Dobór najlepszego adsorbentu wśród wszystkich dostępnych na rynku jest bardzo ważnym
zagadnieniem w technologii prowadzenia procesów wychwytu CO2. Wybór właściwego materiału
opiera się na takich parametrach, jak: pojemność sorpcyjna, termiczna stabilność (cykliczność), zdolność regeneracji, poziom desorpcji, wpływ innych zanieczyszczeń gazowych oraz koszt adsorbentu. Wybór nie do końca najlepszego adsorbentu może przyczynić się do zmniejszenia wydajność pracy oraz podwyższenia kosztów pracy instalacji adsorpcyjnej. W celu uniknięcia powyższych błędów, w ramach niniejszej rozprawy doktorskiej opracowano narzędzie, którego celem jest wspomaganie decyzji doboru najlepszego adsorbentu. Jest to system ekspertowy SEDACO2 stworzony w oparciu o licencję demonstracyjną firmy Exsys Inc. na oprogramowanie Exsys Corvid. Przykładowe pytania z systemu SEDACO2 przedstawiono w rozdziale 12. ZAŁĄCZNIK – SYSTEM SEDACO2. Zaletą systemu jest podawanie stopnia wiarygodności oraz dodatkowych – alternatywnych sposobów dokonywania wyboru adsorbentu w sytuacjach wątpliwych lub niepewnych.
Przy projektowaniu systemu pod uwagę wzięto właściwości fizyczne adsorbentów oraz warunki prowadzenia procesu adsorpcji, co pokazano na rysunku 10.1.
Rys. 10.1. Schemat parametrów rozpatrywanych w ramach systemu ekspertowego SEDACO2
System ekspercki SEDACO2 został opracowany w celu ułatwienia porównywania wyników uzyskanych w skali laboratoryjnej i półtechnicznej, jest unikalnym rozwiązaniem, jakie jeszcze nie pojawiło się na rynku. Jego zadaniem jest umożliwienie doboru najlepszego adsorbentu do wychwytu ditlenku węgla (i nie tylko) ze strumienia spalin pochodzących ze spalania węgla. Zasada działania
SEDACO2 opiera się na współpracy z innowacyjnymi instalacjami adsorpcyjnymi CO2 CCU (capture
and utilization) działającymi w skali wielkopilotowej w elektrowniach. System SEDACO2 został zaprojektowany w celu rozwiązywania ściśle określonego problemu - nie jest więc uniwersalną maszyną do wszelkich zadań a specjalistycznym narzędziem naukowym działającym w oparciu o bazę danych, którą stanowi skomplikowana wiedza a nie zwykłe dane alfanumeryczne. Taka baza wiedzy jest zakodowana i specjalnie przechowywana. Nie podlega klasycznym kompilacjom. Jej reprezentacja odbywa się poprzez specjalne reguły, które stają się podstawą wnioskowania, opartego na obliczeniach symbolicznych zbliżonych do języka naturalnego. Wnioskowanie jest sukcesywnie wzbogacane w wyniku autonomicznych mechanizmów samouczenia. SE są wykorzystywane w różnych technologiach i dziedzinach nauki tj. ekonomia, zarządzanie, bankowe oceny ryzyka, diagnostyka urządzeń elektronicznych, projektowanie maszyn, systemy informatyczne, diagnostyczne procesy przemysłowe. W tematyce wychwytu ditlenku węgla takie rozwiązanie jest zaprezentowane po raz pierwszy – nie stosowano wcześniej takiego podejścia. System SEDACO2 jest opracowany w oparciu o szereg badań laboratoryjnych. Uwzględnia wiele procedur badawczych. Przedstawia wszystkie
konsekwencje stosowania adsorbentów. Wyczerpująco odpowiada na pytania dotyczące wychwytu CO2
ze spalin. Jest to narzędzie naukowe, które uwzględnia także wcześniejsze przygotowanie czystości strumienia spalin - szczegółowo nawiązuje do innych składników tj. SOx czy NOx. Bardzo konkretnie
precyzuje wszelkie koszty i ekonomię prowadzenia procesu utylizacji CO2. System stanowi oryginalne
naukowe osiągnięcie, jak również wykazuje się praktyczną stroną – jest atrakcyjny do zastosowania w przemyśle. Opracowany system ekspercki szczegółowo informuje, jakie adsorbenty sprawdzą się w konkretnych warunkach. Daje pogląd na sposób wprowadzenia oszczędności w pracy instalacji. Jego
trudnym zadaniem. Odpowiedzią systemu SEDACO2 na ten problem jest przeprowadzenie walidacji danych w oparciu o własne wyniki, jak również zawarte w literaturze światowej.
