierechtenhandelduidelijk-heid en zekerheid geven aan investeerders,zodat het economisch verantwoord wordt omCO2-afvang toe te passen. Bij het COP15 inKopenhagenisdatnietgebeurd.Eenduidelijken consistent Europees beleid zal zeker deontwikkeling versnellen. De schaarste aanCO2-rechten zal naar verwachting verdertoenemen en de CO2-marktprijs zal stijgen.Dit zou CCS ruimte bieden. Het rekenmodelPre combustion cryogeenNa analyse blijkt dat cryogene afvang in com-binatie met pre combustion capture de goed-koopste optie is volgens het model bij degebruikte gegevens. In een pre combustioncapture centrale wordt brandstof vergast metzuivere zuurstof waardoor synthesegas ont-staat. Er wordt gebruik gemaakt van zuiverezuurstof bij de vergassing om zo de volume-stromenzokleinmogelijktehouden.Hierdoorkunnen de installaties compacter en goedko-per worden gebouwd. Daarnaast worden deenergiekosten van de air separation unit gro-tendeelsgecompenseerddooreenrendements-voordeel van de centrale ten opzichte van eenpost combustion centrale. Hoewel de precombustioncapturecentralemeerinvesterin-gen met zich meebrengt dan een post com-bustion centrale, zal deze per kWh tochvoordeliger zijn doordat CO2 tegen lagerekosten kan worden afgevangen. Synthesegasheeft bij verbranding met zuivere zuurstof alsvoordeel dat de concentratie van CO2 (nadathetsynthesegasisbehandeld)hoogis.Daarbijstaat het synthesegas onder hoge druk waar-doorhettotalevolumekleinerisdanbijanderetypencentrales.Hierdoorkanwordenvolstaanmet compactere en goedkopere CO2-afvang-installaties.Eenpinchanalysewijstuitdatnogeffici?nter kan worden afgevangen als decryogene CO2-afvang wordt ge?ntegreerd inde air separation unit van de kolenvergas-singscentrale.Cryogeen afvangen heeft wel enkele nadelendie niet direct in geld zijn uit te drukken.Zuivere zuurstof en waterstof zijn beiden ergreactief, en leveren potentieel explosiegevaar.Een ander nadeel van cryogeen afvangen is deflexibiliteit.Absorptie,adsorptieenmembraan-PrijsperkWhe 0,10e 0,00e 0e 0,09e 0,08e 0,07e 0,06e 0,05e 0,04e 0,03e 0,02e 0,01e 35e 30e 25e 20e 15e 10e 5 e 40Conventionelekolencentrale metcryogene afvang (PCC)Conventionelekolencentralezonder afvangConventionele kolencentralemet afvang door absorptie(PCC)Kolenvergassing metcryogeneafvangtechniek(IGCC)Kolenvergassingscentralezonder afvangKolenvergassing met afvangdoor absorptie (IGCC)Oxyfuel centrale met afvangMarktprijs CO2/tonCO2-afvangtechnieken vergelekenAfbeelding gevoeligheid marktprijs CO2 op prijs per kWhFOTOADAMJAKUBIAKVOETNOOTTijdens het onderzoek is ernaar gestreefdom voor elke parameter de meest re?lewaarde vast te stellen. De ingevoerdegegevens zijn gebaseerd op vrijgegeveninformatie door leveranciers, vooraan-staande Nederlandse onderzoeksinstel-lingen en enkele energiebedrijven.Dit artikel is geschreven door Giel terVeen als korte weergave van zijnafstudeeronderzoek bij Grontmij.Grontmij participeert in de landelijkeonderzoeksgroep CATO (CO2 AfvangTransport en Opslag). Het afstudeeron-derzoek vond plaats in het kader van destudie werktuigbouwkunde aan deHanzehogeschool te Groningen (2009).VOETNOOTTijdens het onderzoek is ernaar gestreefd