Seminar NTVA Teknologiforum 2012 Naturgass og norsk industri Trondheim 6. september Are Korneliussen 1, Richard Bialecki 2 og Ingar Walder 3

Transkript

1 Seminar NTVA Teknologiforum 2012 Naturgass og norsk industri Trondheim 6. september 2012 Foredrag (30 min.) Binding av CO 2 i mineralogisk materiale: muligheter for CO 2 -basert industriell utvikling i kombinasjon med lokale og regionale mineralske råstoff Are Korneliussen 1, Richard Bialecki 2 og Ingar Walder 3 1 Norges geologiske undersøkelse (NGU) 2 Konsulent, London 3 Kjeøy Research & Education Center (KREC) ngu.no tlf , mob Foredraget er utarbeidet i samråd med Dr. Ingar Walder (Kjeøy Research & Education Center ( og Dr. Richard Bialecki (konsulent, London). Alt i alt har vi hatt en rekke foredrag om dette og beslektede tema i løpet av de seneste årene, noen ganger koordinert og andre ganger uavhengig av hverandre.

2 Hvordan møte framtidig nedgang i petroleumsproduksjonen? VERDIskaping (relativ) PROSESS industri GRUVEDRIFT VISJON 100 Olje og Gass Muligheter for økning i gruvebasert produksjon men kan neppe kompensere for framtidig nedgang i petroleum i særlig grad (er i dag 1/50 av petroleum) Muligheter for økning i prosessindustri men trenden er å bygge ny industri i utlandet heller enn i Norge; har ikke lenger vannkraft som konkurransefortrinn for ny utvikling; er ca. 1/5 av petroleum GASS + PROSESSINDUSTRI + GRUVEDRIFT ENESTÅENDE MULIGHETER TEMA FOR DETTE FOREDRAGET

3 VISJON CO 2 (problemavfall) CO 2 (ressurs) INDUSTRIELL BRUK AV CO 2 KAN GI UNIKE MULIGHETER FOR VERDISKAPING Gass, kull CO 2 VERDI skaping Prosess industri GRUVE- DRIFT Mineraler Verdifulle PRODUKTER AVFALL for deponering CO 2 Industriell utvikling basert på CO 2 VERDI skaping Prosess industri GRUVE- DRIFT Mineraler Verdifulle PRODUKTER CO 2 -holdig mineralogisk AVFALL for deponering DEPONI På land eller sjøbunn

4 CO 2 -HÅNDTERING MÅ BLI ØKONOMISK ATTRAKTIVT krever integrasjon med produksjon av verdifulle mineralske produkt INNTEKTER Indikativ sammenligning CO 2 - DEPONERING ALTERNATIVER Mineral alternativet INNTEKTER av salg av mineralske produkter Atmosfære alternativet Reservoar alternativet Mineral alternativet FORTJENESTE UTGIFTER CO 2 -avgift Miljøpolitisk problematisk Svært kostbart mht landbasert industri Er trolig teknisk realiserbar UTGIFTER til råvarer, prosessering, deponering Er enda ikke teknisk realiserbar, jfr. dette foredraget

5 H 2 O CO 2 Dannelse av kalkstein EN NATURENS MEKANISME for mineralogisk CO 2 -håndtering gjennom millioner av år BALANSE mellom CO 2 i havet og CO 2 i atmosfæren FORVITRING/EROSJON Dekomponering/forvitring av bergarter Ca HCO 3 - Ca (Mg,Fe) fra berggrunnen danner sammen med CO 2 fra lufta bikarbonat Ca(HCO 3 ) 2 som er løselig i vann (egentlig Ca HCO 3- ) TRANSPORT som bikarbonat med grunnvann og elver mot havet 50 % returneres MINUS det som bindes i biologisk materiale UTFELLING som karbonat (ved endret Ph) Ca HCO 3 - CaCO 3 ( sediment) + CO 2 Biologiske prosesser er viktige for å binde CO 2 Rolla i Troms Ca HCO 3 - CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Svært store mengder CO 2 er lagret som karbonat i berggrunnen i visse deler av landet millioner år gammel kalkstein

