直接空气捕获ENCORE项目最终报告.pdf-solarbe文库

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直接空气捕获最终报告 ENCORE项项目安安可可项项目目（（增增量量二二氧氧化化碳碳REmoval））是是我我们们广广泛泛、、低低成成本本的的大大气气二二氧氧化化碳碳去去除除目目标标中中令令人人兴兴奋奋的的一一步步，，并并与劳劳斯斯莱莱斯斯集集团团领领导导向向净净零零过过渡渡的的立立场场一一致致。。安安可可是是BEIS资资助助的的技技术术演演示示，，它它将将证证明明由由联联邦邦科科学学和和工工业业研研究究组织织（（CSIRO））开开发发的的直直接接空空气气捕捕获获（（DAC））系系统统技技术术的的关关键键方方面面，，并并为为劳劳斯斯莱莱斯斯开开发发的的最最终终工工程程产产品品，，如如果进进展展，，可可能能在在这这十十年年推推出出。。该该系系统统采采用用低低再再生生温温度度、、高高耐耐用用和和无无毒毒的的吸吸收收液液体体技技术术，，加加上上工工程程设设计计专专业业知识识，，提提供供高高效效和和灵灵活活的的产产品品和和低低成成本本的的二二氧氧化化碳碳捕捕获获。英国领先的全球工业技术公司劳斯莱斯和澳大利亚国家科学机构CSIRO的合作，汇集了开发和生产具有竞争力的DAC系统所需的卓越创新和工程。本文件是我们开发和设计一个技术演示器的初步工作的总结，该工作将在未来两到三年内建造和测试；以及我们在演示器完成后推进DAC业务的战略。支支撑撑科科学学与与工工程 TRL4起起点安可项目的起点是由CSIRO生产的直接空气捕获解决方案，目前在澳大利亚的实验室规模上运行。该设备已用于测试从环境空气中捕获二氧化碳的基于氨基酸盐的最佳吸收液体配方。该装置由吸收器和解吸器单元组成，它们使用这种吸收液体技术捕获二氧化碳。 CSIRO技术是基于已经商业化的吸收液体技术从烟气中捕获二氧化碳。利用这一经验，并以劳斯莱斯作为工业合作伙伴，我们现在将开发和扩大空气捕获应用的解决方案。 CSIRO吸收液体技术具有以下关键特点和优点，使其与其他DAC解决方案具有高度的竞争力较低的再生温度，允许系统在良好的条件下运行，并通过与余热源集成的机会来实现额外的节能。这也使操作在已建立的热泵技术的范围范围内。无毒，能安全运行，环境影响风险低。与二氧化碳与碱金属氢氧化物系统的反应动力学相当，这意味着吸收器的尺寸和因此吸收器的资本支出将与现有的液体系统相似，而且由于单级再生步骤，系统的整体成本可能会更低。液基吸收剂，可连续运行。该吸收剂的降解率比传统的胺要低得多，这意味着吸附剂成本对总体水平捕获成本和嵌入式二氧化碳的贡献很小。比传统的液基系统降低了失水率，显著减少了对资源的影响。从这个起点，目标是将这项技术成熟为一个完整的DAC产品，可用于从空气中捕获二氧化碳，成本不到100英镑。图1CSIRO TRL4 DAC系统开发显示了吸收液体降解与传统MEA（顶部）和不同类型的吸收剂（底部）的比较吸收吸收增加吸收剂寿命是该DAC系统开发的一个关键工作领域，也将是第二阶段演示器中的一个关键验证项目。另一个重要的工作流程是研究在工厂运行时可以采取的步骤在工厂中去除降解的吸收剂；最后审查工艺，尽可能多地回收使用的吸收剂。在化学工程的其他领域，安全大规模处置类似材料也有先例。将进行维护活动，以防止不必要的浪费，然后优先进行清洁、翻新和再使用。更一般地说，其目的是设计高水平的可回收性，并尽可能采购回收材料。环境影响环境影响吸收性排放吸收性排放选择的吸收性材料不仅能使工厂在良性、低温和接近环境压力条件下运行，而且本身是一种低毒性化学物质，对工厂操作人员和周围环境构成最小的风险。现有的DEFRA标准正在被用来判断工厂的排放量，但目前还没有发现任何问题。水水水被认为是未来的关键资源。该技术开发的一个关键部分是针对零失水液体DAC系统，从而克服了其他液体DAC系统的一个关键困难，预计每吨二氧化碳将损失3-6 m3的水。