10.1. KONSTRUKCJA SEDACO2
Ogólna postać SE opiera się na następujących parametrach: baza wiedzy wraz z bazą danych (są one zależne bezpośrednio od zastosowań systemu ekspertowego) oraz mechanizm wnioskowania, sterowania i interfejs użytkownika (te elementy mogą być w dużym stopniu niezależne od zakresu zastosowań). W ramach prac analizie poddane zostały dotychczas zgromadzone dane na temat adsorpcji i adsorbentów. Kolejno, sprawdzono zmienne zawarte w bazie danych, dotyczące przebiegu wnioskowania, kolejnych kroków wnioskowania, użytych faktów i reguł. Do tych zmiennych wlicza się także zmienne pomocnicze. Następnie przetestowano moduły wnioskujące, które decydują, jakiej wiedzy użyć i w jaki sposób uzyskać odpowiedzi na postawione pytania oraz opracowano interfejs użytkownika. Interfejs odpowiada za przyjazny dialog między człowiekiem a opracowanym narzędziem, co pozwala na bezpośrednią komunikację pomiędzy SE a zewnętrznym środowiskiem zarówno osobowym, jak i bezosobowym. Trzeba podkreślić, iż SE to produkt inżynierski podlegający cyklowi rozwoju, który dzieli się na trzy etapy: prace koncepcyjno – projektowe, techniczno – użytkowe oraz wdrożeniowo – użytkowe. SE jest budowany w celu rozwiązania konkretnego problemu. Schemat przedstawiony na rysunku 10.2. obrazuje istotę działania narzędzia SEDACO2.
Rys. 10.2. Schemat struktury systemu ekspertowego SEDACO2
System ekspertowy został opracowany w oparciu o jedno z narzędzi projektowych jakie stanowią systemy szkieletowe firmy Exsys Inc. Systemy szkieletowe (Expert Systems Shells) są szczególnymi formami SE, ponieważ dysponują zaawansowanym modułem wnioskującym i pustą bazą wiedzy. Są one wyposażone w specjalne edytory tekstowe, dzięki którym można na bieżąco dopisywać reguły. Zadaniem reguł jest pomoc przy rozwiązaniu problemu. Systemy szkieletowe prezentują najwyższy poziom wśród narzędzi AI. Ich stosowanie umożliwia stworzenie własnej bazy wiedzy, a dodatkowa zmiana interfejsu komunikacyjnego wpływa na stworzenie oryginalnego SE. Zasada działania projektu SEDACO2 w użytkowanym systemie Exsys opiera się na metodzie pozyskiwania wiedzy opartej na czterech regułach: THEN i ELSE (warunek i konkluzja), NOTE (pojawia się komentarz) oraz REFERENCES (wszelkie odwołania użytkownika). Algorytmy wnioskowania są następujące: w przód, w tył, bez powrotów, bez ostatniego kroku. Exsys charakteryzuje się zawartym w swej strukturze
• zaplecze eksperckie • dostarczane fakty ADSORBENTY • inżynier wiedzy • strukturalizowanie tematyki REGUŁY • procedura wnioskowania • analiza wnioskująca BAZA WIEDZY +MODUŁ WNIOSKUJĄCY • użytkownik • przemysł FEEDBACK
mechanizmem weryfikacji reguł. Baza wiedzy może być systematycznie rozbudowywana, co jest niewątpliwym plusem systemu z uwagi na rozwój technologii wychwytu ditlenku węgla. Wszelkie modyfikacje bazy wiedzy odbywają się bez naruszania modułu wnioskowania.
Przy projektowaniu systemu SEDACO2 założono wcześniejsze przygotowanie spalin przed ich wprowadzeniem do adsorpcyjnego układu separacji CO2 tzn. instalacja adsorpcyjna jest wyposażona w dodatkowe sekcje pozwalające na schłodzenie spalin, odzysk ciepła, odsiarczenie i odazotowanie oraz osuszenie spalin. Powyższe założenia poczyniono z uwagi na dostosowanie działania SEDACO2 do rzeczywistych warunków przemysłowych.
Zasada działania opiera się na pytaniach, jakie zadawane są użytkownikowi. Ma on do wyboru jedną z kilku odpowiedzi. Pytania zadawane są dopóki SE nie zbierze wystarczającej ilości informacji do wydania konkluzji. Ostateczny wniosek formułowany jest w postaci jednego adsorbentu lub ich grupy (w kolejności ułożonej zgodnie z kryteriami użytkownika). W bazie danych zostały zdefiniowane m.in. zmienne typu liczbowego (variable: number) oraz zmienne typu znakowego (variable: string).
