Toekomst van Anti Greenhouse Energy
Definitie van AGE Tech: toepassing van technologie met betrekking tot opwekking, opslag en omzetting van energie op zo’n wijze dat het broeikaseffect omgekeerd wordt. En specifiek:
opwekking, opslag en omzetting van duurzame energie om nuttig bruikbare arbeid te leveren middels koud of vloeibaar gas wat de atmosfeer en fossiele verbranding schoon maakt.
Doelstelling
Het doel van AGE Tech is het omkeren van het broeikas effect door geen broeikas gassen uit te stoten maar uit de atmosfeer te verwijderen en grootschalige duurzame energie efficiënt in het net te integreren om zo een vermijdingsspiraal op te starten die van de centrale doorvloeit naar de rest van de infrastructuur. In huidig project wordt de kern van het klimaat en energie probleem, opslag van energie en CO2, tegen elkaar uitgespeeld. Daar ligt dan ook de basis voor de transitie naar een zero emissie economie. Door meervoudige hefbomen te realiseren voor biobrandstoffen, afvang, zonnecollectoren, windmolens, etc, blijft er nog maar een kleine stap over naar een samenleving zonder fossiele brandstoffen. AGE Tech functioneert voorlopig als spil tussen windparken, fossiele centrales, industrie, CO2 afvang en het hoogspanningsnet waarbij vraag en aanbod effectief op elkaar afgestemd worden. Het is het enig denkbare concept dat uit zichzelf overvloeit in een spil tussen voornamelijk duurzame opwekkingsmethoden, vervoer, gebouwen en het net wanneer de fossiele verbranding een kleinere rol gaat spelen. AGE Tech© investeert namelijk in opslag van hoogwaardige energie die niet noodzakelijk fossiel aangeleverd wordt en produceert: piek leveringsgarantie, buffering grote windparken, optimaal draaien van bestaande centrales, zero emissie verbranding, koude voor grote koel en vries pakhuizen, gedistilleerd water, onttrekking broeikasgassen, levering industriële gassen, grootschalige vloeibare CO2 afvang met eor, hoge veiligheid, transitie naar schoon vervoer en schone gebouwen. Het is ook het enig denkbare opslag concept dat overal en modulair gebouwd kan worden. Het voedt een gesloten macro economisch circuit waarin alles wat uit de grond en lucht komt duurzaam gebruikt wordt en/of weer terug gaat naar plaats van herkomst. Het activeert een expanderende spiraal richting fossiele onafhankelijkheid en zuivere lucht volgens de “cradle to cradle” of “Poseidon” filosofie.
Werking
Het werkingsprincipe berust op grote compressoren die tijdens de daluren vloeibare
zuurstof en stikstof maken met gedifferentieerde opslag van warmte en koude. Overdag
wordt de vloeistof verdampt en geëxpandeerd via de warmte-
Afgescheiden zuurstof wordt met aardgas of steenkool tijdens de piekuren verbrand met 100% vloeibare CO2 afvang wat naast vermijding ook nog een goede verkoopprijs oplevert. Hierdoor gaan bestaande centrales in de piekuren efficiënter draaien en vermijden we nog meer emissie. Compressoren en stikstof expansie circuits met temperatuurverschillen van ca. 300 graden regelen de fluctuaties in vraag en aanbod nauwkeurig door in enkele seconden te starten of te stoppen. Grote windparken worden effectief benut door leveringsgarantie uit opslag en zonder risico van overbelasting van het net bij hoog aanbod. Omdat het proces allerlei soorten gassen als bijproduct heeft kunnen gasfabrieken op dit systeem overgaan waardoor de energievraag verder afneemt en nog meer uitstoot vermeden wordt. De buffer garandeert iedere dag piekstroom, warmte, vloeibaar CO2 en andere industriële gassen. Als het niet waait kopen we ‘s nachts goedkope fossiele dalstroom in. Omdat vloeibare lucht ijskoud is kunnen we niet alleen restwarmte van compressie of verbranding benutten maar ook koude leveren waardoor efficiëntie en vermijding verder stijgen. Naar mate er meer piekenergie op deze manier overgeheveld wordt, is er dus exponentieel minder verbranding nodig. Naarmate er meer zuurstof geproduceerd wordt, zullen meer fossiele brandstoffen in vloeibaar CO2 omgezet worden en stijgt de pieklevering. Naarmate de wind en buffercapaciteit groter worden kunnen we langer windstiltes overbruggen totdat alle fossiele verbranding op deze manier gaat en Nederland volledig op zero emissie elektriciteit draait.