6 KALKSTEIN - EN NATURENS MEKANISME for mineralogisk CO 2 -håndtering (lagring) gjennom millioner av år Rolla i Troms Kalkspatmarmor - Bergart som i hovedsak består av mineralet kalkspat (CaCO 3 ) Kalkspat Kalkspat (CaO CO 2 ) Kalkspat Kalkspat Kalkspat Naturen har «lagret» enorme mengder CO 2 som karbonat i berggrunnen i visse deler av landet I visse tilfeller har slik kalkstein kvaliteter som er egnet for industriell anvendelse (15 gruver i drift i Norge)

7 H 2 O CO 2 NATURENS PROSESSER tar millioner av år Det bør kunne la seg gjøre å få til industriell verdiskaping ved bruk av CO 2 men da må prosessen skje raskt Ca(HCO 3 ) 2 VERDIFULLE PRODUKTER Industrielle prosesser CO 2 holdig mineralogisk materiale for DEPONI

8 GASS GRUVEDRIFT MINERALER HVORDAN REALISERE ET GASS-MINERAL-CO 2 SCENARIUM? GASS-BASERT PROSESSINDUSTRI MINERALER GRUVEDRIFT CO 2 Verdifulle PRODUKTER CO 2 -BASERT PROSESSINDUSTRI. CO 2 -holdig mineralogisk materiale (karbonat) for DEPONERING Verdifulle PRODUKTER Den absolutt avgjørende utfordringen er TEKNISK MILJØ Oppnå RASK dekomponering av bergarter i karbonsyre ved atmosfærisk trykk og temperatur og uten forkonsentrering av CO 2 Separasjon og anrikning av VERDIFULLE PRODUKTER ENERGI optimalisering Innebærer gruvedrift og deponering av CO 2 -holdig mineralogisk materiale Må utvikle miljøpolitisk akseptable løsninger SAMFUNNSAKSEPT

9 Industriell utvikling vil kreve rask oppløsning av mineraler/bergarter i karbonsyre PROSESSER FOR DEKOMPONERING AV BERGARTER I KARBONSYRE (1) VED HØYT TRYKK OG TEMPERATUR (diverse forskning internasjonalt) Øke trykket (ca. 150 bar) Mer CO 2 oppløses I vannet Sterkere syre Øke temperaturen (ca. 150 o C) Kraftigere molekylære vibrasjoner Mer reaktivt Store begrensninger mht industriell produksjon fordi benytter høyt trykk og temperatur Norsk forskning: Institutt for Energiteknikk (IFE) (2) VED ATMOSFÆRISKE FORHOLD (a) Spre mineralet olivin (bergarten dunitt) langs strender og utover i landskapet Oppløsning og CO 2 -binding over lang tid; benytter naturens prosesser, jfr. Schuiling & deboer (2011) (b) Gjennomstrømning av karbonsyre i knust bergart Begrenset effektivitet og tar lang tid Mulighet for å utvikle billige løsninger KREC/LKAB prosjekt (avsluttet) (c) Dette foredraget ØKE REAKSJONSHASTIGHETEN VED EKSTREMT KRAFTIG PULSERT ENERGI E-Puls teknologi (Dr. Richard Bialecki, konsulent basert i London) Rask reaksjon, høy effektivitet Mulighet for verdifulle produkter, betydelig industrielt potensial Prosjekt (avsluttet) støttet av Nordland fylkeskommune, Innovasjon Norge og NGU

10 KREC Kjeøy Research and Education Center (KREC) Et nedlagt fiskemottak, ombygget mht diverse geologisk forskning, Vestbygd i Lødingen kommune, Dr. Ingar Walder PhD i geokjemi fra New Mexico Tech (USA). Lofoten Kjeøy KREC lab. Dr. Richard Bialecki PhD i fysikk fra Imperial Collage London, nå konsulent (London) Prosjekt Støttet av Nordland fylkeskommune, Innovasjon Norge og NGU Avsluttet prosjekt NY UTVIKLING..

