Simulering förändrar ekvationen för klimatförändringar

Även en liten ökning av koldioxid bidrar till växthuseffekten, planetens uppvärmning och förändring av jordens vädermönster, detta i sin tur har en stor påverkan på allt det liv som vi känner till.

För att möta kraven från Parisavtalet måste mänskligheten göra mer än att bara sänka eller kompensera för koldioxidutsläpp. Vi måste tänka om och påbörja arbetet med att avlägsna utsläppen som redan finns i atmosfären – och antingen återanvända eller lagra koldioxiden. Det innebär att 0,04 procent är en viktig procentsats på fler än ett sätt.

Det schweiziska företaget Climeworks möter utmaningarna med en lösning där de avlägsnar koldioxid från atmosfären. Företaget har utvecklat en kommersiellt genomförbar teknik – (Direct Air Capture - DAC) – som fångar koldioxid från luften via ett filter. I filtret binds koldioxiden och när filtret är mättat, upphettas det till ca 100°C. Därefter frigörs koldioxid från filtret och samlas upp som koncentrerad koldioxidgas som blandas med vatten i en geotermisk energianläggning som pumpar ner den djupt under jorden. Genom naturliga processer reagerar koldioxiden med det basaltiska berget och förvandlas till sten inom några år.

Genom att avskilja och lagra koldioxid från luften finns förhoppningar om att inspirera en miljard människor till att vidta åtgärder mot klimatförändringarna. Med hjälp av Ansys simuleringsprogramvara har Climeworks, som partner i Ansys Startup Program, ökat filterkapaciteten i sina DAC-anläggningar, effektiviserat anläggningarnas energikonsumtion och minskat risken för mekanisk utmattning och fel under laddningsperioder.

Läs mer om Ansys Startup Program här!

Climeworks mål är att:

● Vända koldioxideffekten i klimatförändringarna genom anläggningar som fångar och lagrar koldioxid (DAC).

● Utveckla effektiva anläggningar för att minska kostnaderna för infångad koldioxid.

● Återanvända infångad koldioxid som råmaterial för förnybart bränsle och material.

● Ta bort koldioxid som service.

Just nu finns det femton Climework DAC-anläggningar i Europa, några som varit kommersiella satsningar och andra för forskning. Flaggskeppsanläggningen i Schweiz kan avskilja och lagra 900 ton koldioxid per år. En anläggning på Island, som beräknas vara i drift under våren 2021, kommer att ha kapacitet att fånga in fyra gånger den mängden. Island är en av flera platser i världen som är idealisk för den här typen av process på grund av dess bergart basalt.

Designa litet och skalbart för banbrytande resultat

Konceptet med att fånga in koldioxid är inte nytt, utan har förekommit sedan 1970-talet. Teknologin bakom metoderna är ännu äldre och går tillbaka hela vägen till 1920-talet då företag som forskade på naturgas började separera koldioxid i sina produktionsflöden.

Det finns tre traditionella sätt att fånga in koldioxid; efter förbränning, före förbränning och genom förbränning av bränsle med ren syrgas i stället för luft, vilket är en metod som används i kraftverk. Men alla metoderna är vanligtvis kopplade till att samla utsläppen från en stor punktkälla som till exempel rökkanalen på en kraftproduktionsanläggning. Detta kräver kräver att infångning av koldioxid sker på industriskaliga anläggningar för att bli ekonomiskt försvarbara.

Climeworks modulsystem står i kontrast till det och består av flera avskiljare som avlägsnar koldioxid från luften – snarare än från en punktkälla. I stället för att avskilja koldioxid i gas eller flytande laminär strömning som andra metoder, inkorporerar Climework adsorberade luftfilter som koldioxiden fastnar på. Climeworks reducerar även transportkostnaderna som finns med infångning av koldioxid – i och med att de kan placera en DAC-anläggning på lagringsplatsen.

Dessa innovationer har minskat storleken och reducerat kostnaden för Climeworks anläggningar.

Analys av 500 geometriska variationer

Climeworks koldioxiduppsamlare fångar in koldioxid selektivt i en tvåstegsprocess. Luften sugs in i uppsamlaren med hjälp av en fläkt, koldioxiden adsorberas av det selektiva filtermaterialet som sitter inuti uppsamlaren och skiljer ut koldioxiden. När filtermaterialet är mättat med koldioxid stängs uppsamlaren. Climeworks ökar temperaturen till mellan 80 C och 100 C, vilket frigör koldioxid. Slutligen kan den rena och koncentrerade koldioxiden samlas ihop.

Därefter blir gasen antingen permanent och säkert bunden under jorden där den kan förbli i miljontals, eller så återanvänds den i industriella sammanhang. Till exempel kan den infångade koldioxiden omvandlas till kimrök (en komponent i elektronik eller byggmaterial) samt användas för kolsyrade drycker eller processas till syntet och förnybart bränsle.

Att fånga in ett ton koldioxid kräver en förflyttning av 2000–3000 ton luft genom små kanaler i systemet – på grund av att koldioxiden är så utbredd och utspädd i atmosfären. Climeworks ingenjörer använder Ansys Fluent av flera skäl: för att analysera luftströmsvolym och hastighet, förstå tryckförlust och hur det påverkar systemets energikonsumtion, minska tryckfall, och optimera adsorberande volymer – vilket innebär hur mycket koldioxid som kommer att fastna på luftfiltermaterialet.

Varje anläggning fungerar i olika faser, där uppvärmnings- och kylningsprocessen börjar först efter att ett filter är fyllt. Eftersom frigörelsen av gas och regenereringen av uppsamlaren skapar ett vakuum i insamlingskammaren – vilket upprepas tusentals gånger – använde ingenjörerna Ansys Mechanical för att simulera strukturell spänning och utmattning.

Climeworks ingenjörer modellerade 500 geometriska variationer av luftuppsamlaren medan de finslipade designen. Detta gjordes på mycket mindre tid än vad som skulle krävas för att testa och tillverka en fysisk prototyp. I själva verket beräknar ingenjörerna att simulering var fem till tio gånger snabbare än vad fysisk testning skulle vara. Tid är pengar – för Climeworks, kunderna och i slutändan även för planeten som måste undvika det höga pris som följer klimatförändringarna.

Ledande forskning indikerar att tio miljarder ton koldioxid kommer att behöva avlägsnas från luften varje år, med start 2050. Climeworks har, genom att använda Ansys mjukvara, utvecklat ett system som kommer att bidra till att nå det högt uppsatta målet.