Vooronderzoek
Er is vooronderzoek gedaan voornamelijk door de Bright-
Raakvlaken andere industrieën
Voor raakpunten denken we aan de gas industrie vanwege de grote hoeveelheden vloeibare N2, O2, Ar, CO2, etc. Ook LNG expansie in combinatie met cryogene O2 scheiding en zero emissie verbranding is een ideale combinatie, net als steenkool centrales en grootschalige windparken. De grootschalige LN2 productie blaast schoon leven in de auto industrie. Enkele opinies uit de industrie:
- Ing. A. Wiltenburg: Air Liquide is op dit moment nog niet ver genoeg met de berekeningen om AGE Tech volledig op waarde te schatten maar vanwege de mogelijke nieuwe markten volgen we de ontwikkelingen actief.
- Ir. M. v. Gestel: De mogelijkheden van AGE Tech worden met grote belangstelling gevolgd door Linde Gas.
Raakvlakken andere markten en transitiepaden
Biobrandstoffen hebben als nadeel dat er niet genoeg van kunnen worden geproduceerd en tevens dat hooguit 30% effectief in nuttige arbeid omgezet kan worden. Beide problemen worden door cryogene opslag verholpen. Het rendement van biobrandstoffen in voertuigen gaat in combinatie met LN2 naar 75% en overbrengverliezen worden door elektrische aandrijving met 35% verminderd. Steenkool is zeker en goedkoop maar heeft als nadeel dat er veel uitstoot ontstaat. AGE Tech lost niet alleen het uitstoot probleem op maar haalt er nog extra producten en geld uit. Windenergie is gewild maar onhanteerbaar; AGE opslag is ook daarvoor het aangewezen antwoord. Vanwege eor zal er een extra oliemarkt ontwikkelen en vanwege de goede verwerking van steenkool zal ook die industrie zich kunnen ontplooien, net als de industriële gassen.
Beschikbare literatuur en patenten
- De eerste patenten die op AGE Tech verleend zijn dateren van 3 jaar terug en zijn reeds gepubliceerd; de internationale aanvragen zullen in 2008 gepubliceerd worden.
- Procesbeschrijving van AGE Technology door Engas Engineers, 21-
9- 2007, is op aanvraag beschikbaar. - TNO rapport #034.78817 zal naar alle waarschijnlijkheid in 2008 gepubliceerd worden.
Toekomst verwachting
Indien succesvol, met slechts enkele kinderziektes die te overkomen zijn, kunnen we 6.000MW fossiel baseload verdeeld over Nederland op CO2 afvoer aansluiten. Dan kunnen we (offshore) windparken tot 6000MW bouwen en die met AGE Tech bufferen tot totaal 12.000MW vermogen. Dan hebben we een gegarandeerd zero emissie piekvermogen van 12.000MW en bij gunstige wind komt daar dan 6000Mw bij. Zo is altijd alle wind en nachtstroom met minstens 50% efficiëntie te benutten tijdens de piekuren terwijl de andere 50% dalenergie voor CO2 afvang en andere producten gebruikt wordt. Hierdoor valt het totale energie verbruik t.o.v. gescheiden productie erg gunstig, vooral ook omdat maar weinig warmte gedumpt wordt. De investeringen liggen zeker 10% hoger dan huidige CO2 plannen maar in tegenstelling tot die alternatieven halveert AGE Tech de fossiele inkopen, vangt het zijn gehele levensduur 100% CO2 af en verdubbelen de inkomsten door extra verkopen. De modulaire en decentrale plaatsing en het nachtelijk energie transport over reeds geïnstalleerde kabels vergemakkelijken investeringen. De infrastructuur hoeft nauwelijks aangepast te worden want het vloeibare CO2 wordt op 45 bar en omgevingstemperatuur naar de dichtstbijzijnde haven gepompt waar het per schip/pijp verder vervoerd kan worden naar de olie bronnen. De AGE centrales moeten zich terug verdienen door het verschil tussen dag en nacht prijzen, de O2 en N2 verkopen, door de warmte, koude en industriële gassen verkopen en door emissierechten uit te sparen. Onze fossiele afhankelijkheid komt op de helft van het huidige niveau door wind en nachtstroom benutting, door warmte en koude benutting en door industriële efficiëntie zodat we nauwelijks emissierechten betalen, onze fossiele inkoopkosten halveren en inkomsten van geleverde producten en nieuwe technologie vergroten. Vanwege de grote hoeveelheid cryogene gassen die moeten opwarmen om elektriciteit te leveren, dumpen we veel minder restwarmte wat zich uiteraard vertaalt in hoger rendement. Bij lange windstilte moeten oude centrales opgestart worden of moet ‘s nachts in het buitenland goedkope stroom ingekocht worden maar we kunnen ook steeds grotere buffers bouwen.