11 . Grunnprinsipp «Kjeøy-prosessen» Utnytte den kjemiske prosessens evne til å reagere raskt ved å tilføre EKSTREMT KRAFTIG PULSERT ENERGI Denne teknologien kan benyttes for: Knusing av stein mht effektiv friknusing av mineralene (ikke tema i dette foredraget) Energiintensitet PULSERT energitilførsel Oppnå rask oppløsning av mineraler i karbonsyre DETTE FOREDRAGET Andre anvendelser. KONVENSJONELL mekanisk energitilførsel Tid

12 FORENKLET (Mg,Fe) 2 SiO 4 (olivin) + CO 2 SiO 2 (silika) + (Mg,Fe)CO 3 (karbonat) Mg, Fe, Ni I PRAKSIS MgO (+ FeO, NiO) går i løsning SiO 2 anrikes i kornoverflaten og danner et impermeabelt lag som stopper den videre reaksjonen Utfordring: DEN IMPERMEABLE RANDSONEN MÅ FJERNES LIKE FORT SOM DEN DANNES Olivin (Mg,Fe,Ni) 2 SiO 4 SiO 2 (silika) anriket omvandlingssone FE-SEM bilde fra McKelvy et al. (2003)

13 RASK OPPLØSNING ER AVGJØRENDE Bruk av ekstremt kraftige energi pulser for omrøring og abrasjon Kontinuerlig abrasjon av mineralkornene fjerner impermeabelt SiO 2 - anriket reaksjonsmateriale slik at frisk olivin kommer i kontakt med karbonsyre og oppløsningsprosessen fortsetter Energi intensitet Olivin (Mg,Fe) 2 SiO 4 Konvensjonell mekanisk omrøring. i vandig løsning (vann er et ypperlig medium for pulsert energi) Time

14 E-Puls HV Ekstremt kraftige energipulser (lydbølger i vann/karbonsyre) i intervaller Bialecki egenutviklet system; energipulsene lages v.h.a. plasmaeksplosjoner i reaksjonskammeret; ekstremt mye kraftigere enn konvensjonell ultralyd 1000 ganger færre pulser enn ved konvensjonell ultralyd Millioner av ganger kraftigere enn mekanisk omrøring Energi intensitet (ikke i henhold til skala) Ultralyd (E-Pulse US) Ultralyd (så kraftig som mulig) laget med konvensjonell ultralydmaskin, er i størrelsesorden 1000 x mer effektiv enn mekanisk omrøring pulser/sek. Energinivå for konvensjonell mekanisk omrøring Tid (indikativ)

15 Trinn 2: UTFELLING A. Mineral particles in suspension clouding the water in the sample cylinder B. Close-up photo of mineral particles in suspension Prøvemateriale etter dekomponering av olivin i karbonsyre C. Settled mineral particles (grayish) covering the floor of the sample cylinder

16 Innstøping av prøvemateriale i epoxy Epoxy Prøvesylinder Herding Prøvepreparat Saging Polering Prøve-preparat Mikroskopi (SEM) SEM-bilde Prøvemateriale etter dekomponering av olivin i karbonsyre

17 SEM-bilde av mineralogisk materiale innstøpt i epoxy Reaksjonsprodukter innstøpt i epoxy Olivin Randsone med omvandlet mineralogisk materiale

18 Olivin (Mg,Fe,Ca,Ni) 2 Si 4 Ekstremt finkornet mineralogisk materiale (reaksjonsprodukter, grå) innstøpt i epoxy (sort) Oppsprekking av olivinkorn i randsonen Inneholder SiO 2, MgCO 3 o.a mm (10 µm)

19 FRACTURING by pulsated energy ALTERATION ZONE SIRCULATION OF CARBONIC ACID DISSOLUTION of Mg, Fe and Ni Olivine (Mg,Fe,Ni) 2 SiO 4 KRITISKE FAKTORER for å oppnå rask dekomponering av olivin ABRASION by pulsated energy GROWTH E-Puls HV (ekstremt kraftig); vanlig ultralyd blir for svak VAPOR BUBBLES IMPLOSION Effektiv abrasjon av reaksjonsmateriale i kornoverflaten Effektiv omrøring i reaksjonsmassen Kraftig kavitasjon Kontinuerlig tilførsel av frisk syre (må opprettholde ph ) Unngå signifikant oppvarming ( mindre CO 2 holdes i løsning og syra blir svakere; både dekomponering av olivin (eksotermisk) og den pulsbaserte energitilførselen gir oppvarming) Effektiv fjerning av reagert materiale (må ha flere trinn i prosessen, komplekst) KAVITASJON (cavitation) TRYKKBØLGER GIR ALTERNERENDE HØYT OG LAVT TRYKK Lavt trykk Gassbobler dannes når trykket blir lavere enn damptrykket Absorberer energi Høyt trykk Når trykket stiger til over damptrykket vil gassboblene kollapse (implodere) Energi frigjøres FRIGJØRING AV ENERGI NÅR BOBLENE KOLLAPSER SYNES VIKTIG FOR PROSESSEN men det er uklart hva som egentlig skjer

