Lovende ny metode for produksjon av karbonfri gasskraft

Denne artikkelen beskriver en lovende ny metode for produksjon av elektrisitet fra fossiler, med mulighet for direkte injeksjon av eksosgassen (CO2) i bakken.

En modifisert utgave av artikkelen ble publisert i nettutgaven av Teknisk Ukeblad 23.3.2020 (Se link nedenfor).

  • EU-kommisjonens planer om å fase ut fossil gass iløpet av de nærmeste ti-årene er dårlig nytt for norsk gasseksport
  • Men ny teknologi (Allam kraftsyklusen), hvor tilnærmet ren CO2 kommer ut som biprodukt, kan åpne mulighet for å produsere karbonfri gassbasert strøm i Norge
  • Et stort kraftverk (1000 MW), vil kunne avgi ca 2,6 millioner tonn CO2 pr. år, som alene  vil forsvare realisering av et undergrunns deponi for CO2 i Nordsjøen.  

Allam kraftsyklusen

Dette er en kraftprosess hvor et fossilt brensel (som naturgass), blir forbrent med oksygen, i stedet for luft, og hvor arbeidsmediet stort sett består av CO2.

Prosessen som har fått navn etter oppfinneren, Rodney John Allam (engelsk kjemiingeniør),  er en kombinasjon av en delvis åpen Brayton syklus og Oxy-fuel (oksygen-forbrenning).

Fig. 1 nedenfor, viser en forenklet skisse av Allam-syklusen.

pastedGraphic.pngFig.1: The Allam Cycle of Net Power’s new zero-emission natural gas plant. Kilde: NET Power

En nylig publisert eksergianalyse, utført ved  Lamar University, Beaumont, USA, oppgir at total termisk virkningsgrad for hele anlegget vil kunne bli minst like god, eller bedre, enn et konvensjonelt gasskraftverk, dvs. nær 60 %.  

Hemmeligheten er sirkulasjon av CO2 i superkritisk tilstand (se fig.2), som gir langt lavere energitap, sammenliknet med luft/vanndamp-baserte kraftsykluser.

Overskuddet av CO2 i prosessen kommer ut som ferdig produkt, som kan transporteres i rør til et undergrunns deponi, eventuelt benyttes til EOR (Enhanced Oil Recovery).

pastedGraphic_1.png

Fig. 2: Fasediagram for CO2 og det superkritiske området

Kilde: https://www.powermag.com/what-are-supercritical-co2-power-cycles/

Netto energiutbytte for denne syklusen blir vesentlig bedre enn for konvensjonell gasskraft med CCS (Carbon Capture and Storage), hvor termisk virkningsgrad blir redusert med 10 prosentpoeng eller mer, ved inkludering av CO2-fangst og lagring.

Viktig å ta med er også at ved konvensjonell gasskraft med (tenkt) CCS, vil kun 90 % av CO2innholdet  i avgassen bli fanget, mens Allam-syklusen har null utslipp til luft, både av  CO2 og NOx.

Fra teori til praksis
Det amerikanske teknologiselskapet NET Power har satt opp et 50 MW demonstrasjonsanlegg i La Porte, Texas (se fig. 3 nedenfor), hvor Allam syklusen blir testet.
Den praktiske teknologiutviklingen har bydd på en rekke utfordringer, særlig knyttet til brennkammeret (combustor) og kraftturbinen, som begge opereres ved superkritisk trykk og temperatur.
Ifølge det som er rapportert, har resultatene fra demo-anlegget vært så lovende, at arbeid allerede er satt igang for å bygge et 300 MW kommersielt anlegg, med planlagt oppstart i 2022. 
  
pastedGraphic_2.png

Fig.3: NET Power’s 50 MW Demonstration Plant in La Porte, Texas (PRNewsfoto/NET Power, LLC)

Potensielt stor mulighet for Norge
Satsing på gasskraft i Norge har hittil vært en fiasko, på grunn av kravet om CO2-rensing. Selv om det er brukt milliarder av kroner på utvikling og testing av teknologi for CO2-fangst, er konklusjonen at rensing av avgass fra konvensjonell gasskraft blir for dyrt og medfører i tillegg et stort energitap, når den termiske virkningsgraden reduseres fra rundt 58 % (ref. det tidligere gasskraftverket på Kårstø), til maks. 47 – 48 %.

