Utfasning av fossila bränslen prövad vid Waste-to-Energy-anläggning

Danska forskare har visat att det är möjligt att avskilja större delen av koldioxiden (CO₂) i utsläppen från en avfallsförbränningsanläggning. Genom att visa att processen är genomförbar anser forskarna att de har utvecklat en viktig teknik i kampen mot klimatförändringarna. En pilotanläggning har varit i drift i Köpenhamn i flera månader, och en ny teknik för gasövervakning har gjort det möjligt att optimera anläggningens effektivitet.

Bildkredit: Hufton&Crow / ARC

Om världens ledare ska kunna uppfylla sina åtaganden om att uppnå nettonollutsläpp kommer ett av deras viktigaste mål att vara att utveckla och använda teknik för att minska koldioxidutsläppen, exempelvis CCS (avskiljning och lagring av koldioxid) samt CCUS (avskiljning, användning och lagring av koldioxid). Forskare från Danmarks Tekniska Universitet (DTU) samarbetar därför med ett mycket innovativt avfallsförbränningsverk i Köpenhamn för att utveckla en process som kan avskilja koldioxid (CO₂) från verkets utsläpp. I projektet används avancerade gasanalysatorer från Vaisala för att mäta effektiviteten i koldioxidavskiljningen och därmed CCUS-teknikens genomförbarhet.

Forskarna har utvecklat en pilotanläggning för att avskijla CO₂ från utsläppen från Amager Bakke avfallsförbränningsanläggning, som är en av de största kraftvärmeanläggningarna i norra Europa, med en kapacitet att behandla 560 000 ton avfall per år. Kraftvärmeanläggningen har utvecklats av det Köpenhamnsbaserade avfallshanteringsföretaget ARC (Amager Ressourcecenter), som ägs gemensamt av fem kommuner i Köpenhamnsområdet, och kännetecknas av en rad innovationer, däribland en konstgjord skidbacke på taket, som ingår i ett utomhusaktivitetscenter som kallas CopenHill.

Pilotanläggningen utvecklades för att avskilja CO₂ ur utsläppen från processer som avloppsrening, biogasproduktion, rötning och avfallsförbränning. Forskarna undersöker dock även på vilka sätt CO₂ kan avskiljas och användas. Före installationen vid Amager Bakke användes pilotanläggningen för koldioxidavskiljning vid ett avloppsreningsverk. ”Själva tekniken är inte ny,” förklarar Jens Jørsboe, forskare vid DTU. ”Men vårt arbete har inriktats på att sänka kostnaderna för koldioxidavskiljning, så att den kan bli ekonomiskt genomförbar.”

Rökgaserna från förbränningsugnen på Amager Bakke leds genom ett elektrostatiskt filter (ESP) för att avlägsna partiklar. NOx-föreningar avlägsnas genom selektiv katalytisk reduktion (SCR) och en skrubber avlägsnar svaveloxider. Det finns fortfarande höga halter av CO₂ i rökgasen, och huvudsyftet med pilotanläggningen för koldioxidavskiljning är att undersöka om det är möjligt att avskilja denna gas. För att uppnå detta leds gasen uppåt genom en kolonn fylld med fyllkroppar och ett lösningsmedel av typen monoetanolamin (MEA), vilket avskiljer CO₂ från gasen. Lösningsmedlet leds därefter till en desorber som frigör CO₂ – som nu är nästan rent – och regenererar MEA för återanvändning. Inom ramen för forskningsprojektet släpps den framställda CO₂ fortfarande ut i luften, men på kommersiell basis finns det många olika industriella tillämpningar där koldioxiden kan användas. Till exempel kan CO₂ reagera med vätgas i Sabatier-processen för att bilda metan (ett gasformigt bränsle) och vatten, vid förhöjd temperatur och tryck, i närvaro av en nickelkatalysator. Detta kan vara en miljövänlig metod för att tillverka bränsle om vätgasen framställs genom elektrolys med hjälp av förnybar energi – till exempel solenergi, biogas eller vindkraft.

CO₂ används även inom en rad andra branscher, bland annat livsmedels- och dryckesindustrin, kylteknik, medicin, trädgårdsodling, brandbekämpning, svetsning m.m., vilket innebär att det finns en mängd potentiella marknader om CO₂ kan framställas så att den uppnår kommersiell kvalitet och i kommersiell skala.

Övervakning av koldioxidavskiljningens effektivitet

Optimeringen av koldioxidavskiljningsprocessen kan endast uppnås om CO₂-koncentrationerna kan övervakas kontinuerligt både före och efter processen. Det var därför tur att världens första inline-mätare för CO₂, fuktighet och metan hade utvecklats av Vaisala i Finland redan innan pilotanläggningen byggdes.

Rökgaser från förbränningsanläggningar kan vara frätande och potentiellt explosiva, vilket tidigare har gjort det omöjligt att genomföra inline-övervakning. Fram till nyligen var den enda lösningen att ta prover för analys utanför processen, men denna metod är inte lämplig för processtyrning och optimering och har ett antal inneboende brister, såsom behovet av att avlägsna fukt från provledningen och kravet på frekvent omkalibrering.

