Technical innovations for upscaling and commercialization of the Sorption-Enhanced Reforming technology

Hydrogen - fremtidens energibærer I dag produseres hydrogen hovedsakelig i storskala ved dampreformering av naturgass (SMR). Separat CO2-fangst kreves for å unngå utslipp fra slik reformering. Det er derfor nødvendig å utvikle teknologi med potensial for å redusere kostnadene knyttet til CO2-fangst og med det kunne produsere utslippsfritt hydrogen til en konkurransedyktig pris. I TechnoSER-prosjektet produseres hydrogen ved en innovativ, kosteffektiv prosess kalt absorbsjonsfremmet reformering (SER). En fast CaO-basert CO2-absorbent tilsettes i reformeringstrinnet, blandet med katalysator, og CO2 fanges samtidig som reformeringen forbedres. Denne modifikasjonene gjør prosessen enklere, og høyere hydrogenkonsentrasjon (95-99 %-v) oppnås i ett enkelt trinn. I tillegg behøves ikke skift-katalysatorer. Et ekstra prosesstrinn benyttes for å regenerere absorbenten og her produseres da nesten ren CO2. Dette gjøres ved å tilføre høytemperatur varme (800-900oC). SER-prosessen har blitt utviklet ved Institutt for energiteknikk (IFE) og ZEG Power gjennom mer enn ti år. Teknologien er vist i labskala og verifisert i pilotskala med kapasitet til å produsere ca 1 kg H2/time. Arbeidet i TechnoSER baseres den utførte teknologiutviklingen og målet med prosjektet er å optimalisere prosessen for videre oppskalering. Følgende hovedaktiviteter har blitt utført for å redusere investerings- og driftskostnader: A) Modellering av SER-reformer i turbulent modus B) Optimalisering av regenereringstrinnet ved integrasjon av pulseringsbrenner C) Optimalisering av absorbentmaterialet for å bedre fangstkapasiteten og mekaniske egenskaper D) Ytelses- og kostsammenligning for oppskalering Det utførte arbeidet og de oppnådde resultater er oppsummert: A) IFE har utviklet en modell for å simulere fluidized bed-reformeren I turbulent strømningsregime. Tilnærmingen er basert på en probabilistisk evaluering og har en fordel i at modellen også kan beyttes for alle andre mulige strømningsregimer. Modellen beregner konstentrasjonsprofiler langs den aksiale lengden av reaktoren. De utførte simuleringene indikerer at en fordobling av den overordnede gasshastigheten, fra et boblende til svakt turbulent regime, resulterer i en 5 % reduksjon av hydrogenkonsentrasjonen. Ytterligere økning av gasshastigheten gir fortsatt høye hydrogenkonsentrasjoner, men mengden absorbent øker også. B) Basert på ZEG og IFEs beregnede varmebehov, har TRI levert design av en 2. generasjons pulseringsbrenner. Resultatene viser at selv om brennersystemet kan gi flere fordeler sammenlignet med vanlige brennere, koblet til en u-rørs varmeveksler (dagens konfigurasjon), særlig knyttet til størrelse og varmevekslerareal, viser resultatene at dette nye brennersystemet ikke vil gi de ønskede kostnadsreduksjonene. Årsaken er hovedsakelig at pulseringsbrenneren krever kjølevann for å sikre riktig driftstemperatur. Dette tyder på at i SER-prosessen kan denne løsningen kun implementeres ved behov for overskuddsdamp, og vil i så måte vurderes for fremtidige applikasjoner. C) I arbeidet med utvikling av absorbent har fokus vært på å optimere mikro-pulversyntesen, med vekt på studier av påvirkningen temperatur, væske-/faststoff-forhold, reaksjonstid og CaO-innhold har på materialets ytelser. Småskala granulering av absorbentpulveret har også blitt utviklet og justert for et optimalt CaO-innhold for å sikre tilstrekkelig kjemisk stabilitet og mekanisk styrke. Det granulerte absorbentmaterialet, produsert ved den optimale produksjonsmetoden viser stabil langtids absorbsjonskapasitet på rundt 0,2 g-CO2/g-absorbent etter 1000 sykluser og høy reaksjonskinetikk. Det er oppnådd en hydrogenkonsentrasjon på 98,7 volum-% under SER-reaksjoner i boblende gassregime ved bruk av den optimaliserte absorbenten mikset med en kommersiell katalysator. Det er utviklet en industriell produksjonsrute for absorbenten og investeringskostnaden for et anlegg for produksjon av 10 tonn absorbent pr. dag har blitt evaluert. D) ZEG Power har arbeidet med optimalisering av en tidligere utviklet prosessmodell for SER i basiskonfigurasjon. Den utviklede modellen viser god overensstemmelse med tidligere beregnede data fra SER reaktormodell. Modellen har blitt brukt for sammenligning av SER-teknologien og konvensjonelle teknologier. Det er gjort kostnadsberegninger for et 1 MW (30 kg H2/timer) og 20 MW (600 kg H2/time) og gjort sammenligning med konvensjonelle teknologier (SMR, ATR og elektrolyse). Resultatene viser at SER-teknologien har en konkurransedyktig posisjon. I tillegg er det gjort et nytt design av regeneratorens varmeveksler for forbedret skaleringsevne.

The ZEG Power business idea is to industrialise the ZEG-technology, and to take it to the market together with key industrial and commercial partners by offering ZEG Power plants of increasing size and complexity, based on the SER technology. The TechnoSER project has allowed to increase knowledge and competence on fluidised bed reactor modelling, alternative heat transfer technologies and industrial ceramic powder processing. This competence is valuable for the further development of the SER process but also for other industrial processes where process intensification can be applied. The work has confirmed the potential to increase the performance and reduce the cost of the SER process. The work will now be used for the construction - in the next 2 years - of a first upscaled 1 MW, which will be followed by several other 1 MW and 20 MW units. The TechnoSER results can increase competitiveness of the SER process, opening several growing hydrogen markets.

Sorption-Enhanced Reforming (SER) is an innovative reforming technology that allows pre-combustion CO2 capture at high temperature. It combines reforming, water gas shift and CO2-capture in the same reactor (reformer) providing a process intensification with hydrogen production in one single step. A high temperature solid CO2 sorbent (usually CaO-based), is introduced and mixed together with the reforming catalyst, in the reaction. The simultaneous removal of CO2 moves the thermodynamic equilibrium towards higher hydrogen production at lower temperatures, and hydrogen concentrations up to 98 vol% (dry basis) can be obtained in the temperature range of 550 ? 650ºC. The CO2 captured as a solid carbonate is released by increasing the temperature in a second reactor, the regenerator. In this step, heat has to be provided via a high temperature heat exchanger or via oxy-combustion. The main goal of TechnoSER is to develop an improved and optimized SER- process for cost-efficient hydrogen production with integrated CO2 capture focused on the main challenges for taking the technology to commercial use: - Efficient heat transfer for regeneration of the CO2-sorbent - Compact design of the reformer - Optimized sorbent materials The expected results are lower energy intensity in the process, as well as lower capital and production costs for hydrogen and for CO2 capture compared to state-of-the-art technologies.