Omdat LN2 in grote hoeveelheden geproduceerd wordt kunnen onze auto’s daar goedkoop
op rijden. Stikstof expansie naar omgevingstemperaturen levert niet zo veel vermogen
op maar als een kleine biodiesel motor rest warmte levert aan de expanderende N2
komt het rendement van de brandstof 3x zo hoog te liggen waardoor onze brandstof
afhankelijkheid ook exponentieel daalt. Bovenstaande opslag capaciteit kan zonder
de elektriciteitslevering in gevaar te brengen 3-
Concurrerende ontwikkelingen
Alternatieve afvang met membramen of scrubbing zijn concurrerend indien enkel naar de investering gekeken wordt maar die technieken zullen veel moeite hebben om dalstroom te gebruiken voor afvang en opslag. Omdat ze naast het gebruik van dure piekstroom ook grote hoeveelheden warmte dumpen of verbruiken, is het fysiek onmogelijk dat ze een hogere energie efficiëntie behalen. Daarnaast is investering in die technieken is een regelrechte ramp omdat ze hooguit 80% afvangen en ons gegarandeerd voor de komenden 40 jaar opschepen met 20% CO2 uitstoot. Die investering kost levenslang emissierechten terwijl AGE Tech levenslang inkomsten blijft genereren door vloeibaar CO2 als drijfgas te verkopen aan de olie industrie. Pumped storage doet niets aan afvang, warmte benutting, industriële gassen, etc. De Norned kabel heeft vergelijkbare kosten en elektrisch rendement maar ook geen afvang. Geen enkele andere technologie kan ons zero emissie, energie efficiëntie en opslag leveren met acceptabele terugverdientijd. Concurrentie van brandstof cellen is niet waarschijnlijk omdat ze geen capaciteit leveren. Het hoogspanningsnet is ook duur en levert geen garantie. CAES is afhankelijk van de olieprijs, levert geen bijproducten en stoot zelfs CO2 uit. ZEPP en Vattenfall komen in de buurt vanwege hun 100% afvang maar beiden verliezen veel warmte bij O2 productie en CO2 compressie. Daarnaast gebruiken beiden piekenergie om CO2 af te vangen en kunnen ze slechts relatief kleine hoeveelheden dalenergie benutten.
Bijdrage duurzame industrie
De werkgelegenheid is met deze techniek niet enkel gegarandeerd voor de komende 30
jaar maar is een probleem vanwege het geringe aanbod van goed personeel. We zullen
arbeidskrachten moeten importeren en techniek moeten exporteren. Inkomsten uit patenten
zullen de economie stimuleren en we moeten voorzichtig zijn niet oververhit te raken,
maar aan andere kant is een versnelling richting zero emissie ook erg gewenst. Een
nieuwe industrie die grote compressoren en expansie machines fabriceert zal in het
leven geroepen worden omdat er nu een chronisch tekort aan is. Zowel vervoer, bouw,
kolen, olie, stroom, off-
Tijdlijn.
