De toepassing van solventopslag bij elektriciteitscentrales met CO2 afvang in een koolstofarm elektriciteitssysteem met veel hernieuwbare bronnen
Oud-voorzitter Caro De Brouwer won dit jaar de Encon Energieprijs met haar master thesis. Deze prijs wordt jaarlijks uitgereikt door het energiestudiebureau Encon voor eindwerken die kaderen rond energiebesparing of hernieuwbare energietechnieken. In de thesis onderzocht Caro de toepassing van solventopslag bij elektriciteitscentrales met koolstofafvang (CCS). Deze techniek zorgt voor meer flexibiliteit bij een klassieke centrale, wat voordelig is wanneer er veel hernieuwbare energie is.
Achtergrond
De uitstoot van broeikasgassen is een van de belangrijkste oorzaken voor de opwarming van de aarde. Een groot deel hiervan, ongeveer zestig procent, komt vrij als CO2 bij de verbranding van fossiele brandstoffen voor elektriciteitsopwekking. De overgang naar hernieuwbare bronnen van elektriciteit is een belangrijke stap naar minder CO2-uitstoot. Hoewel er reeds veel vooruitgang geboekt is op vlak van hernieuwbare technologieën, zullen fossiele brandstoffen toch niet snel verdwijnen uit de energiesector. Koolstofafvang is een technologie die het mogelijk maakt om CO2 uit uitlaatgassen te verwijderen en zo klassieke centrales CO2-armer te maken.
Koolstofafvang, ofwel CCS – Carbon Capture and Storage – kan opgedeeld worden in 3 types technologieën: post-combustion, pre-combustion en oxy-fuel combustion. Elk van deze technologieën verwijdert de CO2 uit het proces in verschillende fases. Hoewel al de verschillende afvangprocessen goed gekend zijn, heeft post-combustion toch een streepje voor. Deze technologie is het eenvoudigst om toe te passen op een bestaande centrale omdat de koolstofafvang beschouwd kan worden als een extra zuiveringsstap van de uitlaat. De uitlaatgassen worden overspoeld met een solvent waarin de CO2 oplost. Er zijn bijgevolg geen kritische aanpassingen nodig aan de centrale zelf. Het grootste nadeel van al deze technologieën is dat ze duur zijn in zowel het operationele aspect als de investering. Een centrale met CCS zorgt voor maar tien procent van haar oorspronkelijke CO2 uitstoot, maar het rendement wordt wel met een kwart gereduceerd.
Om de zuivere CO2 en het solvent terug te scheiden is een aanzienlijke hoeveelheid warmte nodig. Nadien moet de afgevangen CO2 ook gecomprimeerd worden voor transport. Hierdoor daalt zowel het rendement als het maximaal vermogen van de centrale drastisch. Aangezien het overspoelen van de uitlaatgassen met het solvent en de recuperatie van het solvent door toevoeging van warmte twee aparte processen zijn, hoeven deze niet simultaan te gebeuren. De energie-intensieve stap kan uitgesteld worden door tijdelijk het koolstofrijke solvent in een opslagtank op te slaan.
De koolstofafvangtechnologie sluit in het geval van post-combustion op de uitlaat van de klassieke thermische centrale aan. Het solvent kan tijdelijk opgeslagen worden voordat CO2 met warmte onttrokken wordt in de stripper.
Een systeembenadering
De aard van post-combustion CCS laat toe om het rendementsverlies uit te stellen over de tijd. Wanneer er veel hernieuwbare bronnen in een systeem zijn, zullen de bestaande fossiele generatoren flexibel moeten opereren. Daarom is het nuttig om te kijken hoe een centrale met koolstofafvang en solventopslag zich gedraagt in een elektriciteitssysteem met een toenemend aantal hernieuwbare bronnen.
De meerwaarde van flexibele koolstofafvang kan gedefinieerd worden als het relatieve verschil in systeemkosten van een systeem met en zonder solventopslag. Hiertoe wordt in het tweede geval de optie solventopslag uitgeschakeld voor de kolencentrales met CCS. Het grootste voordeel van deze aanpak is de kostenminimalisatie op systeemniveau eerder dan op het niveau van een enkele centrale.
Algemene trends
Een eerste waarneming is een duidelijk lagere systeemkost wanneer kolencentrales met CCS flexibel geëxploiteerd worden. De oorzaak hiervan is voornamelijk dat de flexibele, en duurdere gaseenheden minder draaiuren tellen. Bovendien is er ook een daling in opstartkosten voor alle flexibele eenheden, nl. gascentrales en diesel generatoren.
Ten tweede wordt waargenomen dat met een toenemende productie van wind- en zonne-energie, het relatieve voordeel van solventopslag ook toeneemt. De oorzaak hiervan ligt in het feit dat een groter aandeel hernieuwbare bronnen ook een grotere hoeveelheid flexibiliteit vereist van de centrales die de residuele energievraag moeten leveren. Voor centrales met koolstofafvang is zowel de brandstofkost (kool versus gas) als de emissiekost laag.
Als derde trend kan geobserveerd worden dat windenergie een betere synergie heeft met dit flexibel systeem dan zonne-energie. Dit is te wijten aan de meer extreme variaties in energie-output. Windenergie heeft immers een meer continue verdeling van vermogen.
Solventopslag verlaagt duidelijk de totale systeemkost in een systeem met fluctuerende hernieuwbare energie. In het geval van toenemende penetratie van wind is het effect nog meer uitgesproken.
Sensitiviteit van de parameters
De koolstofprijs heeft een belangrijke invloed op de prestaties van solventopslag. De systeemkost neemt in de eerste plaats toe met de koolstofprijs ten gevolge van hogere emissiekosten voor alle generatoren. Het relatieve voordeel van de flexibiliteit ten gevolge van solventopslag neemt echter af met toenemende koolstofprijzen. Dit, hoewel contra-intuïtief, is te verklaren door het merit order effect. De flexibele, en zuinigere, gascentrales worden op dat moment goedkoper dan kolencentrales waardoor er inherent meer flexibiliteit in het systeem is.
De hoeveelheid nominaal vermogen dat uitgerust is met CCS en solventopslag heeft een positief effect op het voordeel van solventopslag. Dit betekent immers dat er meer flexibiliteit in het systeem beschikbaar wordt.
Ten slotte is er ook een interessante correlatie met de eigenschappen van de hernieuwbare bron. Het relatieve voordeel van solventopslag blijkt meestal groter te zijn wanneer de variatie in hernieuwbare energie gelijk is aan het flexibele bereik van de centrale met solventopslag. Op dat moment kan de centrale optimaal benut worden om variaties in hernieuwbare energie op te vangen. Deze vaststelling bevestigt ook de stelling dat er een betere synergie is met wind- dan met zonne-energie.
Conclusie
Een analyse van de operationele systeemkosten wijst uit dat het toevoegen van solventopslag bij koolstofafvang een toegevoegde waarde heeft. De investeringskosten van koolstofafvang en solventopslag zijn echter buiten beschouwing gelaten omdat deze tot op heden nog niet volledig gekend zijn. In de toekomst kunnen de modellen die ontwikkeld zijn voor dit onderzoek verder uitgewerkt worden met dynamisch gedrag, investeringsmodellen of netwerk-ondersteunende diensten.