02 okt Ontwikkeling van infrastructuur voor koolstofafvang, gebruik en opslag
Emerson Coriolis massa flowmeters hebben een unieke certificering voor het meten van koolstofdioxide, waardoor het bij uitstek de oplossing is voor een breed scala aan toepassingen.
Als energiedrager is waterstof een van de belangrijkste sleutels tot een toekomst zonder netto-uitstoot. Helaas kan die sleutel voorlopig nog niet alle deuren openen, vooral omdat veel industrieën op zoek zijn naar alternatieven voor bestaande energiebronnen met een lagere koolstofuitstoot. Een potentiële katalysator voor netto-uitstootvrije energie is het afvangen, gebruiken en opslaan van koolstof, ook wel Carbon Capture, Utilization and Storage (CCUS) genoemd. Technieken hiervoor kunnen door diverse industrieën gebruikt worden om de uitstoot van koolstofdioxide aanzienlijk te verminderen.
De CCUS-industrie is divers en bevindt zich in de fase van commercialisatie en opschaling met verschillende oplossingen en toepassingen, elk met unieke eigenschappen en condities.
Globaal kunnen koolstofafvangtechnieken worden onderverdeeld in opvang na verbranding, opvang voor verbranding, directe luchtopvang en biologische opvang.[Bron] Al deze technieken, met uitzondering van biologische opvang, vereisen meting van zowel hoeveelheid als kwaliteit van koolstofdioxide voor naleving van regelgeving, optimalisatie van procesefficiëntie en verbeterde veiligheid. De verwachting is dat in de komende jaren het algemene belang van CCUS industriebreed snel zal groeien (Figuur 1).
Figuur 1: Verwachting voor de groei van CCUS de komende decennia (met dank aan het Internationaal Energieagentschap).
Decennialang wordt koolstofdioxide op grote schaal gebruikt in industrieën zoals olie en gas (voor verbeterde oliewinning), voedsel en drank (voor koolzuurvorming en conservering), productie (voor lassen en chemische productie), landbouw (verrijking van kassen) en brandpreventie. In de meeste van deze toepassingen werden koolstofdioxide-emissies slechts als bijproduct gezien in plaats van een significant milieuprobleem. Vergeleken met deze bestaande industriële toepassingen brengt de CCUS-industrie nieuwe uitdagingen en een hoger niveau van complexiteit met zich mee.[Bron]
Het idee om koolstofdioxide af te vangen en op te slaan als een strategie voor klimaatverandering werd recentelijk prominenter toen de focus verschoof naar het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen die bijdragen aan de opwarming van de aarde.
Wanneer men de value chain van koolstofdioxide onderzoekt, is er een duidelijke behoefte aan vervoer, gebruik en opslag van koolstofdioxide. Net als in veel andere industrieën moet de hoeveelheid koolstofdioxide die tussen partijen wordt overgedragen worden bijgehouden, vaak met toepassingen voor eigendomsoverdracht. Dit artikel zal verschillende toepassingen binnen deze value chain verkennen en laten zien hoe koolstofdioxide op kritieke punten kan worden gemeten om de operaties te verbeteren.
Ccus overzicht
Figuur 2:Koolstofdioxide moet op verschillende punten binnen de value chain gemeten worden.
Een voorbeeld van de CCUS value chain is te zien in Figuur 2. Het proces van het afvangen van koolstofdioxide varieert aanzienlijk, afhankelijk van het specifieke industriële proces en de volwassenheid van de gebruikte technologie. Transport bijvoorbeeld, hangt sterk af van de benodigde transportafstand en beschikbare infrastructuur. [Bron] Pijpleidingen zijn vanuit operationeel oogpunt de meest kosteneffectieve transportmethode en zijn vaak verbonden met meerdere punten van koolstofdioxide aanvoer en eigendomsoverdracht, waardoor er behoefte aan harmonisatie ontstaat.
