Pressurised large scale hydrogen production by alkaline water electrolysis

Store industriaktører bruker i all hovedsak hydrogen laget direkte fra hydrokarboner. Denne prosessen slipper ut store mengder CO2. De samme aktørene begynner nå å se på vannelektrolyse som en mulighet for å redusere sine CO2 utslipp. Elektrolyse produserer hydrogen uten utslipp av CO2 hvis strømmen som brukes er fornybar. De fossile kildene er/har vært den mest økonomiske måten å lage hydrogen på. Vi ser nå at to ting skjer. Det første er økende utbygging av fornybar energiproduksjon. Flere steder produseres strømmen billigere sammenlignet med fossile kilder. Det andre er kommende økonomiske kostnader forbundet med utslipp av CO2 En av de viktigste nøkkelindikatorene (KPI) for elektrolyse på systemnivå er kapitalkostnadene (CAPEX). Her har alkalisk elektrolyseteknologi en fordel sammenlignet med andre elektrolyseteknologier, hovedsakelig på grunn av muligheten til å bruke materialer med lavere kostnader slik som KOH, nikkel og stål. Kostnaden for hydrogen er også sterkt påvirket av kostnaden for strømmen som kreves for prosessen og andre driftsutgifter (OPEX) og en forbedring av virkningsgraden til prosessen er også viktig. Dette prosjektet tar sikte på å redusere kostnadene for hydrogen produsert ved vannelektrolyse. Dette prosjektet omhandler utviklingen av en alkalisk trykksatt elektrolysør for storskala hydrogenproduksjon. Hovedmålet med prosjektet er å designe, bygge og teste en storskala trykksatt elektrolysør basert på et mindre design som for tiden blir testet av Nel. På slutten av prosjektet forventer vi å ha en komplett demonstrator som er i stand til å produsere trykksatt hydrogen til de store hydrogenforbrukerne. Den komplette demonstratoren ble ikke ferdigstilt i dette prosjektet, men arbeidet skal videreføres i et nytt etterfølgende prosjekt. Utfordringer med stabiliteten av elektrodesystemet var en hovedutfordring som krevde mer ressurser og tid, men dette kom på plass mot slutten av prosjektet. Til nå har prosjektet bygget kunnskap om metaller og polymere utsatt for lut (elektrolytten som brukes) ved høy temperatur og trykk. Sammen med lut har materialene vært utsatt for hydrogen eller oksygen. De to gassene påvirker materialene på forskjellige måter. Oksygenet påvirker i større grad polymerer. Det finnes et meget stort utvalg av polymerer og de har forskjellige egenskaper. Kjemisk kompatibilitet, mekaniske egenskaper og kostnad er det som må balanseres i valget. Den kjemiske kompatibiliteten med nøyaktig det miljøet i en elektrolysør er lite undersøkt og en sentral del i arbeidet som har vært gjort i prosjektet. Når oksygen påvirker metaller dannes det et oksidlag. Dette laget kan i mange sammenhenger danne et beskyttende lag. Tykkelsen og stabiliteten til dette laget varierer med legeringen og miljøet. Dette har vært undersøkt. Når metaller er i et hydrogenrikt eller reduserende miljø, kan det bygge ned det beskyttende oksidlaget. Dette kan igjen gjøre metallet utsatt. Flowsimuleringer og flowtester har blitt gjort for å sikre korrekte interne tofasestrømninger av elektrolytt og gass. Denne prosessen har nå ført frem til et optimalt design. I prosjektet er aktivering av elektroder sentralt. Screening av katalysatorer ved varierende produksjonsparametere har blitt gjort. De beste kandidatene har blitt grundigere undersøkt ved hjelp av utstyr lokalisert ved The Norwegian Fuel Cell and Hydrogen Centre. Disse testene har igjen gitt verdifull karakterisering som skal brukes til valget av elektroder i stacken som skal bygges i prosjektet. Samtidig er det startet intern elektrodetesting for å måle absolutt cellespenning og degenerering over tid. Testprotokoller ble utviklet og stabiliteten til elektrodene ved gjentatte start og stopp var spesielt viktig å undersøke. Stacken er kjernen i en elektrolysør. Balance of plant (BOP) er alt utstyret rundt som gjør at maskinen virker. Vi gikk metodisk gjennom alle delene av BOP for å sørge for at variable strømkilder kan brukes. Historisk har elektrolysører blitt designet og kjørt på stabile kontinuerlige kilder.

En virkning av prosjektet har vært signifikant kompetansehevning innad i bedriften. Kontakten med prosjektpartnerene SINTEF og IFE har gitt innsikt i disse instituttenes vitenskapelige metoder og ressurspersoner har vært til inspirasjon for adferd og praksis innen R&D. En effekt av prosjektet er at det ble søkt om et nytt prosjekt med de samme forskningsinstitusjonene. Dette for å beholde forskningssamarbeidet og fortsette kompetansehevingen. Forskningsresultatene fra dette prosjektet inngår allerede i bedriftens strategi for fremtidig markeds- og produktutvikling.

The global energy market is growing very fast with the main strategic focus on renewable energy sources, mainly solar and wind. The transition to an energy system based on a large degree of intermittent renewable energy will result in a power generating scenario subjected to both seasonal as well as hourly variability, with significant amount of excess renewable energy (on the order of TWh) emerging in countries across the EU and around the world. Thus, energy storage, in particular Power-to-Gas technologies, e. g. water electrolysis, are expected to play a major role in future energy systems. One of the main key performance indicators (KPI) for water electrolysis at system level is the capital expenditure (CAPEX). Here the alkaline water electrolysis technology has a clear advantage compared to other emerging water electrolysis technologies, mainly due to the possibility to use lower cost materials such as KOH, nickel and steel. On the other hand, hydrogen production cost specifies all cost to bring out one unit of hydrogen (volume or mass) at the installation site. Probably this is the most important KPI for an end user as it allows an economical evaluation. Electricity cost and other remaining operational expenditure (OPEX) to run the electrolysis process as main part of the variable costs. This project targets to significantly reduce the cost of hydrogen produced by water electrolysis and stimulate on-site hydrogen generation from renewables to be used in the industry and transport sector. The PE1000 project deals with the development of an alkaline pressurized electrolyser for large scale hydrogen production. The main goal of the project is to design, build and test a large pressurised electrolyser. However, to do this, some of the electrolyser components and design features are in need of further R&D. In addition, the electrolyser have to undergo extensive testing in order to establish good efficiency and functionality over time.