Ελληνική dream team σχεδίασε τη βιώσιμη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα

 

Μία διεθνώς πρωτοποριακή τεχνολογία δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα (CO2) με τη χρήση καινοτόμων διαλυτών αναπτύχθηκε στα εργαστήρια του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ) και του Εθνικού Κέντρου Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (ΕΚΕΤΑ).

Έπειτα από 10 χρόνια ερευνών, οι ερευνητές αξιοποιώντας τεχνολογικές λύσεις που προσφέρει η Τεχνητή Νοημοσύνη κατάφεραν να ανακαλύψουν ένα νέο μίγμα αμινών, που δεσμεύουν το διοξείδιο του άνθρακα πολύ πιο αποδοτικά, με φιλικότερες στο περιβάλλον διεργασίες, με μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις και με κατά 40% μικρότερο λειτουργικό κόστος σε σύγκριση με την βέλτιστη υπάρχουσα τεχνολογία, την οποία χρησιμοποιούν έως σήμερα οι μονάδες δέσμευσης CO2.

Η μεταφορά της τεχνολογίας από το εργαστήριο στη βιομηχανική κλίμακα, που θα προσφέρει μια άμεση λύση στις ελληνικές βιομηχανίες σε ό,τι αφορά του στόχους που έχουν τεθεί από την ΕΕ για τη μείωση των εκπομπών CO2 και την αντιμετώπιση της Κλιματικής Αλλαγής, δρομολογείται ήδη, καθώς διερευνάται η δυνατότητα σχεδιασμού και κατασκευής μονάδας δέσμευσης δυναμικότητας 5 τόννων CO2 ημερησίως. Μάλιστα η πιλοτική μονάδα δέσμευσης CO2 θα παρουσιαστεί σε λειτουργία στον χώρο της ΓΓΕΚ και του ΕΚΕΤΑ στη ΔΕΘ (περίπτερο 7).

«Η ελληνική dream team που σχεδίασε τη βιώσιμη δέσμευση του CO2»

Η ερευνητική ομάδα, που ξεκίνησε την έρευνα στην τεχνολογία δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα το 2011, αποτελείται από ερευνητές του ΕΚΕΤΑ και καθηγητές του ΑΠΘ, καθώς και από νέους μεταδιδακτορικούς ερευνητές, οι οποίοι προτίμησαν την επιστροφή στην Ελλάδα, νέες και νέους υποψήφιους διδάκτορες που εκπονούν την διδακτορική τους έρευνα στην χώρα μας, αλλά και πολλούς μηχανικούς που υλοποιούν τα αποτελέσματα της έρευνας στις πιλοτικές μονάδες δέσμευσης.

Πρόκειται, συγκεκριμένα, για τα μέλη της ερευνητικής ομάδας από το Εργαστήριο Δυναμικής Μηχανών (ΕΔΥΜ) του Τμήματος Μηχανολόγων- Μηχανικών στο ΑΠΘ και από το Εργαστήριο Ανάπτυξης Ολοκληρωμένων Συστημάτων Διεργασιών (ΕΑΝΟΣΥΣ) του Ινστιτούτου Χημικών Διεργασιών και Ενεργειακών Πόρων (ΙΔΕΠ) στο ΕΚΕΤΑ.

«Γι’ αυτήν την καινοτόμα ανακάλυψη, η οποία επιφέρει εντυπωσιακή μείωση των εκπομπών CO2 και συνακόλουθα συμβάλλει στην αντιμετώπιση της Κλιματικής Αλλαγής, αξίζουν θερμά συγχαρητήρια σε όλους τους εμπλεκόμενους ερευνητές του ΕΚΕΤΑ, καθηγητές του ΑΠΘ, καθώς και νέους μεταδιδακτορικούς ερευνητές, οι οποίοι έφεραν τη χώρα μας, για μια ακόμη φορά, στην πρωτοπορία της τεχνολογικής έρευνας και της καινοτομίας», δήλωσε στο ΑΠΕ-ΜΠΕ ο γενικός γραμματέας Έρευνας και Καινοτομίας του Υπουργείου Ανάπτυξης και Επενδύσεων, Αθανάσιος Κυριαζής. Επισήμανε δε πως η ΓΓΕΚ έχει ενσωματώσει στις προτεραιότητές της, όπως αυτές οριοθετούνται μέσα από την Εθνική Στρατηγική Έξυπνης Εξειδίκευσης, τον τομέα του Περιβάλλοντος και της Βιώσιμης Ανάπτυξης, δίδοντας βαρύτητα στη χρηματοδότηση ερευνητικών και καινοτόμων προγραμμάτων όπως αυτά που οδήγησαν στη σημαντική ανακάλυψη από το ΑΠΘ και το ΕΚΕΤΑ.