第二阶段后的计划和商业计划第二阶段后的计划和商业计划产品产品为了开发一个可以以最最有效的方式使用来消除最终产品的关键元素的风险的演示器，首先开发一个产品概念是很重要的。在项目开始时，进行了一次概念生成练习，包括功能手段评估和随后的概念向下选择。在向下选择解决方案时，使用高级需求作为标准，我们发现首选是使用经过验证的低成本技术，这使一个廉价、更长寿命的系统。我们的目标是一个模块化系统设计，因为劳斯莱斯小型模块化反应堆项目的经验使我们得出结论，这将具有最低的施工成本，并实现高可靠性的施工时间尺度，以及通过大规模生产降低成本的好处。所有这些因素对竞争竞争力的二氧化碳捕获成本至关重要。图2生产DAC系统的首选概念我们还进行了重要的设计思考，以确保该产品能够为普通公众所接受，并理解我们如何整合未来的技术。这些都是产品的重要因素，将作为产品开发计划的一部分进行全面开发，独立于BEIS工作。这一练习极大地影响了我们的概念设计工作，也促使了对该系统的其他次要好处的调查，如空气污染物去除。理解规模和成本概况的方法是使用来自现有类似系统的数据，并读取最佳系统规模的估计值，以建立最佳产品规模，然后确定合适的演示器规模。在产品生命周期的后期阶段，通过本项目的第1阶段和第2阶段创建和验证的模型将被细化，以建立生产系统的模型，并将对优化规模进行更详细的分析。BEIS 的目标示范者规模为100吨二氧化碳/年，我们相信我们能够在指定的时间和预算内达到或超过这一目标。产品开发产品开发发展计划发展计划该计划从BEIS GGR竞争的第一阶段的当前活动开始，其中研究了来自CSIRO的TRL4技术概念，并设计了一个试点工厂演示器。如果融资竞标成功，BEIS温室气体去除竞赛的第二阶段将于2022年启动，并将促进示范者的采购、组装和运营，验证该概念背后的科学和经济可行性。来自该活动的数据将验证在第一阶段中执行的建模练习，并形成产品开发活动的基础。在第二阶段之后，将进行一次封闭式审查，以评估TRL6技术的商业可行性。如果通过了这个门，该项目将进入第三阶段。每个后续阶段也将接受一个门控审批程序。在第三阶段，将启动一个详细的产品工程设计活动。接收验证数据，并执行设计迭代，以优化系统效率、成本、可制造性和供应链开发。这项工作的质量依赖于验证TRL6的基础技术，以及从演示者那里获得的技术学习。第一代原型机将在功能上代表预期的最终产品，但它将使用低批量生产技术和非成本优化的子系统。在第四阶段，我们将对我们的第一个标准原型进行验证和验证测试，以及基于子系统设备的加速寿命测试程序进行测试。从第二阶段演示的将任何实验室实验扩大到更大规模的知识将对这项工作和使快速发展至关重要。在实验室测试和现场试验之后，我们希望生成重要的性能数据、操作经验以及对耐久性和在使用支持的洞察，这些数据将反馈给设计流，以告知主要的设计迭代。在第五阶段，在一个成功的测试计划以确认性能和耐久性之后，我们预计将进入低速率生产。从加速实验室测试中进一步学习，已部署的演示工厂的运营和制造和组装经验将继续为设计工作流程提供信息，在此期间有机会在第6阶段全面工业化之前的主要设计迭代中进一步优化DAC工厂设计。降低成本降低成本我们降低成本的方法是通过对关键组件的定制产品设计、高水平的物理和热系统集成以及制造规模来提高效率所驱动的。已经尝试估计演示器的二氧化碳捕获的均衡成本，使其可与生产系统的建模或估计相媲美，其方法将在本节中概述。我们的演示成本估计最初计算为原型系统的缩小版本。实际计算的演示成本包括核心系统的所有硬件，包括控制系统硬件，但只考虑一些仪表成本，因为大多数仪表具有主要的验证功能，而不是系统性能功能。通往商业化的途径通往商业化的途径我们开发了一个概念性的业务案例来指导预期，并告知有关产品性能、定价和其他考虑事项的信息。这是基于一系列的假设，这些假设将在项目的生命周期中明显地发展。考虑到大规模运营的预期需求，每年产量达到数万美元，资本支出可能很大，单位成本至关重要。