CO₂ Capture Cost Reduction: Use of a Multiscale Simulations Strategy for a Multiscale Issue

Réduction du coût du captage de CO₂ : mise en oeuvre d’une stratégie de simulations multi-échelle pour un problème multi-échelles

IFP Energies nouvelles, Rond Point de l’échangeur de Solaize, BP 3, 69360 Solaize - France
e-mail: ludovic.raynal@ifpen.fr - adrien.gomez@ifpen.fr - benjamin.caillat@ifpen.fr - yacine.haroun@ifpen.fr

^* Corresponding author

Abstract

Carbon Capture and Storage (CCS) is one important option for CO₂ mitigation (International Energy Agency, 2009) . Post-combustion capture processes using amines are considered one of the preferred options for CCS. However, the cost of avoided CO₂ is very large and must be reduced. The present article aims to show that combining different simulation tools used on different scales makes possible afine analysis of CO₂ capture costs and the associatedparameters responsible for these costs on different scales. It is first shown, from a macro-scale techno-economic analysis, that investments represent about one half of the total CO₂ cost. Focusing on this cost, a sensitivity analysis, via Aspen calculations performed on a meso-column scale, enables one to identify key mass-transfer parameters that control absorption column design. It is shown that the most important mass-transfer parameter is the interfacial area, the gas and liquid mass transfer coefficients having almost no influence. Finally, from CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations performed both on a large and on a local scale, some insights are given in order to optimize column design, first via the determination of large-scale distributor/packed bed interactions, and second via the determination of local pressure drop or local mass transfer parameters. It is also discussed how simulations should be performed on different scales in a two-way coupling approach in order to ensure fruitful results in the development of new technologies and further in CO₂ capture cost reduction.

Résumé

Le captage et le stockage de CO₂ est un moyen important en vue de la réduction des émissions de CO₂ (International Energy Agency, 2009). Les procédés de captage en post-combustion utilisant des amines sont considérés parmi les options préférées pour le CSC (Captage et Stockage du Carbone). Cependant, le coût du CO₂ évité est très important et doit être réduit. Cet article a pour objectif de montrer que la combinaison de différents outils de simulations réalisées à différentes échelles permet une analyse fine des coûts du CO₂ et des paramètres associés responsables de ces coûts à différentes échelles. Il est tout d’abord mdiitré, à partir d’une analyse technico-économique à l’échelle globale du procédé, que les coûts d’investissements représentent près de la moitié du coût du CO₂ total. En se focalisant sur ce dernier coût, une analyse de sensibilité basée sur des simulations Aspen à l’échelle intermédiaire de l’absorbeur, permet d’identifier les paramètres clés régissant le transfert de matière et le dimensionnement de la colonne. On montre que le paramètre le plus important est l’aire interfaciale, les coefficients de transfert de massé en phase gaz et en phase liquide n’ayant que très peu d’influence. Enfin, des simulations CFD (Computational Fluid Dynamics) réalisées à grande et petite échelles permettent d’orienter l’optimisation du design des colonnes via, d’une part, l’étude de l’interaction entre distributeurs et lit de garnissage, et d’autre part, la détermination à l’échelle locale de la perte de charge ou de paramètres de transfert de masse. Une discussion porte sur l’utilisation couplée, de ces différents moyens de simulations qui permettront à terme d’aller plus loin dans le développement de technologies et la réduction des coûts de captage du CO₂.