In het eerste kwartaal van 2008 kan voorbereidend onderzoek gedaan worden en in het 2de kwartaal kan b.v. op een locatie van Essent een klein proefstation gebouwd worden. Waarschijnlijk is een oude kolen centrale de aangewezen gelegenheid om het proof of principle te demonstreren. Ook kan al begonnen worden aan de engineering om in 2010 de eerste AGE centrale op de maasvlakte te laten draaien omdat de steenkool reinigingsprocessen komen te vervallen en luchtsplitsing een bekende techniek is.
AGE Economie
Omdat gedurende de piekuren 50% van de nacht stroom terug geleverd wordt zal een
kolen centrale altijd een minimum van 140% winst boeken op zijn dalstroom. De inkoop
van dalopwekking; 30,-
Financial assumptions for coal fired plant with AGE Tech;
No revenue is calculated for guaranteed AGE power storage/delivery on demand.
Revenues from sales of LN2 and LO2 are not included even though they’re mass produced
off-
Electrical losses, avoided by fossil off-
The cleaning and drying of air and cheap cold delivery are not included.
Off peak power is bought intramural for 15/mw due to wind and fossil overcapacity.
Oil price and extern costs and benefits are left out (to the disadvantage of AGE Tech).
Government grants, guarantees and depreciation are not calculated.
Liquid CO2: 15,-
Coal: ca.30,-
Gas : ca. 45,-
Elec piek: 85,-
AGE: Air separation: 1,6 mlj/Mw
Storage: 0,17 mlj/Mw
-
Construction: 1,7 mlj/Mw Comp. = 3,4mlj/Mw Exp.
Construction (50 Mw peak)
COAL + POST COMB COAL + AGE TECH
Plant (62Mw) 70mlj. (25Mw) 25 mlj.
CO2 Capture (-
____________________________________________________________________________
Construction costs (50Mw): 95mlj. 110 mlj.
Revenue in 24h. (12/12)
Day: 12u.x 50 Mw x 85,-
Night: 12u x 20Mw x 20,-
TOTAL elec: 56.000 51.000
CO2 transport: -
Ar: (4,5 ton 2/3 x 12u x 150,-
Emission rights: -
__________________________________________________________________________
Daily revenue: 54.000 66.000
25mw x 12u x 30,-
Fossil costs: -
Overhead : -
Extra onderhoud: -
________________________________________________________________
Daily result: 18.000 37.000
Make Break: 16 jr. 9 jr.
Evaluation of AGE Tech by Engas Engineers
AGE Tech is a promising technology combining:
- Production of peak power from liquid nitrogen and oxygen along with peak power from
co-
produced and stored heat. - Supply of gaseous Oxygen to (a) high efficiency oxyfuel power station(s) (OPS).
- Liquefaction, separation, transport and storage of CO2 from flue gases of OPS and recycling of gaseous CO2 and O2 to OPS.
AGE Tech is based on this unique combination and on improving state of art cryogenic air separation units, resulting in great energy savings.
Energy savings are compared to the standard state of the art technologies, being:
- Storing electric energy in water storages in mountain based or artificial lakes.
- Supply of gaseous Oxygen from pipe line fed by a state of the art cryogenic ASU.
- Removal of CO2 from flue gases or fuels by MEA, DEA or f.e. steam reforming.
Storage of electric energy
Storage of electric energy at large quantities is difficult and variable production is expensive and not always possible. Contemporary technology is pumped water storage like in Norway or using artificial lakes like Lievense with return rates of 70%.
O2 production
Oxygen production in large quantities is usually done in cryogenic air separation
plants (ASU), usually by a modern variation of the Linde process. It consists of
(isotherm) compression with waste heat dumping, cooling through heat-
CO2 separation and liquefaction from flue gases
CO2 capture can be accomplished by various means (MEA, DEA or PSA, Molecular sieve)
or pre-
AGE Tech Off peak (Air liquefaction)
AGE Tech off peak is based on the modern ASU
combined with storage for recovery of power during peak demand. (fig 2)
Differences and new technology:
-
-
-
-
-
-
AGE Tech Power Storage
Storage is done by heat and cold; peak electricity is later
delivered by expansion of Steam, O2, N2, Eth, NH3 and oxyfuel combustion.
Heat storage.