Οι παγκόσμιες προκλήσεις που αντιμετωπίζει και η Ελλάδα υπογραμμίζουν την οφειλή του δημόσιου πανεπιστημίου προς την κοινωνία, να συνεισφέρει μέσα από την έρευνα και το επιστημονικό του δυναμικό στην εξεύρεση απαντήσεων, σύμφωνα με τον πρύτανη του ΑΠΘ καθ. Νίκο Παπαϊωάννου, ο οποίος αναφέρθηκε ιδιαίτερα στην επιμονή, ομαδικότητα, και στοχοπροσήλωση σε βάθος χρόνου, που απαιτούν τέτοιες σημαντικές ανακαλύψεις. «Το ΑΠΘ προσεγγίζει ολιστικά την κλιματική κρίση συμβάλλοντας ερευνητικά σε όλες τις πτυχές του θέματος, από την φυσική της ατμόσφαιρας και το κλίμα, στις καθαρές ενεργειακές λύσεις και τεχνολογίες δέσμευσης CO2 καθώς και την αλληλεπίδρασή τους με τις οικονομικές και κοινωνικές διαστάσεις του», δήλωσε ο κ.Παπαϊωάννου στο ΑΠΕ-ΜΠΕ.

Αναφορικά με την συμβολή του ΕΚΕΤΑ ο πρόεδρος και Διευθυντής του Κέντρου Δρ. Δημήτρης Τζοβάρας επισήμανε στο ΑΠΕ-ΜΠΕ πως «μέσω προηγμένων υπολογιστικών τεχνολογιών και διεργασιών προσφέρει σημαντικές λύσεις στην ανάπτυξη καθαρών υλικών και συστημάτων που συνεισφέρουν στη βιώσιμη ανάπτυξη».

«Η κλιματική κρίση πιέζει, αλλά το κόστος των επενδύσεων απομακρύνει από τους στόχους μείωσης των ρύπων»

Για την επιστημονική διαδρομή στην Τεχνολογία Δέσμευσης Διοξειδίου του Άνθρακα, την πρακτική εφαρμογή της τεχνολογίας και την αξία της ως μία άμεση λύση στην αντιμετώπιση της Κλιματικής Αλλαγής μίλησε στο ΑΠΕ-ΜΠΕ ο καθηγητής του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του ΑΠΘ και συνεργαζόμενος ερευνητής του ΙΔΕΠ/ΕΚΕΤΑ Πάνος Σεφερλής.

Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή έχει θέσει ως στόχο τη μείωση των εκπομπών CO2 κατά τουλάχιστον 40% από το επίπεδο του 1990, μέχρι το έτος 2030. Λαμβάνοντας υπόψιν την αύξηση της οικονομικής δραστηριότητας κατά το χρονικό αυτό διάστημα, ο στόχος είναι ιδιαίτερα αισιόδοξος και απαιτεί ταχεία ανάπτυξη και εμπορική εφαρμογή αποτελεσματικών τεχνολογιών δέσμευσης CO2.

Καθώς η κλιματική κρίση εκδηλώνεται όλο και πιο έντονα μέσα από ακραία φυσικά φαινόμενα, που μαστίζουν κάθε γωνιά του πλανήτη, διεθνείς επιστημονικοί φορείς δηλώνουν ότι χρειάζεται η άμεση λειτουργία τουλάχιστον 100 μονάδων δέσμευσης CO2 βιομηχανικής κλίμακας, ώστε να είναι εφικτή η επίτευξη του στόχου της διατήρησης της αύξησης της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη κάτω από 2 oC. Ωστόσο, η λειτουργία της πρώτης εμπορικής κλίμακας μονάδας δέσμευσης CO2 έγινε το 2014 και σήμερα μόνο ένας εξαιρετικά περιορισμένος αριθμός αντίστοιχων μονάδων είναι σε λειτουργία.

«Ο κύριος λόγος της αργής επέκτασης της τεχνολογίας είναι το σημαντικό κόστος επένδυσης και το αυξημένο κόστος λειτουργίας μιας μονάδας δέσμευσης CO2, σημειώνοντας επιπλέον το γεγονός ότι το παραγόμενο CO2 δεν έχει ακόμη, εκτός λίγων περιπτώσεων, αξία ως προϊόν για να δημιουργήσει έσοδα», εξήγησε ο κ. Σεφερλής, εκτιμώντας ότι για να επιτευχθούν οι στόχοι που έχουν τεθεί από τους διεθνείς οργανισμούς απαιτούνται «καινοτόμες τεχνολογικές λύσεις, που να κάνουν τη διεργασία δέσμευσης του CO2 από αέρια καύσης και αέρια βιομηχανικών διεργασιών αποδοτικότερη, οικονομικότερη και περιβαλλοντικά φιλικότερη».