Użyta metoda reprezentacji wiedzy w systemie SEDACO2 oparta jest na logicznych regułach „jeżeli => to”. Jest ona najczęściej stosowana w SE z uwagi na łatwość implementacji programowej. W SEDACO2 użyto zarówno reguły o strukturze prostej, jak i złożonej. Ogólny zapis można przedstawić następująco:
#$%&'∴ & , … , &+, … , &,- . /0 %1'∴ 1 , … , 1 , … , 12- (5)
&+ – przesłanki/warunki, których spełnienie determinuje użycie danej reguły w konkretnej sytuacji
1 – decyzje/konkluzje, stanowiące logiczną konsekwencją warunków/przesłanek, które zostały
spełnione
∴ - logiczne operatory takie, jak AND, OR, NOT i inne.
Możliwe jest także szczegółowe przeanalizowanie drogi dojścia do ostatecznego wniosku.
Opracowane narzędzie SEDACO2 może gromadzić wiedzę związaną z adsorbentami ditlenku węgla
i rtęci, usuwaniem CO2 za pomocą absorpcji, odsiarczaniem i odazotowaniem spalin oraz utylizacją
CO2, co niewątpliwie poszerza obszar aktualnej wiedzy poprzez teoretyczną analizę jej wartości.
Uzyskane narzędzie może mieć kluczowe znaczenie dla sektora energetycznego:
- SE jest bardzo elastyczny, pozwala na wiele kierunków rozwoju z uwagi na interdyscyplinarność skonstruowanej bazy danych;
- SE umożliwia rozwiązanie konkretnych problemów i określanie realizacji sprecyzowanych zadań
związanych z zastosowaniem odpowiednich adsorbentów do usuwania CO2, wyborem rozpuszczalnika
do usuwania CO2 na drodze absorpcji, doborem sorbentu do usuwania rtęci, wyborem sorbentu do
odsiarczania spalin oraz katalizatora do prowadzenia odazotowania strumienia spalin;
- SE można dowolnie zmieniać, projektować – w zależności od założonego kierunku rozwoju w danym sektorze;
- zadaniem SE jest także dobór technologii CCU dla istniejącej instalacji w oparciu o zgromadzone doświadczenia ekspertów;
- trwałość SE jest zdecydowanie większa niż praca ludzi, którzy mogą zmienić branżę swej działalności, zachorować czy nawet umrzeć;
- SE daje możliwość stworzenia produktu atrakcyjnego w skali globalnej (np. licencja, aplikacja mobilna/komputerowa).
Dodatkową zaletą SE jest możliwość korzystania z systemu przez Internet.
10.2. SEDACO2 – ENERGIA INNOWACJI
Na bazie opracowanego systemu eksperckiego SEDACO2 powstała koncepcja projektu zgłoszonego do konkursu ogłoszonego przez Polską Grupę Energetyczną PGE: „Energia Innowacji”. Projekt uzyskał bardzo dobre oceny i znalazł się w finałowej dziesiątce zgłoszonych prac. Nowość rezultatów projektu opierała się na opracowaniu specjalistycznego systemu ekspertowego (SE), którego zadaniem jest:
1. umożliwienie doboru najlepszego adsorbentu do wychwytu CO2 ze strumienia spalin pochodzących
ze spalania węgla;
2. wybór rozpuszczalnika do usuwania CO2 za pomocą absorpcji;
3. wybór sorbentu do usuwania rtęci; 4. wybór sorbentu do odsiarczania spalin;
5. wybór katalizatora do prowadzenia odazotowania spalin.
System SEDACO2 doskonale sprawdza się w tych sytuacjach, w których niezbędne jest uzyskanie
fachowych informacji na temat zastosowania adsorbentów CO2 i Hg, metod absorpcji CO2, odsiarczania
i odazotowania spalin oraz technologii utylizacji CO2. Zgromadzona wiedza w bazie danych może być
z powodzeniem wykorzystywana z uwagi na jej przystępną strukturę. Podjęte w ramach Projektu
działania wpisane były w upowszechniania nauki i akceptacji społeczeństwa w kwestii technologii CO2
capture. Narzędzie otrzymane w ramach Projektu jest kierowane na szeroką skalę dzięki przyjaznemu i łatwemu w obsłudze interfejsowi. Dzięki temu dostęp do eksperckiej wiedzy może mieć każdy, kto
jest zainteresowany tematyką adsorbentów ditlenku węgla i rtęci, absorpcją CO2, odsiarczaniem oraz
odazotowaniem spalin jak również technologiami CCU. System SEDACO2 pozwala na optymalizację
wszelkich procesów związanych z wychwytywaniem i utylizacją CO2, jak również pozwala na
wprowadzenie hierarchizacji celów, które zostaną osiągnięte.
