I Power-to-X kan CO₂ indgå som værdifuld ressource i fremstillingen af produkter som metanol og forskellige brændstoffer. Hvis der skal være god økonomi i denne produktion, kræver det dog, at CO₂ - strømmene er meget rene. Og det er en væsentlig udfordring.

Af Morten Thellefsen og Martin Østberg

I Power-to-X (P2X) dækker “X” over en lang række kemiske produkter. Vi skelner imellem produkter, der ikke indeholder carbon som hydrogen og ammoniak (NH₃), og carbon-holdige produkter som metan (CH₄), metanol (CH₃OH) og carbonhydrid-baserede brændsler (benzin, flybrændstof, diesel). De sidste kræver, at der etableres et kredsløb af carbon. Dette kredsløb vil typisk indeholde carbondioxid (CO₂) som en fødestrøm til produktion af X, der så ved forbrug gendannes til CO₂. Den anden fødestrøm til de carbon-holdige produkter er hydrogen (H₂). Det interessante ved disse carbon-holdige produkter er, at de har en høj energitæthed, og det er i høj grad relevant, da det er dyrt og besværligt at oplagre og til dels transportere store energi-mængder som hydrogen, der har lav energitæthed, fordi det er på gasform.

Produktionen af disse carbonholdige kemikalier kræver en række katalytiske processer. Fælles for katalysatorerne, der benyttes til denne omdannelse af elektrisk energi (power) til kemisk energi i X, er, at de er følsomme over for kemiske stoffer, der påvirker deres funktion (katalysator-gifte) og derved begrænser katalysatorens funktion og levetid. En katalysator til et kemisk anlæg til Power-to-X forventes at have minimum et par års levetid. H₂ vil typisk produceres ved elektrolyse af vand (H₂O) og vil være af relativ god kvalitet med hensyn til katalysatorernes følsomhed.

Anderledes forholder det sig med CO₂-strømmen til anlægget. Selv om der bruges en renset CO₂-fødestrøm med 99,9% CO₂, kan de sidste 0,1% eller endda de sidste 0,001% være meget kritiske for katalysatorerne i anlægget og være afgørende for, om processen kan forløbe. Vi vil her gennemgå en række forskellige CO₂-kilder, der kan være en mulig fødestrøm til et P2X-anlæg og redegøre for de kritiske stoffer, der kan stå i vejen for en succesfuld produktion af et carbon-holdigt produkt i anlægget.

Når vi omtaler CO₂-kilder karakteriserer vi dem i dag som bæredygtige eller ikke bæredygtige. De bæredygtige er ofte bio-baserede og kan være CO₂ fra gæring og fermentering, CO₂ fra biogas-produktion, CO₂ fra biomasseforbrænding og endelig direkte CO₂-fangst fra luften (direct air capture, DAC). Ikke bæredygtige CO₂-strømme kan være CO₂ fra cement- og metalproduktion, herunder stålværker, CO₂ fra forbrænding af fossile brændstoffer (kul, olie, naturgas), CO₂ fra kemisk produktion herunder produktion af hydrogen og ammoniak baseret på fossile fødestrømme. Forbrænding af affald vil resultere i en blanding af bæredygtig og ikke-bæredygtig CO₂ og er derfor svær at karakterisere.

I dag er det sådan, at hvis et P2Xprodukt skal anses for at være grønt (bæredygtigt) skal CO₂-kilden være bæredygtig.

CO₂ fra fermentering

En af de mulige fødestrømme, som anses for at være temmelig “ren” er CO₂ fra fermentering. Den indeholder svovlkomponenter som hydrogensulfid (H₂S), dimethylsulfid ((CH₃)₂S)) og muligvis andre i ppm-niveauer (dvs. omkring 0,0001 %). Det er lavt nok til brug af CO₂’en til fødevarer, for eksempel sodavand, men det er for højt niveau for katalysatorer. CO₂ fra fermentering vil også indeholde etanol (op til 0,01 vol %) og metanol. Og der vil være spor af andre carbonhydrider (aldehyder, etylethanoat, ketoner samt BTX (benzen, toluen, xylen). Da der tilføres luft til fermenteringen (aerob fermentering), giver dette også spor af NO_x og SO₂.