«Πώς γίνεται η δέσμευση του CO2 και η επαναχρησιμοποίησή του»

Το διοξείδιο του άνθρακα εκλύεται κυρίως από την καύση ορυκτών καυσίμων (άνθρακα, λιγνίτη, φυσικού αερίου, πετρελαίου και παραγώγων αυτού) για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος, θερμότητας και ψύξης για βιομηχανικές και οικιστικές ανάγκες. Τα αέρια καύσης που περιέχουν κυρίως άζωτο, διοξείδιο του άνθρακα, υδρατμό και οξυγόνο συνήθως απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα. Διοξείδιο του άνθρακα απελευθερώνεται σε μεγάλες ποσότητες από την διαδικασία παραγωγής τσιμέντου, ασβέστη και μαγνησίας μέσω της διάσπασης του ανθρακικών αλάτων που αποτελούν την πρώτη ύλη των προϊόντων αυτών. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι για κάθε τόνο παραγωγής ασβέστη, παράγονται 980 κιλά CO2 από την καύση στην ασβεστοκάμινο και τη διάσπαση του ασβεστόλιθου. Μόνο στον Ελλαδικό χώρο, η ετήσια δυναμικότητα παραγωγής ασβέστη φτάνει τους 500.000 τόνους!

Στόχος της δέσμευσης CO2 είναι η απομόνωση και ο διαχωρισμός του από το μίγμα των αερίων καύσης. Ο καθηγητής του ΑΠΘ περιέγραψε τη διαδικασία: «Ένας αποτελεσματικός τρόπος διαχωρισμού είναι με την επιλεκτική χημική απορρόφηση του CO2 από μίγμα χημικών ενώσεων (διαλύτες) που επιλεκτικά αντιδρούν χημικά με το CO2 και δεν το αφήνουν να εκλυθεί στην ατμόσφαιρα. Τέτοιες χημικές ενώσεις είναι οι αμίνες, οργανικές ενώσεις που περιέχουν αμινο-ομάδες, οι οποίες αντιδρούν και δεσμεύουν το CO2. Φέρνοντας λοιπόν σε επαφή το υγρό υδατικό μίγμα των αμινών με τα αέρια καύσης των ορυκτών καυσίμων , το CO2 μεταφέρεται από την αέρια φάση στην υγρή φάση των αμινών μέσω χημικών δεσμών που δημιουργεί αυτό με τις αμίνες. Έτσι απομακρύνεται ως υγρό από το μίγμα των αερίων καύσης, που, χωρίς πλέον CO2, απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα. Στη συνέχεια το υγρό μίγμα αμινών με το CO2 θερμαίνεται με αποτέλεσμα την σχάση των δεσμών του CO2 με τις αμίνες και την απελευθέρωση καθαρού αέριου CO2, το οποίο μπορεί να οδηγηθεί για αποθήκευση σε υπόγειους γεωλογικούς σχηματισμούς ή χρήση για την παραγωγή άλλων χρήσιμων χημικών ενώσεων. Το μίγμα των αμινών, απαλλαγμένο πλέον από το CO2 επαναχρησιμοποιείται για τη διαρκή δέσμευση CO2».

Σε ό,τι αφορά το κόστος λειτουργίας της δέσμευσης, ο Δρ. Σεφερλής εξήγησε πως «αυτό εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμότητα που χρειάζεται για την απελευθέρωση του CO2 από το μίγμα αμινών».

«Ο ρόλος της Τεχνητής Νοημοσύνης στην ανακάλυψη»

Η ομάδα του ΑΠΘ και του ΕΚΕΤΑ προκειμένου να απαντήσει στο βασικό για την έρευνα ερώτημα «πώς μπορεί να βρεθεί κατάλληλο μίγμα διαλυτών, ώστε η δέσμευση του CO2 να γίνει με μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις, φιλικότερους στο περιβάλλον διαλύτες και οικονομικά βιώσιμες διεργασίες» βρέθηκε μπροστά σε μία δύσκολη εξίσωση, με τους συνδυασμούς οργανικών ενώσεων με αμινο-ομάδα να ξεπερνούν σε πλήθος τα δεκάδες δισεκατομμύρια, λαμβάνοντας υπόψιν όλους του πιθανούς συνδυασμούς των χημικών ομάδων. Επίσης το μίγμα των διαλυτών μπορεί να περιλαμβάνει περισσότερες από μια οργανικές ουσίες με αμινο-ομάδα καθιστώντας το πρόβλημα ουσιαστικά ανέφικτο να λυθεί με συμβατικές πειραματικές μεθόδους. Η επιλογή από τον ερευνητή του καλύτερου συνδυασμού ήταν πρακτικά αδύνατη.