20 GRUVEDRIFT GASS MINERALER GASS-BASERT PROSESSINDUSTRI Verdifulle PRODUKTER CO 2 CO 2 -BASERT PROSESSINDUSTRI. Oppløsning i karbonsyre har vært fokus fram til nå Skal si litt mer om denne delen MINERALER GRUVEDRIFT CO 2 -holdig mineralogisk materiale (karbonat) for DEPONERING Verdifulle PRODUKTER

21 Prinsippskisse Fokus har hittil vært OPPLØSNING UTFELLING Håndtering av resterende CO 2 med CaO (brent kalk)? CaO + CO 2 CaCO 3 H 2 O + CO 2.. CO 2 + H 2 O MINERAL Renseprosess Andre Produkter Verdifullt Produkt Renseprosess Uløst rest Karbonat (Ca,Mg,Fe)CO 3 Renseprosess Salgbar Karbonat DEPONERING Alt som ikke er salgbart må deponeres

22 Prinsippskisse Fokus har hittil vært OPPLØSNING UTFELLING Håndtering av resterende CO 2 med CaO (brent kalk)? CaO + CO 2 CaCO 3 H 2 O + CO 2.. CO 2 + H 2 O MINERAL Renseprosess Andre Produkter Verdifullt Produkt Renseprosess Uløst rest Karbonat (Ca,Mg,Fe)CO 3 Renseprosess Salgbar Karbonat DEPONERING Alt som ikke er salgbart må deponeres

23 Noen egnede mineralske råvarer

24 HAR TESTET AT PRINSIPPET FUNGERER, dvs. at olivin lar seg dekomponere, men har ikke testet at verdifulle produkter faktisk kan la seg produsere Når formålet er å binde mest mulig CO 2 for å gjøre gassbasert industri miljøpolitisk mulig OLIVIN (bergarten dunitt; andre bergarter er også aktuelle) CO 2 + (Mg,Fe,Ni) 2 SiO 4 (olivin) (Mg,Fe)CO 3 (karbonat) + SiO 2 + Ni Produkter for salg Det som ikke er salgbart må deponeres DEPONI På land eller sjøbunn

25 CO 2 + (Mg,Fe,Ni) 2 SiO 4 (olivin) (Mg,Fe)CO 3 (magnesitt) + SiO 2 + Ni STORT CO 2 -binding potensial 400 kg CO 2 / t bergart Inneholder % Ni og 40 % SiO 2 INDIKATIVT VERDIPOTENSIAL % Ni ca. 150 kr/t bergart 100 Mt bergart ca. 15 MRD kr - SiO 2 : kr/t bergart ( kr/t produkt) - Begrenset markedsvolum mht høy pris - Mulighet for bruk i betong (stort marked) - Noe magnesitt kan også være salgbart (renset produkt, reduserer CO 2 -lagringen) Pris/kvalitet/marked Ressurser: Ubegrenset Åheim Sunnmøre

26 ANORTOSITT CO 2 + CaAl 2 Si 2 O 8 (anortitt) Al 2 O 3 + SiO 2 + CaCO 3 Lavt CO 2 -binding potensial (CaCO 3 ) < 100 kg CO 2 /t bergart INDIKATIVT VERIPOTENSIAL - Al 2 O 3 : 3000 kr/t (store variasjoner) 30 % Al 2 O kr/t bergart 100 Mt bergart 90 MRD kr - SiO 2 : kr/t (produkt) Begrenset markedsvolum mht høy pris - CaCO kr/t (PCC-produkt) Eventuelt deponering Pris/kvalitet/marked Ressurser: Ubegrenset Gudvangen - Mjølfjell Gudvangen anortosittgruve Syreløselig plagioklas