Heat is stored at high temperatures (500 C). Medium is high pressure water or thermal oil (vat A)
Heat is stored at middle temperatures (95 C) in water at 1 bar (vat B)
Water is stored during peak hours at low temperatures (15 C) in water (vat C)
During off peak hours compression heat is stored in A and B while C is emptied. Right behind the compressor air is hottest and gets cooled by water from B which heats up and is stored at 500C in A. Air cools down to 140C, gets cooled by water from C which is stored in B at 95C. The air cools down to 15C before it enters the freezing cycle.
LN2 Storage
LN2 is basically a fortunate by-
NH3 Storage
NH3 is a closed circuit and stores energy by difference of phase and temperature. During off peak it’s heated while cooling compressed air and during peak it expands, delivers power and is condensed by O2 and N2 which need heating before they can expand.
Ethane Storage
Ethane is a closed circuit and stores energy by difference of phase and temperature. During off peak it’s heated while cooling compressed air and during peak it expands, delivers power and is condensed by O2 and N2 which need heating before they can expand. It operates at lower temperatures than NH3.
AGE Tech peak (power production)
During Peak stored heat is converted to power by a steam circuit, Ethane, NH3. N2
and O2 are vaporized and expanded and cool down the storages. From HT Storage to
MT Storage: The 500C water is pumped from HT to MT Storage. Cooling is done in 3
steam boilers at 120 bar, 50 bar and 2 bar until the water is 140C. Then it’s cooled
to 95C by heating the feed water of the boilers from 60 C to 120 C. From MT Storage
to LT Storage: The hot water (95 C) is then pumped from MT to LT and cools further
by heating of the 30C boiler feed water to 60C, by heating ethane and NH3 from -
AGE Tech in a coal fired plant:
AGE Tech is based on oxyfuel which eliminates nitrogen from the combustion processes. Replacing N2 by CO2 in the coal fired plant processes means that 90% of the denox capacity is not needed and 90% less ammonia is used. Because AGE Tech captures all the CO2, mainly to be injected in oil fields along with most contaminants, large exhaust cleaning machinery becomes unnecessary. Even the chimney is left out and because a coal plant produces relatively great amounts of CO2 it saves double emission rights and earns double CO2 sales per MWe. When the price of liquid CO2 comes down to transport costs (oil companies pick it up for free), big companies must have employed this technology and they will only do so if profitable. Until that time the first plants benefit from high market prices which will start lowering due to surplus, which in turn increases demand somewhat.
Financial leverage of AGE Tech:
AGE Tech adds peak power while capturing CO2 whereas other techniques use peak power.
Off-
Waste products generate additional income instead of liabilities.
Generated cold for energy storage is additionally used for liquefaction of CO2.
Heat losses are minimised by using waste heat to warm up cryogenic gasses before expansion.
Emission rights are saved due to 100% capture.
Research costs are low as all individual hardware already exists.
7-
Daytrading increases profitability due to guaranteed power storage/delivery on demand.
Compressor and expander on the same shaft eliminate electrical losses at night.
High temperatures increase efficiency.
No construction nor energy needed for cleaning fumes, no chimney, little ammonia, etc.
Combustion kettle half size for same output.
Long term reliable zero emission energy supply and prices, facilitating large scale decentral sustainable power without great environmental risks and high extern costs.
Status
The AGE concept is plotted in an energy balance and further detailed configuration is needed, especially the steam circuit and heat exchangers as well as exergy balances and expected leverage caused by real market conditions and prices. Engineering an optimally integrated system at correct temperatures, pressures and market prices, might prove to be a source of greater efficiencies and even higher yields. Even though existing studies and even an evaluation by TNO indicate the possibility of above findings, more studies concerning isentropic efficiencies of future machines are needed before a FEED study and true economic feasibility can be embarked upon.
Conclusion
AGE Tech stores electrical energy and may return 46% tot 52% during peak hours. Great
inroads in infrastructure are avoided as storage can be realised in decentralised
facilities. Expensive electrical and CO2 transports are not needed, nor huge dams,
nor artificial sea lakes. Only existing equipment and machines are used which minimises
time consuming trials and risks. The combination of effective sustainable energy
handling, peak leverage, effective CO2 capture and handling as well as the possibility
to produce cold, heat, industrial gasses and solids, eor, clean coal-