Για την επίλυση του προβλήματος επιστρατεύτηκαν ψηφιακά πρότυπα (μοντέλα) για την εκτίμηση των φυσικών ιδιοτήτων των μορίων των αμινών με βάση τη χημική τους δομή. Ο ερευνητής του ΙΔΕΠ/ΕΚΕΤΑ Δρ. Αθανάσιος Παπαδόπουλος εξηγεί: «Με εξειδικευμένες τεχνικές βελτιστοποίησης πολλαπλών κριτηρίων κατασκευάστηκαν στον ηλεκτρονικό υπολογιστή εικονικά μόρια αμινών τα οποία προσεγγίζουν τις επιθυμητές ιδιότητες ώστε η δέσμευση του CO2 να πληροί τα κριτήρια που τέθηκαν εξ’ αρχής».

Η εφαρμογή των ψηφιακών προτύπων για την πρόβλεψη των ιδιοτήτων των μιγμάτων των αμινών μαζί με τις τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης που αναζητούν και επιλέγουν τις βέλτιστες συστάσεις και συγκεντρώσεις των μιγμάτων με βάση συγκεκριμένα κριτήρια οδήγησε στην ανακάλυψη καινοτόμων μιγμάτων αμινών που δεν είχαν μελετηθεί προηγουμένως.

Τα μίγματα αυτά καταφέρνουν να δεσμεύουν το CO2 με πολύ μικρότερη απαιτούμενη ενέργεια, μειώνοντας έτσι το λειτουργικό κόστος της δέσμευσης κατά περίπου 40 % από την υπάρχουσα καλύτερη τεχνολογία. Το νέο υδατικό διάλυμα αμινών που ανακαλύφθηκε έχει τη μοναδική ιδιότητα ότι κατά την χημική απορρόφηση του CO2 από τις αμίνες, το μίγμα τους διαχωρίζεται αυθορμήτως, χωρίς την χρήση θερμότητας (δηλαδή χωρίς επιπρόσθετο κόστος ενέργειας), σε δυο μη-αναμίξιμες υγρές φάσεις.

Παράδειγμα μη-αναμίξιμων υγρών φάσεων είναι ο διαχωρισμός του ελαιόλαδου όταν αυτό έρθει σε επαφή με το νερό. Η μία υγρή φάση έχει μεγάλη συγκέντρωση σε CO2 (πλούσια φάση) ενώ η άλλη μικρή. Επομένως, η θερμική κατεργασία για την απελευθέρωση του CO2 από την υγρή φάση επιβάλλεται σε μικρότερη ποσότητα του μίγματος των διαλυτών εξοικονομώντας έτσι σημαντική ποσότητα ενέργειας.

«Η εργαστηριακή επιβεβαίωση των ερευνητικών αποτελεσμάτων»

Η ανακάλυψη του νέου μίγματος αμινών χρησιμοποιήθηκε σε εργαστηριακή διάταξη για την πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της υπολογιστικής μηχανικής. Για τον λόγο αυτό σχεδιάστηκαν, κατασκευάστηκαν και τέθηκαν σε αυτοματοποιημένη λειτουργία ένας αριθμός διατάξεων στο ΕΑΝΟΣΥΣ/ΙΔΕΠ/ΕΚΕΤΑ. Ο Διευθυντής του ΙΔΕΠ/ΕΚΕΤΑ Δρ. Σπυρίδων Βουτετάκης εξηγεί ότι «οι διεργασίες αυτές προσομοιάζουν την βιομηχανική εφαρμογή σε πολύ μικρότερη αλλά και πιο διαχειρίσιμη μορφή, σε ελεγχόμενες και πλήρως ασφαλείς συνθήκες λειτουργίας».