然而，由于初始技术投资较低、逐步增加资本支出的能力和成交量的机会，初始投资的回报有潜力具有吸引力。我们目前的模型假设在技术和产品开发方面进行阶段性投资，最初由BEIS资助约300万英镑。如果这个演示的结果是成功，它之后将是一个积极的产品开发和工业化阶段，这发挥了劳斯莱斯的优势。主要依赖关系主要依赖关系i. 我们假设将会有一个市场和可行的碳捕获政策框架 ii. 我们预计DAC将是一种“和”，与其他碳减排方法并行部署我们对市场的看法是基于DAC与造林、BECCS和点源碳捕获的共存。iii. 将实施约100英镑/吨二氧化碳的碳价（使用或储存），以使该技术在经济上可行iv. 我们并不认为碳储存会限制DAC的发展。基于第三方的工作，我们相信将有足够的能力以可接受的成本存储和/或使用捕获的碳。v. 该行业的发展将以低碳能源的供应为节奏。我们选择了一个低温系统来最大限度地提高效率和一个架构，允许全电力应用来最大限度地提高潜在的场地灵活性。vi. 我们希望能够找到合作伙伴来填补能力缺口。我们可能需要合作伙伴帮助我们填写价值链。第二阶段规划第二阶段规划试验基地试验基地该演示机将在劳斯莱斯德比基地进行建造和测试。这使得（U.K.-based）团队的大多数成员都很容易进入工厂，不需要使用公共土地所需要的同意，也不需要许可证，因为活动包括场地许可证。它的另一个好处是拥有许多容纳复杂和大型钻机所需的设施，如水、使用起重设备、排水系统和医疗设施。劳斯莱斯测试设施团队一直负责协助捕获演示者的现场需求，并评估潜在的测试床。该团队已经生成并审查了测试位置的详细要求。在劳斯莱斯德比的一个测试台的占地范围内，计划建立演示机是非常可行的，图3所示。图3劳斯莱斯试验台52，演示机测试位置演示者的交付和测试计划演示者的交付和测试计划这个高水平的计划将包括一年的现场准备和建设，以及一年的测试工作。关键风险关键风险在第一阶段，风险登记被用于处理项目、业务和客户相关的风险。这些工作必须在短期项目活动或长期计划中进行管理；或在短期研究中或作为结构性验证计划的一部分，通知技术工作项目，以确保随着项目的进展而实现技术风险的最低水平。定期进行风险审查，以更新新的或关闭的风险，并评估缓解行动的进展。该登记册将结转到第二阶段，并在整个期间通过定期风险审查保持。技术风险将主要作为验证和验证策略的一部分进行管理，通过风险登记册和功能失效模式和效果分析（FFMEA）的结合来捕获。其他风险将随着项目的进展进行管理，并定期保存文件并进行审查，以确保尽可能关闭行动。社会价值与影响社会价值与影响直接空气捕获系统商业化显然有全球和国家的长期好处，最明显的是对气候变化的重大影响和限制全球气温上升的能力。此外，还有可能创造广泛的经济价值，创造显著的区域就业机会，以及利用庞大出口市场的能力。考虑到这一点，还应该在产品的整个生命周期中明确关注环境的可持续性和社会影响。尽管在DAC系统开发的早期阶段，这种影响将要小得多，但安可项目仍有机会在社会价值方面产生重大的影响。其中一个关键部分将是与劳斯莱斯外联团队合作，开发直接空气捕捉材料。该团队此前曾围绕ACCEL（全电动飞行演示机）等项目开展过成功的外联活动。我们渴望与BEIS合作，在负排放技术领域制定协调的公共教育战略，这将促进该行业的发展。我们的团队在社区推广方面经验丰富，尤其是在布里斯托尔和德比地区的当地学校参与STEM活动方面。环境方面积极的项目也往往比其他工程领域吸引更多的多样性。我们已经在中央技术和战略部门招募了工程师，负责直接空气捕获工作，参与这个项目，我们将进一步的计划招聘视为增加工程和技术多样性的机会。这项工作也是一个机会，将公司内部的工程技能用于更环境可持续的技术。以及技能，使用现有的测试床基础设施今天低利用率在劳斯莱斯德比网站是一个机会继续重新利用这个基础设施开发新技术在中部地区，并继续开发和增长这种能力符合英国政府的升级议程。最后，在第一阶段供应链活动期间，我们尽可能与英国供应商合作，并有可能采购英国供应链中的大部分组件，确保政府收到的项目资金用于支持当地经济。