Katalysatorerne kræver, at niveauet af svovlkomponenter kommer ned på cirka 10 ppb (0,000001 %) Andre stoffer kan accepteres i ppm-niveau (0,0001%). Da denne CO₂-strøm som nævnt er ren nok for fødevareproduktion, vil den have en højere værdi end andre CO₂-strømme, der kræver rensning. Men selv med denne renhed skal der til et P2X-anlæg yderligere rensning til for at fjerne primært svovl-komponenterne.

Svovlniveauet stiger markant, hvis CO₂-kilden kommer fra en anaerob fermentering, for eksempel biogasproduktion. Biogas indeholder foruden metan cirka 35 – 45 vol%  CO₂. Her kan være op til 0,1-1,0 vol% svovlkomponenter, primært hydrogensulfid (H₂S). Det kræver, at der foretages en grovrensning, der reducerer niveauet ned til cirka 1 ppm før en finrensning fjerner resten af svovlkomponenterne ned til det ønskede niveau på under 10 ppb. Der vil også være ammoniak i gassen, men denne er ikke kritisk for katalysatorerne, da det typisk reagerer (dekomponerer) til H₂ og nitrogen (N₂) på katalysatoren, hvor H₂ er en af reaktanterne og N₂ er inert for den katalytiske proces. Carbonhydrider omsættes effektiv i fermenteringen, og niveauet af andre carbonhydrider vil være minimalt (dvs. ikke målbart).

CO₂ fra røggasser

CO₂ kan også opsamles fra røggasser fra forbrændingsprocesser. Fordelen er, at røggasser indeholder betydelig mængder CO₂, så det er lettere at opnå en høj koncentration end ved at opsamle CO₂ fra atmosfærisk luft. Røggasser vil ofte have CO₂-koncentrationer på mellem 10 og 15 vol% CO₂, og ved at tilføre beriget luft eller endda ren dioxygen (O₂) til forbrændingen kan koncentrationen øges betydeligt. Ved afbrænding i ren O₂ fås i princippet en gas kun bestående af H₂O og CO₂, hvorfra vandet kan kondenseres, og man derved kan opnå en tæt ved 100% CO₂-gasstrøm. Det er dog dyrt at producere rent O₂, og høje forbrændingstemperaturer stiller store krav til konstruktionsmaterialer af brænder og brandkammer.

Hvis det afbrændte materiale er biomasse, får man som tidligere nævnt en bæredygtig CO₂-strøm. Processerne til at opsamle/opkoncentrere CO₂’en afhænger ikke af, hvad der brændes af. Her udnytter man, at CO₂ er en sur gas, som kan opsamles af en basisk væske, oftest en amin-opløsning, eller basisk materiale som brændt eller læsket kalk (CaO / Ca(OH)₂). Typisk vaskes røggassen med den basiske væske, der fanger CO₂’en sammen med andre sure komponenter, for eksempel SO₂ og NO_x. Ved ændring af tryk (lavere) og/eller temperatur (højere) i et andet apparat kan CO₂’en frigives fra væsken, som så kan recirkuleres og opsamle nyt CO₂ fra røggassen. Den rene CO₂-strøm kan så bruges til P2X-formål eller pumpes ned i undergrunden. For faste stoffer, der danner et karbonat som kalk (CaCO₃), skal der ofte varmes en del mere op for at kalcinere (frigive CO₂) og gendanne oxidet (CaO).

