Investigation of chemical looping combustion in fluidized beds as bioenergy carbon capture and storage technology

Abstract

Chemical Looping Combustion (CLC) erweist sich als potenziell effiziente und kostengünstige Technologie, die dazu in der Lage ist, durch die Verbrennung von Biomasse die Konzentrationen von atmosphärischem CO2 zu reduzieren und gleichzeitig Energie zu erzeugen. Dabei fungiert ein Metalloxid, als Sauerstoffträger (OC) bezeichnet, in einer Zweibettwirbelschicht, um durch stickstofffreie Verbrennung sauberes CO2 zu produzieren. In der Forschung werden typischerweise zwei Hauptwege – natürliche Erze oder synthetische Materialien – untersucht, um spezifische Kriterien für die Umwandlung fester Brennstoffe zu erfüllen. Spezielle synthetisierte OC mit hohen Kosten weisen eine höhere Reaktivität im Vergleich zu wirtschaftlicheren natürlichen Erzen auf. Die Wahl des OC impliziert auch Anpassungen im Reaktordesign und in der nachgelagerten Aufbereitung, um CO2-Reinheiten zu erreichen, die für Speicheranwendungen geeignet sind.In dieser Arbeit wurden beide Routen der Verwendung von OC eingehend hinsichtlich ihres Gesamtpotenzials zur Beschleunigung der Entwicklung der CLC-Technologie untersucht. Zunächst wurde eine Screening-Methode entwickelt, um neue OC schneller in einer speziell zu diesem Zweck entwickelten Laboranlage zu charakterisieren und zu bewerten. Ausgewählte OC mit hohem Potenzial wurden in Experimenten mit einer 80 kWth Pilotanlage verwendet, um den Einfluss von OC-Eigenschaften, Betriebsbedingungen und verschiedenen Brennstoffen auf die Kohlenstoffabscheidungsrate und die CO2-Reinheit zu untersuchen. Dabei wurde die höchste Gesamtleistung mit einer Mischung aus Kalkstein und Ilmenit als natürlichem Erz sowie dem synthetischen Material MIC (Mangan, Eisen, Kupfer) mit Kohlenstoffabscheideraten von über 98% erzielt.Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wurden zwei Hochskalierungsdesigns für eine 100 MWth Biomasse-CLC-Anlage erarbeitet, um einen techno-ökonomischen Vergleich der beiden OC-Wege durchzuführen. Die techno-ökonomische Bewertung ergab CO2-Abscheidekosten von 75 €/tCO2 bzw. 40 €/tCO2 für die synthetischen und natürlichen Metalloxide. Ein Vergleich mit modernsten Technologien zeigt die Machbarkeit beider Wege auf und deutet darauf hin, dass die Implementierung der CLC-Technologie zu einer Reduzierung der CO2-Abscheidekosten führen könnte. Unter Berücksichtigung der in dieser Arbeit entwickelten Aspekte, der geringfügigen Unsicherheiten in Bezug auf Leistung und Gasreinigung, der kombinierten internationalen Forschungsanstrengungen auf diesem Gebiet und der unmittelbaren Bedrohung durch den Klimawandel gibt es derzeit keinen Grund, den nächsten Skalierungsschritt der CLC-Technologie weiter zu verzögern. Dies könnte dazu beitragen, die verbleibenden offenen Fragen schneller zu klären. Es ist wichtig, die Sichtbarkeit der Technologie zu verbessern und in einen Dialog mit Industrie und Politik einzutreten, um die Botschaft zu vermitteln, dass CLC eine entscheidende Komponente im Kampf gegen den Klimawandel ist.

Chemical looping combustion (CLC) is a potential, efficient, and cost-effective technology capable of reducing atmospheric CO2 concentrations via biomass combustion while co-producing energy. In this process, a metal oxide, called oxygen carrier (OC), transports oxygen in a dual fluidized bed to enable the production of clean CO2 through nitrogen-free combustion. In research, two main routes – natural ores or synthetic materials – are typically investigated to meet the specific criteria for solid fuel conversion. Special synthetic OC with high costs exhibit higher reactivity than more economical natural ores. The choice of OC also implies reactor design and downstream treatment adaptions to reach CO2 purities, enabling storage applications. In this thesis, the two routes of OC were investigated in terms of their overall potential to accelerate the development of CLC technology. In the first step, a screening method was designed to characterize and assess new OC faster in a laboratory unit explicitly developed. Selecting the OC with high potential, 80 kWth pilot plant experiments were conducted to investigate the influence of OC properties, operation conditions and different fuels on carbon capture rate and CO2 purity. Reaching the highest overall performance with a mixture of limestone to ilmenite as natural ore and the synthetic material MIC (manganese, iron, copper) with carbon capture rates higher than 98%. Based on the experimental results, two scale-up designs of a 100 MWth biomass CLC plant were proposed to conduct a techno-economic comparison of the two OC routes. The techno-economic assessment yielded CO2 capture costs of 75 €/tCO2 and 40 €/tCO2 for the synthetic and natural ore routes, respectively. Comparative analysis with state-of-the-art technologies demonstrates the viability of both routes, indicating that implementing CLC technology could reduce CO2 capture costs. Taking into account the aspects developed in this work, the only minor uncertainties regarding performance and gas cleaning, the combined international research effort in this field and the immediate threat of climate change, there is no reason to delay further the next scaling step of the CLC technology, which could speed up the clarification of the remaining open questions. In this way, it is essential to improve the visibility of the technology and enter into dialogue with industry and politics, sending the message that CLC is a crucial component in the fight against climate change.