演示器的详细设计演示器的详细设计系统工程方面的开发方法系统工程方面的开发方法劳斯莱斯采用了系统工程方法（如图4所示），从生产系统的一组关键需求开始，这些需求是利用我们现有的应用知识（以及潜在客户）、环境法规以及CSIRO的专业知识捕获的。建立了功能流程图和边界图，以确保了解系统的范围和关键功能。这有助于确认团队对整个系统有良好的技术洞察力，并使DAC概念的生产版本以及演示器设计的功能方法成为可能。这种功能视图支持功能手段评估，它帮助概念生成和随后的首选概念的向下选择，以及FFMEA，它作为验证策略需求的关键来源。然后采用结构化验证方法，以便为演示器建立一套健壮的需求，这将最有效地针对关键验证项目，并使最佳路线图从演示器快速移动到产品。验证活动属于标准类别分析、实验室/钻机试验、试验装置试验、检验、原型。图4系统工程方法概述表1来自验证活动的试验工厂要求示例VI 代码活动标题来源试点要求 P1 二氧化碳捕获性能要求BEIS最小规格为100tCO2e/年测量进出口空气二氧化碳ppm，二氧化碳生产流量，能源使用 P5 吸收剂取样风险登记册吸附剂降解产品管理吸收剂取样和化学分析能力 P10 大气品位技术会议消除人类健康污染物的机会进出口空气的取样与分析 P14安全关闭FFMEA蓄热器过压测量再生器压力，由输入触发的自动停机顺序 P16水分流失风险登记水损失成本增加环境湿度测量、吸湿性溶液浓度、容器液位指标、分离罐水采样然后，对演示者的要求由所有需要通过试点系统进行验证的活动组成，而不能通过分析或实验室测试进行验证。表1说明了一些试点工厂需求的例子，这些需求来自于向下选定的演示列表中所包含的验证活动。这项工作也构成了测试计划的技术基础，该计划作为第二阶段项目计划的一部分进行了进一步讨论。系统模型系统模型通知设计工作通知设计工作然后使用功能流程图创建了一个系统模型，以提供基本的体系结构。该模型的目的首先是根据组件的规格来告知演示器的设计，其次是计算系统的预期性能。模型中的计算使我们能够预测系统的最终碳强度，从而预测二氧化碳的水平成本。在演示计划期间，该模型将被验证并发展，成为未来产品系统模型的基础。整个系统模型中使用了两个子系统模型吸收器和解吸器子系统，其中包含来自CSIRO TRL4实验室钻机的理解和一些参数数据，包括吸收剂行为的分类。此外，该模型需要访问系统中使用的单个组件或材料的成本和碳数据。能源和二氧化碳性能能源和二氧化碳性能该系统模型还提供了关于能量和净二氧化碳捕获的预期系统性能的计算。对于最终的产品，通过设计优化和集成，我们相信我们可以开发出一个需要少于1MWh/吨二氧化碳的系统。最小可行产品系统的总除碳效率估计为每工厂总捕获能力的净去除率为0.8 tCO2e/tCO2e。这意味着，在考虑了整个供应链的每吨二氧化碳后，从空气中捕获，大气温室气体浓度就会降低800公斤。这就考虑到了系统对生命周期的影响。当完全优化时，强度可以高于0.9 tCO2e/tCO2e去除。对生命周期二氧化碳去除的评估已符合英国政府排放报告指南。监测减排的方法最初将旨在符合政府间气候变化专门委员会的指导方针，但是，如果英国为DAC建立具体的监测、报告和验证指导方针，则可能还需要改进。随着我们的产品系统概念和设计的发展，系统的整个生命周期温室气体去除，以及其他生命周期材料的影响，以及二氧化碳捕获成本，将继续被监测。个别终端用途将有具体的监测、报告和验证（MRV）要求，这些要求将在方案的后期阶段与特定的合作伙伴和客户一起进行探讨。示范工厂设计示范工厂设计材料清单材料清单采购硬件的方法一直是在可能的情况下使用商业-非直升机（COTS）组件，因为这是实现演示器验证目标的最低成本和最快的方法。随后的产品设计将由这些系统的理解驱动，并考虑如何降低成本和优化关键系统组件的性能，通过验证的系统模型显示驱动这一点。对于生产系统，设想定制设计和制造关键部件。