Στόχος της ομάδας ήταν η μέτρηση της απόδοσης των καινοτόμων μιγμάτων διαλυτών στη δέσμευση CO2 σε συνθήκες εγγύτερα αυτών που επικρατούν στη βιομηχανική εφαρμογή. Κατά την εκπόνηση των πειραμάτων επιβεβαιώθηκε η αυξημένη ικανότητα του μίγματος αμινών να δεσμεύει CO2 καθώς και η σημαντική μείωση των ενεργειακών απαιτήσεων για τον εν λόγω διαχωρισμό.

Τώρα η ομάδα εργάζεται πάνω στην ανάπτυξη της διεργασίας δέσμευσης με τους καινοτόμους διαλύτες σε βιομηχανική κλίμακα για την αξιολόγηση της εμπορικής ανάπτυξης της νέας αυτής τεχνολογίας. Διερευνάται η δυνατότητα σχεδιασμού και κατασκευής μονάδας δέσμευσης δυναμικότητας 5 τόννων CO2 ημερησίως που συνεπάγεται την επεξεργασία περίπου 1.000 κυβικών μέτρων απαερίων καύσης ασβεστοποιίας σε κανονικές συνθήκες. Η συνεργασία με τις Ελληνικές επιχειρήσεις στους τομείς της παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος, παραγωγής τσιμέντου, ασβέστη και μαγνησίας καθώς και της παραγωγής καυσίμων και χημικών είναι ισχυρή και αποτελεί και την εγγύηση για την επιτυχημένη μετάβαση της νέας τεχνολογίας από την μονάδα πιλοτικής κλίμακας σε βιομηχανική εγκατάσταση.

«Έργα 8 εκατομμυρίων ευρώ»

Η ομάδα του ΑΠΘ και του ΕΚΕΤΑ ηγήθηκε από το 2011 μέχρι το 2014, ως επιστημονικός και διαχειριστικός συντονιστής, της κοινοπραξίας του ερευνητικού έργου CAPSOL (Design Technologies for Multi-Scale Innovation and Integration in Post-Combustion CO2 Capture: From Molecules to Unit Operations and Integrated Plants) που χρηματοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή. Κατά την περίοδο αυτή τέθηκαν τα θεμέλια της καινοτόμου τεχνολογίας δέσμευσης με την ανάπτυξη μεθόδων τεχνητής νοημοσύνης για το σχεδιασμό νέων διαλυτών δέσμευσης υψηλής απόδοσης.

Στη συνέχεια (2016-19) η Ευρωπαϊκή Επιτροπή εμπιστεύτηκε την Ομάδα του ΕΑΝΟΣΥΣ για τον επιστημονικό και διαχειριστικό συντονισμό του ερευνητικού έργου ROLINCAP (Systematic Design and Testing of Advanced Rotating Packed Bed Processes and Phase-Change Solvents for Intensified Post-Combustion CO2 Capture) όπου και προέκυψαν οι νέοι διαλύτες πολλαπλών φάσεων που επιτυγχάνουν την αποτελεσματική αλλά και οικονομικά βιώσιμη δέσμευση του CO2. Πολύ πιο εξελιγμένα ψηφιακά πρότυπα πρόβλεψης της συμπεριφοράς των μιγμάτων διαλυτών αλλά και των αντίστοιχων διεργασιών αναπτύχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν ώστε να είναι δυνατή η μεταφορά σε πειραματικές διατάξεις των νέων διαλυτών.

Στις ερευνητικές κοινοπραξίες των έργων CAPSOL και ROLINCAP συμμετείχαν πανεπιστήμια από την Ευρώπη (Imperial College London, Sheffield University, University of Newcastle, ETH Zurich, Chalmers University) και την Δημοκρατία της Κορέας (Korea Advanced Institute of Science and Technology) καθώς και σημαντικός αριθμός Ευρωπαϊκών εταιρειών.

Στο πλαίσιο των δράσεων της Γενικής Γραμματείας Έρευνας και Καινοτομίας «Ερευνώ – Δημιουργώ – Καινοτομώ» η ερευνητική ομάδα του ΕΑΝΟΣΥΣ και του ΕΔΥΜ εκπονούν τρία ερευνητικά έργα (ΝΑΝΟCAP, REALCAP, CO2FUELS) που οδηγούν τις ανάγκες της Ελληνικής βιομηχανίας στην μείωση του περιβαλλοντικού τους αποτυπώματος αλλά και στην παραγωγή νέων προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας.

Συνολικά, έχουν προσελκυστεί και επενδυθεί πάνω από 8 εκατομμύρια ευρώ στην έρευνα, μέσω των παραπάνω έργων.

Οι φωτογραφίες παραχωρήθηκαν από το Αθηναϊκό Πρακτορείο Ειδήσεων