27 Visse nivå i den sedimentære lagrekken har potensielt ypperlig kvalitet Landet har store ressurser av mineralkjemisk høyren kalkspatmarmor Lavt innhold av krystallbundet jern og mangan gir høy hvithet og stor potensiell verdi

28 KALKSPATMARMOR Kalkspat (CaCO 3 ) + andre mineraler Kvarts Kalkspat med inneslutninger av andre mineraler Grafitt Karbonatmineralet kalkspat (CaCO 3 ) er løselig i svak syre mens de andre mineralene ikke er løselige MULIGHET FOR SELEKTIV EKSTRAKSJON HØYRENT PRODUKT (PCC)

29 Trinn 1 SELEKTIV OPPLØSNING AV HØYREN KALSIUMKARBONAT fra en bergart med andre mineraler CO 2 + H 2 O + CaCO 3 Ca(HCO 3 ) 2 Trinn 2 TRANSPORT av oppløst kalsium bikarbonat Ca(HCO 3 ) 2 Trinn 3 UTFELLING AV HØYREN KALSIUMKARBONAT fra kalsium bikarbonat Ca(HCO 3 ) 2 H 2 O + CO 2 + CaCO 3 H 2 O + CO 2.. MINERAL Uløst rest av andre mineraler Verdifullt Produkt DEPONERING

30 Råvare Olivin Olivin Produkt CO2 Anortositt Råvare Anortositt Produkt CO2 Ca-karbonat Råvare Ca-karbonat Produkt GCC Ca-karbonat Produkt CO2 Konvensjonell TEORETISK SETT STORT POTENSIALE FOR VERDISKAPING FORUTSATT Konkurransedyktig på pris/kvalitet God markedstilpasning Indikativ Potensiale for verdiskaping for tre "ubegrensede" ressurstyper Verdibetraktning (høyre akse) basert på 100 Mt råvare Kr/t bergart Olivin (dunitt)? Anortositt? Kalsium karbonat GCC PCC? MRD kr STORT potensial for å binde CO 2 LITE potensial for å binde CO 2 INTET potensial for å binde CO 2

31 GRUNNLEGGENDE FoU INDUSTRIALISERING FASE 1 Har testing et nytt idé konsept for rask karbonsyreoppløsning av olivin Har eksperimentelle data som grunnlag for videre utvikling av konseptet Alle detaljer er enda ikke offentlig tilgjengelig FASE 2 (neste trinn) Optimalisering av metodikken og systematisk testing av utvalgte forekomsttyper Utvikle et oppsett for kontinuerlig gjennomstrømming av prøvemateriale Det er en utvikling på gang i Glomfjord: - Etter diverse industrinedleggelser vurderes ulike alternativer for ny næringsutvikling, bl.a. Mg-metall fabrikk Mg + CO 2 - Kan mineralogisk lagring av CO 2 bli et reelt alternativ? - Andre mineralprodukter? FASE 3 Pilotanlegg Industriell testing FASE 4 Industriell produksjon Tid Indikativ, uten skala

32 UNIKE MULIGHETER FOR GASS OG MINERAL-BASERT VERDISKAPING Landet har et enestående ressursgrunnlag En rekke egnede mineralske råvarer er tilgjengelig fra gruver i produksjon Kan også utvikle nye forekomster; en rekke potensielt egnede forekomster er kjent Gass/LNG er tilgjengelig Teknologi, industriell kompetanse,.. NY INDUSTRIELL UTVIKLING Integrerte løsninger STØRSTE UTFORDRINGER SAMFUNNSAKSEPT Behov for politiske grep; behov for insentiver rettet mot industriell utvikling PROSESSUTVIKLINGEN Også behov for å utvikle løsninger som gir mulighet for CO 2 -handel; dvs. at Bedrift A betaler Bedrift B for å håndtere en viss mengde CO 2. Utvikle miljøakseptable DEPONERINGSLØSNINGER

33 VISION 100 Gass + Mineraler + CO 2 Miljø VERDIskaping (relativ) Olje og Gass Teknologi Industri PROSESS industri GRUVEDRIFT CO 2