Integration of RENewable production of hydrogen in current Biomass-to-Liquid Biofuels production systems

I prosesser for konvertering av biomasse til drivstoff blir biomassen først gassifisert til syntesegass som så blir omdannet til flytende drivstoff, som diesel og bensin, via en prosess kalt Fischer-Tropsch syntese. Lignocellulose, som strå, tremasse og avfall fra landbruket, er råstoffet, mens produktet er flytende drivstoff uten svovel. Diesel produsert fra denne prosessen har bedre tennegenskaper enn diesel fra fossil olje. På grunn av at tørr biomasse har en brennverdi på ca 19 MJ/kg, mens produktet diesel har en brennverdi på ca 43 MJ/kg, vil mye karbon måtte gå ut av prosessen som CO2. Uten at ekstra energi blir tilført, er karboneffektiviteten typisk 30 %. Ved å tilføre prosessen ekstra energi er det mulig å produsere mer drivstoff fra den samme mengde biomasse og derved redusere utslipp av CO2. Ideen med dette prosjektet er å tilføre prosessen ekstra energi i form av hydrogen produsert ved elektrolyse av vann eller damp og samtidig bruke varme fra selve prosessen. Elektrisk energi som trengs til elektrolysen kommer fra fornybar energi som vannkraft. Mindre elektrisk kraft trengs dersom varme fra prosessen blir tilført elektrolysen. I denne prosessen kan varme ved høy og lav temperatur utnyttes. Hydrogen kan produseres effektivt ved elektrolyse av vanndamp ved høy temperatur med bruk av faststoff oksid elektrolyseceller. Revers elektrodialyse er tenkt brukt for produksjon av hydrogen med elektrisk kraft samt varme ved lavere temperatur. Ved elektrolyse av vann produseres hydrogen, men i tillegg får vi oksygen som vi trenger til gassifisering av biomassen. Dette prosesskonseptet har potensiale til å øke karboneffektiviteten til mer enn 90%, noe som vil gjøre prosessen mer miljøvennlig. Vi har gjort en økonomisk analyse som indikerer at prosessen blir mer lønnsom med bruk av hydrogen fra fornybar energi, men enhetskostnaden er fremdeles høy.

Betydelig større karbon effektivitet kan oppnås med bruk av hydrogen tilsatt et BtL anlegg. Beregninger viser at den kan økes fra 30 til 90%. Det betyr at vi trenger bare en tredel mengde biomasse for å produsere samme mengde drivstoff når hydrogen fra fornybar kraft tilsettes. Investeringene blir betydelig større med hydrogenproduksjon, men lønnsomheten er blitt bedre fordi vi kan produsere så mye mer drivstoff. Med varmeintegrasjon av høytemperatur dampelektrolyse (SOEC) kan vi redusere kraftbehovet per produsert enhet hydrogen sammenliknet med tradisjonell alkalisk vannelektrolyse. Investeringskostnadene av SOEC er fremdeles høy og det er driftstekniske utfordringer med teknologien. Ved å brenne gassen fra FT syntesen på anoden gir positive effekter ved at termisk energi blir tilført hoved-reaksjonen, fortynning av oksygen, samt at det reversible potensialet blir redusert. Brenngassen kan ha to kjemiske effekter.

At present, entrained flow gasification followed by catalytic Fischer-Tropsch synthesis has been considered as one of the most attractive technological routes for the production of marketable liquid biofuels for the heavy-road road and aviation transport sector. However, the overall carbon conversion efficiency from biomass to biofuels achieved in this route is still low, about 30-40%. The REN-BTL project aims to improve significantly the carbon-efficiency, and thus the economics and the environmental performance, of liquid biofuels production by integrating the production of H2 (+ O2) using the available heat from the biomass-to-biofuels conversion process as well as renewable electricity. Two different technologies for production of hydrogen (+O2) are considered: 1) Solid oxide electrolytic cells (SOEC) using high-temperature steam produced from the gas cooling after gasification and input electricity. and 2) Reversed Electro-dialysis (RED) using low-temperature waste heat from Fischer Tropsch. The hydrogen produced can then be used in the biofuels production route for three different purposes: 1) to increase the H2 to CO ratio convert CO2 to CO (via reversed water gas shifting) after gasification, 2) to improve the Fischer-Tropsch synthesis, and 3) to upgrade the Fischer-Tropsch product to marketable diesel-type and aviation fuels. In addition, the oxygen (O2) produced can be use directly in the gasification replacing the Air Separation Unit. To the acknowledge of the participants in this project, the use of the high-temperature and low-temperature waste heat from the biofuels production route for producing H2 and O2 represent a research novelty. The project will contribute to pave the way to achieve sustainable and low-carbon energy systems through more efficient utilization of biomass resources for production of liquid biofuels and better integration between renewable energy systems.