Dersom Allam kraftsyklusen leverer resultater som forventet, også i kommersiell drift, åpner det en mulighet for å bygge tilsvarende kraftverk i Norge. Eksport av jevn karbonfri kvalitets-strøm, som Europa trenger stadig mer av, blir derved et alternativ til gasseksport via rørledninger.

Et stort kraftverk av denne typen, f. eks. 1000 MW og 8000 driftstimer/år (dvs. årsproduksjon 8 TWh), vil avgi ca 2,6 millioner tonn CO2 pr. år, som er mer enn nok til å forsvare realisering av et undergrunns deponi for CO2 i Nordsjøen.
Kollsnes er allerde blinket ut som oppsamlingssted for CO2 fra mulige CCS-prosjekt i Norge og det er derfor naturlig å tenke seg at et kraftverk av Allam-typen blir lokalisert på samme sted, med kort avstand både til gassuttak og deponi for CO2.     

EU er på blindspor 

I EUs nye klimaplan The Europeian Green Deal, er det lagt til grunn at naturgass skal fases ut, til fordel for biogass og hydrogen fra dekarbonisert naturgass og elektrolyse av vann.

Implisitt følger at dagens gassdistribusjon til hus og hjem skal opprettholdes, men det røper alvorlig mangel på elementær kunnskap om energi blant EUs energibyråkrater, når det i klimaplanen også står at energieffektivitet må bli prioritert.  

Det er nemlig en inngrodd forestilling, at gass til alminnelig forbruk (mest oppvarming), gir best utnyttelse av gassens energi. Realiteten er stikk motsatt.

En annen sak er at innfasing av hydrogen i gassdistribusjonen, representerer et alvorlig sikkerhetsproblem, som neppe er godt nok utredet. Slik sett er dekarbonisering av naturgass et tvilsomt alternativ, som både er dyrt, er avhengig av CCS og gir svært lav energiutnyttelse.


Dårlig nytt for norsk gasseksport

Selv om det både ut fra ressurs -og miljøhensyn er riktig å fase ut alminnelig gassdistribusjon i Europa, så er det dårlig nytt for norsk gasseksport, ettersom rundt regnet halvparten går til vanlig oppvarming.

Utfordringen på sikt for norske gasseksportører, blir blant annet å oppnå større markedsandel innenfor kraftsektoren.
På noe lengre sikt kan kanskje eksport av karbonfri norsk gasskraft bli et alternativ, fordi det som EU vil trenge aller mest av i fremtiden, er økt tilgang på jevn kvalitetsstrøm.      

Epilog

Den tidligere legendariske professor i termodynamikk, Gustav Lorentzen, ved (den gang) NTH, holdt på slutten av 1980-tallet et foredrag om norsk gass på en konferanse, under tittelen: «Gas energy transport and distribution – Pipeline or wire?».
Hans hovedkonklusjon var at konvertering av gassens energi til elektrisk strøm, så nær kilden som mulig og eksport via stamnettet, var å foretrekke.
Begrunnelsen var primært ut fra hensynet til best mulig utnyttelse av gassens energi. Den gang var nemlig CO2-utslipp fra gasskraft ikke noe tema.

Kanskje Lorentzens konklusjon skal bli en realitet?  

SENIORTANKEN
Kjell Traa
Torvald Sande
Ivar Sætre

Link til artikkel i Teknisk Ukeblad

https://www.tu.no/artikler/lovende-ny-metode-for-produksjon-av-karbonfri-gasskraft/487238?key=SSkNzzEG