Liquefied hydrogen production from surplus wind/hydro power and fossil sources in Norway

Norge produserer store mengder fossil energi, og energimengden eksportert som naturgass er nesten ti ganger årlig innenlandsk el-produksjon. Norges nettoeksport av fornybar kraft forventes å øke framover. Hydrogen et framtidig alternativ for storskala energieksport med nullutslipp og interessen er økende, også for flytende hydrogen (LH2). Vannelektorlyse og naturgassreformering med CO2-fangst kan begge produsere hydrogen nær utslippsfritt, og har mulige synergier: Felles infrastruktur for eksport; reduserte investeringer i kraftnettet; bruk av oksygen fra elektrolyse som innsatsfaktor i reformering; lastfleksibilitet. Et storskala-anlegg er selvforsynt med oksygen dersom minst en tredjedel av hydrogenet produseres fra et elektrolyseanlegg i grunnlast. Gjennom detaljerte systemsimuleringer og komponentmodellering har Hyper undersøkt ulike teknologiske løsninger for sentralisert storskalaproduksjon av LH2 fra fossil og fornybar energi. Basis for LH2-produksjonsrate er i Hyper satt til 500 tonn per dag (tpd) i snitt. Dette er nok til å laste et 160 000 m3 skip hver tredje uke og tilsvarer en effekt på 820 MW og en årlig eksportert energimengde på drøyt 7 TWh. For flytendegjøring er det forutsatt 4 parallelle kondenseringsanlegg, hver med en kapasitet på 125 tpd. Ulike teknologivalg for hydrogenproduksjon har blitt undersøkt teknisk så vel som økonomisk. Analyser av kostnadene ved ulik skala/kapasitet viser at mens vannelektrolyse er å foretrekke i mindre skala, er naturgassreformering med CO2-fangst mer kostnadseffektivt i stor skala, det vil si større enn 100 tpd. Nye prosessutforminger og løsninger utviklet i Hyper viser at CO2-fangstgraden i reformeringsprosesser kan nå nivåer så høyt som 97 % uten ekstraordinære tiltak, noe som fører til et svært lavt CO2-fotavtrykk, på samme nivå som fornybart hydrogen. CO2-intensiteten til hydrogen fra vannelektrolyse er da lavest kun når den gjennomsnittlige CO2-intensiteten i kraftnettet er lavere en om lag 20 kg/MWh. Forbedring av hydrogenproduksjon og -flytendegjøring forutsetter utvikling av nye prosesskomponenter. I utviklingen av nye prosesser har flere nøkkelteknologier har blitt undersøkt i detalj, for eksempel gjennom et fleksibelt rammeverk for modellering av membranmoduler, membranreaktorer og kjemiske reaktorer. Matematiske modeller for store katalysatorfylte plate-finne- og spiralrørsvarmevekslere har blitt utviklet ved hjelp av et fleksibelt og robust rammeverk for flerstrøms-varmevekslere som omfatter konvertering av orto-hydrogen til para-hydrogen og nøyaktige termofysiske modeller og temperaturfordelinger for fluidstrømmer og metall. En ny og nøyaktig tilstandsligning har blitt utviklet for nye kjølemedier (He-Ne-H2-blandinger), som kan bidra til utforming av mer effektive hydrogenflytendegjøringsprosesser med lavere teknisk usikkerhet. Overføring av LH2 i stor skala fra lagertanker på land over til skipstanker er et lite utforsket felt som krever betydelig utvikling. Hyper har bidratt med modellering og dynamiske simuleringer av slike operasjoner, som også omfatter forkjøling av overføringslinjer. Energifluksen i LH2-overføring kan være 25?30 GW og høyere. Et viktig resultat fra arbeidet er beregninger av mengden hydrogen som fordamper i ulike faser av operasjonen, som vil påvirke hvordan flytendegjøringsanlegget utformes og driftes. Det mest lovende tiltakene identifisert for håndtering av gassen som oppstår er re-kondensering via enten ejektor-rekomprimering eller resirkulering til fødestrømmen. En sammenlignende verdikjedestudie for flytende hydrogen og ammoniakk, som begge er karbonfrie hydrogenbærere, har blir gjennomført. For transport fra Nord-Norge til Kontinental-Europa eller Japan viser resultatene betydelig bedre energieffektivitet for LH2 dersom ammoniakk må splittes før sluttbruk. Uten en splitting er kjedevirkningsgradene relativt like. Rørtransport av hydrogen har også blitt evaluert, og er et kostnadseffektivt alternativ for kortere distanser. Hyper har bidratt til å øke forståelsen av sammenhengen mellom kapasitetsdimensjonering og driftsstrategier for elektrolyseproduksjon i kraftnett med store andeler vind- og vannkraft, og hvordan dette påvirker produksjonskostnadene. Avanserte modeller har blitt brukt til å undersøke rollen som fleksibel drift av elektrolyse og vannkraft kan spille dersom storskala hydrogenproduksjon skal kombineres med integrasjon av ustabil fornybar kraft. Hyper har blitt spesielt framhevet i "Globale utfordringer - norske muligheter", som er NTNU og SINTEFs fire hovedanbefalinger til politikere innen energi og klima. Avslutningsarrangementet i prosjektet med tittelen "The Role of Large Scale Hydrogen", ble holdt i Brussel og hadde deltakere fra forskning, industri, forvaltning, embetsverk og EU-parlamentet. Hyper består av forskningspartnerne SINTEF Energi, IAE og NTNU, og industripartnerne Equinor, Shell, Linde Kryotechnik, Kawasaki Heavy Industries, Mitsubishi Corporation, Nel og Gassco.