使用COTS组件的备用选项是劳斯莱斯快速制造设施，它能够快速复制系统所需的大部分组件，因此，如果任何组件不能按时提供，这可以提供风险缓解，并且不能快速建立备用供应商。我们负责安装的制造服务团队也将能够对管道进行修改，或制造定制的管道部分，这将确保演示组件的顺利集成。对于系统内的大多数COTS组件，我们已经收到了来自三个独立供应商的报价，以确保一个具有代表性的成本估算。所选择的供应商主要是通过最短的交货时间来选择的，但也考虑了组件成本。除吸收器供应商外，所有的组件供应商都是总部设在英国的，因为缺乏合适的供应商，而这些总部设在英国。仪表和控制仪表和控制除了工厂的硬件之外，还需要重要的仪器仪表和控制硬件，以满足演示器的要求，以及工厂的安全和高效的运行。DAC仪表和控制概念设计是基于测量和控制的要求。提出的解决方案已进一步细化深入研究提出的功能流程和预期操作；类似于TRL4 DAC和燃烧后捕获应用；以及对进化的子系统和组件选择的理解。仪器和控制解决方案的开发是为了促进自动化但安全的连续运行，同时产生测量证据，以评估和理解工厂性能的有效性。与此同时，制定了解决方案，允许在试点规模的准备下操作所需的灵活性，同时开发具有竞争力的商业设备。对DAC功能流程进行了逐行审查，以确定整个拟议工厂的高层（非实施特定）控制范围。除了考虑设备控制以达到和保持稳定运行的状态外，还定义了启动和停机顺序。验证要求决定了在演示系统中需要测量的项目清单。一种功能手段评估被用来确定一套合适的仪器来满足这些测量要求。厂房布置设计厂房布置设计最后，将供应商的数据结合工艺流程、高层管道和仪表图，生成布局图。然后采用了一种迭代的方法来推进这一设计，主要是基于所提供的测试单元的约束、设备尺寸和其他因素。随着最终尺寸的改进和工艺流程的演变，组件尺寸随着设计迭代而变化。为了进一步改进设计，我们考虑了以下因素i. 设备相对高度，使重力流动和减少能量损失，首选设备在地面。ii. 当使用不同的阀门或设备并在工厂的各个区域之间移动时，便于操作。iii. 确保每个部件都有足够的通道，并确保有足够的空间进出设备。iv. 对工厂的未来修改，如添加额外的组件或功能。v. 人们必须迅速离开试验床的紧急情况。vi. 进行环境保护，以确保任何材料的泄漏得到充分的控制。图5厂房布局设计节约成本和附加值节约成本和附加值资助劳斯莱斯/ CSIRO演示系统允许访问一系列的技能和专业知识在示范设计和构建通过罗莱斯网络，其中包括访问试验台本身，我们不必支付租金，我们可以访问现场支持和专业知识在准备和测试设置。此外，我们还可以访问软件和工具，如用于模拟通过试验台的气流的计算流体动力学软件，以及将用于安装的工具。CSIRO在烟气碳捕获装置商业化方面具有丰富的经验，以及在直接空气捕获方面的全球监管专业知识，这些知识可用于商业化的目的。最后，这项工作可以促进更广泛的英国-澳大利亚清洁增长伙伴关系，作为各自部长签署的意向书的一部分。第一阶段项目管理和交付第一阶段项目管理和交付成本和计划成本和计划BEIS 资助的安可项目的第一阶段在交付方面非常成功，按时完成所有里程碑，按时提交最终交付成果，花费计入预算。这突出了拥有由具有按时和按预算提供复杂技术方案的经验的大型工程公司领导的项目的好处之一。积累的经验和经验教训积累的经验和经验教训这个项目是团队的一个极好的机会，以了解更多关于开发一个可行的直接空气捕获系统。关键的教训首先包括，最终产品需要灵活于一系列地理位置以及最终用途应用，因此在产品设计阶段需要详细的客户需求。其次，生命周期二氧化碳可以对系统有效性和均衡成本产生重大影响。最后，尽管团队已经远程非常有效地工作，并利用时差在24小时内完成可交付成果，但我们了解到，面对面的会议对于交流理解和分享想法往往是无价的。结论结论安可项目是开发气候变化解决方案的第一步和令人兴奋的一步，劳斯莱斯和CSIRO很自豪能够共同努力成为这一旅程的一部分。我们的系统显示了能够以低成本、高效和灵活的方式从空中捕获二氧化碳的巨大前景，我们相信在适当的条件下，在这十年将该技术开发成一种可行的产品是非常可以实现的。