Ved produktion af cement kalcineres en stor mængde CaCO₃, der udover røggassens CO₂ fra det brugte brændsel, bidrager til en røggas med et højt CO₂-indhold. Aalborg Portlands cementfabrik er derfor kendt som den største CO₂-udleder i Danmark. Røggassen er med sit høje CO2-indhold meget attraktiv at opkoncentrere. Den er dog ikke bæredygtig, heller ikke CO₂ fra kalk regnes som værende bæredygtig, da det er deponeret CO₂, der gendannes.

Kvaliteten (renheden af CO₂-strømmen) afhænger meget af, hvad der renses for i processen specielt af SO₂, NOx, CO og HCl. Der vil også være spor af metaller som kviksølv arsen og selen, som også er gifte for en katalysator. Derfor kan der være store udfordringer med at opnå den ønskede renhed til brug i en katalytisk proces af denne CO₂-strøm.
Der er også en lang række metalproducerende anlæg (stålværker m.m.), der producerer lignende CO₂-strømme, når metalmalmen skal omdannes til flydende rent metal. Denne proces kræver, at man tilfører carbon i form af koks, som under høj temperatur vil omdanne malmen til rent metal under dannelse af CO₂. Røggassen fra disse processer vil svinge i indhold af andre komponenter, som ligesom for cementanlæg kan vanskeliggøre finrensning til produktion baseret på katalytiske processer.

CO₂-fangst fra luft  

Renheden af CO₂-strømme, der laves ved at trække CO₂ ud direkte fra luft, vil faktisk afhænge af, hvor det foregår. Metoden svarer meget til, hvordan vi tager CO₂ ud af røggas, det vil sige vaske CO₂ ud af luften eller fange CO₂ på et fast stof. Vi ved, at der er forhøjet niveau af NO₂ i byer med meget biltrafik, ligeledes vil der være mere SO₂, hvis der er industri, der udleder SO₂ i nærheden. Ligeledes gælder andre kemiske stoffer, der kan vaskes med ud af luften. På grund af den meget lave CO₂-koncentration i atmosfæren, er det ret dyrt at danne CO₂-strømme på denne måde.

Endelig produceres CO₂ som et biprodukt i flere kemiske anlæg herunder produktion af hydrogen, ammoniak og etylenoxid. For de to første kan der produceres blå hydrogen og ammoniak ved at opfange CO₂-produktion fra en traditionel fødestrøm (naturgas, nafta eller andet fossilt). Denne CO₂ er helt uden svovl, da det er fjernet ved den katalytiske proces og indeholder typisk ikke kritiske stoffer for katalysatorer.

I tabellen er der lavet en opsummering af mulige CO₂-kilder til Power-to-X, der viser, at den bedste og billigste CO₂-strøm er fra kemisk produktion af hydrogen eller ammoniak, da den allerede er renset for de mest kritiske stoffer. Af de biologiske bæredygtige CO₂-strømme, er den bedste fra aerob fermentering, men denne er også populær til andre anvendelser og kan derfor være højere i pris. Den produceres også kun få steder i verden (USA og Brasilien) i tilstrækkeligt store mængder til at danne grundlag for at bygge et P2X-anlæg.

Nogle af de store CO₂-kilder, som fra cement- og stålproduktion, kræver meget rensning og medfører derfor også betydelige omkostninger at benytte i P2X-produktionen. Ligeledes vil CO₂ fra biomasseafbrænding være omfattet af høje omkostninger for opkoncentrering og oprensning. Selvom sidstnævnte er en bæredygtig CO₂-kilde, som vil være attraktiv at benytte, kan det være bedre at sende den til oplagring i undergrunden, hvis der er bedre (ikke bæredygtige) kilder til rådighed.

Ud fra kortlægning af CO₂-kilder og konkrete projekter arbejder vi på Topsoe A/S på at udvikle optimale processer til at udnytte CO₂ katalytisk til produktion af produkter som metan (naturgas), metanol, flybrændstof, benzin med mere. Håndtering (dvs. rensning) af CO₂ er en central del af disse anlæg og en vigtig faktor for at opnå en robust og økonomisk produktion. ♦