Industry partners have expressed satisfaction with the partnership and scientific level and that the project has contributed to increasing the interest in liquid hydrogen as an energy carrier. Since the startup of Hyper several initiatives related to liquid hydrogen-based value chains have emerged in Norway. Hyper has contributed with knowledge to actors involved in such initiatives. Hyper has contributed with new knowledge at several important international forums such as IEA Gas and Oil Technologies Collaboration Program, Innovation Norway in Japan, the Research Council, Mission Innovation IC8: Renewable and Clean Hydrogen, and the ONS Foundation. Hyper was emphasised in "Global challenges - Norwegian opportunities", NTNU and SINTEF's four main recommendations to politicians on energy and climate, which were announced at Arendalsuka 2017. Hyper concluded with a high-impact event in Brussels, with attendees from research, industry, policymaking, the EU parliament and others.

The Hyper project addresses valorisation of Norwegian renewable and fossil energy resources for decarbonised hydrogen production aimed for export as well as national utilisation. Hyper will contribute to closing the knowledge gaps currently forming barriers to realising large-scale cost- and energy-efficient hydrogen production, liquefaction and export facilities. The central technology elements and processes and their interaction will be investigated using SINTEF ER's, NTNU's and IAE's expertise in cooperation with the industrial partners Statoil, Shell, NEL Hydrogen, Linde Kryotechnik, Kawasaki Heavy Industries and Mitsubishi Corporation. In addition to advancing the specific technology knowledge related to large-scale hydrogen production and liquefaction, detailed case/feasibility studies will be performed, involving both static and dynamic load profiles and interaction between the subsystems involved. Boundaries of the hydrogen production system will be defined by the input of renewable (wind and hydro power) and fossil (natural gas) energy and the output of liquid hydrogen conditioned for ship transport to markets. CO2 capture and storage (CCS) will be included among the key technological elements when hydrogen converted from fossil energy is part of the production system. Cases relevant to Norwegian, European (including Germany, the UK and the Netherlands) and Japanese conditions and markets will be defined and evaluated in order to expand the knowledge regarding the feasibility and potential of liquid hydrogen production.