De gebruiks- en opslag koppelingen van de CCUS-waardeketen zullen afhankelijk van locatie en mogelijkheden variëren. Verzamelde koolstofdioxide kan bijvoorbeeld worden gebruikt om koolstofneutrale of koolstofnegatieve brandstoffen, chemicaliën en bouwmaterialen te maken.[Bron]
Koolstofdioxide kan tevens op verschillende manieren worden opgeslagen, waaronder: minerale opslag en diepe geologische opslag, zoute waterlagen en meer.[Bron] De wereldwijde noodzaak om koolstofdioxide-emissies te verminderen vereist meting en analyse van koolstofdioxide, waarbij flowmeters de belangrijkste instrumenten zijn voor de hoeveelheidsmetingen en de juiste technologiekeuze is cruciaal voor succesvolle rapportage en verantwoording. Dit kan uitdagend zijn vanwege de unieke fysieke eigenschappen van koolstofdioxide. Voor CO2 geldt namelijk dat alle drie de toestanden — gas, vloeistof en superkritisch — kunnen voorkomen bij typische industriële bedrijfstemperaturen variërend van -40 tot +50 graden Celsius en bedrijfsdrukken variërend van 50 bar tot 100 bar. Dit verschilt aanzienlijk met bijvoobeeld waterstof en methaan, die bij significant lagere temperaturen, variërend van -160 tot -255 graden Celsius, van de gasfase naar de vloeistoffase overgaan. Figuur 3 is een grafische weergave hiervan. Deze eigenschap van koolstofdioxide biedt zowel kansen als uitdagingen voor CCUS. Koolstofdioxide kan relatief gemakkelijk vloeibaar worden gemaakt — gunstig voor transport en enkele andere toepassingsen — maar faseveranderingen bij relatief lage temperaturen en drukken kunnen flow metingen tevens bemoeilijken, aangezien de dichtheid van koolstofdioxide afhankelijk is van de procesomstandigheden.
Figuur 3: Fasediagrammen van verschillende gassen met de aanzienlijke verschillen in faseverandering bij verschillende temperaturen.
Meetcomplexiteit
De diverse CCUS-technieken en de noodzaak tot opschalen creëren meetcomplexiteit. Hoewel er situaties zullen zijn waarin een bepaald bedrijf alle elementen van een CCUS-keten onder hetzelfde dak heeft, is het waarschijnlijker dat meerdere partijen bij de keten betrokken zijn. Sommige overdrachten kunnen daadwerkelijke veranderingen van eigendom zijn, maar anderen kunnen bijvoorbeeld dienstverlening voor transport zijn. Dit komt vaak voor bij grootschalige pijpleidingen en distributiesystemen, vergelijkbaar met hoe hydrocarbons worden verhandeld. Systemen voor de uitwisseling van aardgas en andere producten zijn goed ingeburgerd en worden al jaren geëxploiteerd, maar dat was niet altijd het geval. De praktijken van eigendomsoverdracht zijn in de loop der jaren geëvolueerd, gedreven door de complexiteit van distributie en technologische verbeteringen. De gemeenschappelijke deler van alle transacties met eigendomsoverdracht is het gebruik van de juiste meettechnologie, gecertificeerd door externe instanties in overeenstemming met geaccepteerde normen. Dergelijke certificaten bewijzen aan beide partijen van een transactie dat de cijfers nauwkeurig zijn, waardoor de kans op een geschil wordt verminderd. Voor transacties tussen twee partijen is de nauwkeurige meting van de hoeveelheid koolstofdioxidemoleculen (hoeveelheid) cruciaal voor dagelijkse activiteiten. De beste methode hiervoor is het betrouwbaar meten, door de juiste technologie te kiezen en gecertificeerde instrumenten te gebruiken. In de afgelopen jaren is er door verschillende auteurs een theoretische beoordeling van de verschillende flowmeter-technologieën uitgevoerd, en zijn er uitgebreide overzichten gepubliceerd.[Bron] Om deze theoretische concepten te bewijzen, zijn er onlangs tests uitgevoerd voor meters die de flow van koolstofdioxide meten. Tot nu toe hebben twee locaties op grote schaal kalibraties uitgevoerd met verschillende flowmeters: DNV Energy Systems Fuel and Flow Advisory group, Groningen, Nederland en FortisBC Measurement, Penticton, BC, Canada.