Utvecklingen av Vaisalas multigasprob, MGP261, löste alla dessa övervakningsutmaningar, särskilt när den följdes av en systerprodukt, MGP262, som var anpassad för mätning av höga koncentrationer av CO₂ och därför var idealisk för kontinuerlig inline-övervakning av nästan rent CO₂ efter pilotanläggningens desorber.

I pilotanläggningen används sammanlagt tre Vaisala-prober, där MGP261 övervakar den inkommande rökgasen från förbränningsugnen och MGP262 mäter renheten hos den utvunna CO₂. Den tredje proben är Vaisalas CARBOCAP® CO₂-prob GMP251, som mäter halterna av CO₂ (efter koldioxidavskiljning) i pilotanläggningens rökgas.

Unik övervakningsteknik

Alla tre övervakningsprober bygger på CARBOCAP®-teknik och använder ett elektriskt inställbart Fabry-Pérot-interferometerfilter (FPI). Förutom att mäta målgasen möjliggör det mikromekaniska FPI-filtret en referensmätning vid en våglängd där ingen absorption sker. Vid referensmätningen justeras FPI-filtret elektriskt så att bandpassbandet växlas från en våglängd med absorption till en våglängd utan absorption Denna referensmätning kompenserar för eventuella förändringar i ljuskällans intensitet samt för föroreningar i ljusvägen, vilket innebär att sensorn är mycket stabil över tid. 

I MGP261 och MGP262 mäts fuktighet och CO₂ med samma optiska filter, medan en andra optisk kanal mäter metan. På många sätt förenar den här enheten den analytiska kapaciteten hos en laboratoriespektrometer med den enkla och robusta konstruktionen hos ett instrument för industriell processtyrning.

Jens Jørsboe kommenterar övervakningsutrustningens prestanda: ”Vi har varit mycket nöjda med multigasprobernas noggrannhet och tillförlitlighet; inte minst eftersom de har gjort det möjligt för oss att lära oss mycket om hanteringen av rökgaser från avfallsförbränning.” Man vet mycket om utsläppen från förbränning av fossila bränslen, men det finns mindre information om utsläppen från avfallsförbränning. 

Den teknik som används i Vaisalas mätprober bidrar också till att minimera driftskostnaderna, eftersom proberna kalibrerar sig själva på ett effektivt sätt, vilket innebär att underhållsbehovet är minimalt och driftstopp undviks.

Koldioxidavskiljning i Köpenhamn och globalt

Tack vare kontinuerlig inline-övervakning har forskarna kunnat optimera prestandan för koldioxidavskiljning efter en utvärdering av tolv olika pilotanläggningskonfigurationer. Efter att man hade visat att processen för koldioxidavskiljning var genomförbar var nästa steg att utvärdera de relativa fördelarna med koldioxidlagring respektive koldioxidanvändning. Jens Jørsboe säger: ”För närvarande är användningen av CO₂ det mer kostsamma alternativet på grund av kostnaderna för den nödvändiga vidareförädlingen av CO₂. Ägarna till anläggningen på Amager Bakke planerar därför att ansöka om 1,5 miljarder DKK (230 miljoner USD) för en CCS-anläggning med kapacitet att avskilja 500 000 ton CO2 per år – förutsatt att den danska staten tillhandahåller rätt regelverk och tillräcklig finansiering. Denna anläggning skulle använda samma aminskrubbningsprocess som har visat sig fungera i pilotanläggningen för koldioxidavskiljning.”

Förbränningen av 1 ton kommunalt avfall (MSW) medför utsläpp på mellan 0,7 och 1,7 ton CO₂, beroende på avfallets sammansättning. Följaktligen är energiproduktion genom avfallsförbränning mer koldioxidintensiv än förbränning av fossil gas, vilket innebär att koldioxidavskiljning erbjuder en möjlighet att hantera det växande behovet av kommunal avfallshantering utan att generera oacceptabelt höga nivåer av växthusgaser.

Med blicken riktad mot framtiden anser Jens att denna teknik skulle kunna användas vid alla avfallsförbränningsanläggningar i världen, vilket enligt de senaste uppgifterna från ecoprog motsvarar cirka 2 500 WtE-anläggningar med en förbränningskapacitet på cirka 400 miljoner ton avfall per år. 
Dessutom bör det vara möjligt att utvinna restvärme, som skulle kunna överföras till lokal industri eller till ett fjärrvärmenät. 

Sammanfattningsvis säger Jens: ”Den nyligen hållna klimatkonferensen COP26 i Glasgow lyfte fram det akuta behovet av teknik som kan bidra till att minska de globala utsläppen av växthusgaser som CO₂. Många länder har åtagit sig att uppnå nettonollmål, och vårt arbete vid avfallsförbränningsanläggningen Amager Bakke ger dem därför en möjlighet att investera i ett av de sätt på vilka detta mål kan uppnås.”