Projekt charakteryzował się także pozytywnym wpływem na środowisko, gdyż dotyczył opracowania systemu eksperckiego, który przyczyni się do większej efektywności stosowanych adsorbentów. Należy podkreślić, iż wszelkie działania zmierzające do podnoszenia wydajności sorbentów przekładają się na troskę o środowisko. Grupę docelową Projektu stanowił przede wszystkim sektor energetyki. Bezpieczeństwo energetyczne jest kwestią strategiczną dla każdego państwa. Wytwarzanie i przesyłanie energii elektrycznej wraz z systemem transportowym zapewnia funkcjonowanie i rozwój gospodarki. Produkcja energii w Polsce głównie jest oparta na paliwach kopalnych. Powstające w wyniku działalności elektrowni spaliny powodują, iż sektor energetyczny staje się adresatem proponowanego rozwiązania. Jednakże nie tylko energetyka generuje zanieczyszczenia. Kolejne docelowe grupy odbiorców Projektu to między innymi: przemysł petrochemiczny, cementowy, zakłady chemiczne, produkcyjne i przemysłowe oraz projektanci i użytkownicy instalacji adsorpcyjnych. Następnie, z uwagi
na bezpośrednią współpracę projektu SEDACO2 z technologiami wychwytu CO2 zaproponowano jego
stosowanie w celu utylizacji CO2 w przemyśle rolniczym (dojrzewalnie owoców i warzyw, szklarnie)
oraz chemicznym (np. produkcja metanolu) bądź spożywczym. W tym celu zostanie wykorzystano koncepcję alternatywnych metod zagospodarowania ditlenku węgla pochodzącego z gazów odlotowych z elektrowni opracowaną przez NILU Polska. Koncepcja obejmuje dwa warianty technologiczne
dostarczania CO2 do szklarni: pierwszy zakłada inhalowanie szklarni mieszaniną gazową zawierającą
CO2 a drugi polega na wydzieleniu i oczyszczeniu CO2 z części gazów odlotowych i dostarczeniu CO2
do szklarni. Pod uwagę wzięto bilanse masowe, opisy technologiczne obu wariantów, oszacowanie nakładów inwestycyjnych, arkusze kalkulacyjne technicznego kosztu wytwarzania i całkowitego kosztu
produkcji, wstępną analizę ekonomiczną przedsięwzięcia dla obu wariantów oraz rekomendację wyboru
technologii. Średnie zapotrzebowanie szacuje się na ok. 50 000 Mg CO2/rok. Dodatkowo,
w opracowaniu określono dokładne wymagania jakościowe dla CO2 dostarczanego do szklarni, które
wynikają z dopuszczalnych norm zanieczyszczenia powietrza w szklarni. Zaproponowano także zastosowanie bloków fotoreaktorów mikroalgowych, które są odporne na zanieczyszczenia (zwłaszcza
SO2 oraz NOX, metale ciężkie). Jednocześnie korygują zawartość tlenu w szklarni poprzez zużycie
części dostarczanego CO2 (do produkcji tlenu).
Warto podkreślić, iż do oczekiwanych korzyści z wdrożenia SEDACO2 zaliczono: - oszczędność czasu i pieniędzy (nie ma potrzeby szczegółowych badań adsorbentów); - szybki i prosty dostęp do precyzyjnego narzędzia naukowego;
- wszechstronność rozwiązania;
- interdyscyplinarność skutkującą rozwojem technologii adsorpcyjnej CO2 i Hg oraz technologii
utylizacji CO2;
- możliwość rozbudowy systemu o wszelkie potrzebne dane.
Celem projektu SEDACO2 było opracowanie innowacyjnego na skalę światową systemu, dzięki
któremu zostanie podniesiona wydajność procesów wychwytywania CO2 i rtęci oraz odsiarczania
i odazotowania spalin. W ramach działań w projekcie planowano powstanie takiego narzędzia, które ułatwi dobór odpowiedniej technologii CCU dla pracujących instalacji. Tak założony cel zwiększał konkurencyjność rezultatów Projektu w stosunku do tradycyjnych rozwiązań obecnych na rynku. Tak pozyskane narzędzie jest łatwym do wdrożenia, natomiast jego konstrukcja jest innowacyjna, co stanowi centralny element rozwoju obecnych kierunków technologicznych.