De testomstandigheden bij DNV simuleerden pijplijntransport, kenmerkend voor middel/lage druk transacties via schepen en dampretour tijdens het laden van schepen. Dit soort uitgebreide tests bieden alle partijen in de industrie vertrouwen in de betrouwbaarheid van de metingen voor geteste technologieën en meters van verschillende fabrikanten; Sonic nozzles, turbineflowmeters (TM), Coriolis-flowmeters (CMF), ultrasone meters (USM), vortexmeters en enkele andere technologieën zijn getest tegen een nauwkeurig en uniek referentiesysteem.
Betrouwbare meting van de massaflow van koolstofdioxide
Bij CCUS-toepassingen is het referentiekader vaak tonnen geproduceerde koolstofdioxide, omdat deze parameter direct het aantal moleculen vertegenwoordigt dat uit de atmosfeer is verwijderd danwel niet in de atmosfeer terechtkomt. Bovendien is veel van de vereiste rapportage voor CCUS in massa in plaats van volumetrisch, dat wil zeggen naar gewicht in plaats van naar volume. Dit leidt ertoe dat de industriestandaard binnen de CCUS-waardeketen de massaflow van koolstofdioxide wordt.
Een toonaangevende technologie voor het meten van massaflow is de flowmeter gebaseerd op het Coriolis- principe. Dit type meters biedt een directe en intrinsieke massaflow meting, met aanvullend diverse diagnostische mogelijkheden om veranderingen in het proces nauw- Actueel Figuur 3: keuriger te beoordelen en de integriteit van de meter te controleren. Het bovengenoemde onderzoek door DNV, samen met theoretische beoordelingen, heeft aangetoond dat Coriolis-flowmeters betrouwbare massaflow metingen van koolstofdioxide kunnen uitvoeren voor een breed bereik van omstandigheden. Deze bevindingen positioneren deze technologie als de toonaangevende oplossing voor CCUS-meettoepassingen. De DNV-testresultaten dekken een overgroot deel van mogelijke toepassingen voor gasvormige koolstofdioxide. De testresultaten ondersteunen de conclusie dat Coriolis-flowmeters presteren volgens een zeer strikte specificatie van ±0,25% voor gasmetingen. Vergelijkbare resultaten werden aangetoond door metingen uitgevoerd met vloeibare en superkritische koolstofdioxidecondities.[Bron] De resultaten van DNV-tests sluiten aan bij de conclusies van de FortisBC-tests. De gecombineerde resultaten van deze twee tests hebben de certificering van Emerson’s Coriolis massaflowmeters mogelijk gemaakt voor de fiscale transacties van koolstofdioxide onder wisselende proces condities.
Zoals de conclusie van het DNV-onderzoek samenvat: “Emerson Elite™ Coriolis-flowmeters zijn OIML R137 gecertificeerd voor de meting van gassen, waaronder koolstofdioxide, met nauwkeurigheidsklasse 1.0. De prestaties van de Coriolis-flowmeters in dit JIP [Joint Industry Project] illustreren verder de capaciteiten van de Emerson Coriolis-flowmeter om nauwkeurig massa flow te meten, zelfs onder uitdagende bedrijfsomstandigheden. Bovendien tonen de resultaten aan dat de metingen ongevoelig zijn voor de diverse onzuiverheden in de koolstofdioxidemeting.”
Emerson Micro Motion ™ ELITE™ flowmeters (figuur 4) zijn de enige Coriolis massaflow meters die zijn gecertificeerd door DNV en volgens OIML R137 en MID. Ze kunnen worden ingezet voor de kritieke processen van het afvangen, transporteren en opslaan van koolstofdioxide en dragen hierdoor bij aan het opbouwen van een betrouwbare infrastructuur. Overleg met experts van Emerson kan partijen die actief zijn binnen de CCUS-waardeketen helpen om uit het scala van beschikbare producten de juiste flow meter voor hun toepassing te kiezen.
Figuur 4: De Micro Motion™ ELITE™ Coriolis-flowmeters van Emerson zijn gecertificeerd voor het meten van koolstofdioxide.