MACH-2-prosjektet var et KSP-prosjekt i CLIMIT-programmet i perioden 2019 til 2024. MACH-2-prosjektet hadde som mål å utvikle en ny prosess for hydrogenproduksjon fra naturgass med effektiv fangst av karbondioksid (CO2) fra prosessen. Målet med MACH-2-prosjektet var å utvikle og demonstrere potensialet til en innovativ hybridteknologi for hydrogenproduksjon med CO2-fangst, som muliggjør høye karbonfangstrater med høy renhet på CO2 og H2, samt en hydrogenpris sammenlignbar med konvensjonelle teknologier uten fangst. MACH-2-prosjektet var et samarbeid mellom SINTEF Industri, SINTEF Energi AS og NTNU. Prosjektet ble spunnet ut av det Norske senteret for karbonfangst og -lagring (NCCS). Prosjektet har kombinert hydrogenproduksjon fra metan ved hjelp av protonisk membranreformer (PMR)-teknologi med påfølgende lavtemperatur CO2-fangst i en ny, integrert prosess. Ved å utnytte fordelene med begge teknologiene og anvende dem i deres foretrukne driftsvinduer, forventes betydelige kostnads- og effektivitetgevinster. Prosjektet bestod av tre hovedaktiviteter.
Prosess- og systemdesignet var fokusert på optimalisering av hybridsystemet som har mange frihetsgrader som har blitt analysert, både individuelt og hvordan de var avhengig av hverandre. En viktig parameter er hvor mye hydrogen som blir transportert gjennom membranen, som er en funksjon av anvendt membranareal og strømtetthet. For prosessintensivering resirkuleres avgassen fra fangstprosessen. I tillegg implementeres en vanngassskiftreaktor (VGS) for retentatgassen for å redusere innhold av CO i gassen som sendes til flytendegjøring. I tillegg er den utviklede prosessen sammenlignet med annen state-of-the-art-teknologi for H2 produksjon gjennom en detaljert tekno-økonomisk evaluering. Det foreslåtte konseptet oppnådde rundt 99 % av systemets H2- og CO2-utvinningsgrad selv når membranreaktoren driftes ved relativt lav hydrogengjenvinning, noe som resulterer i energieffektiv H2-produksjon med lav karbonintensitet. Denne analysen viser at det PMR-baserte hybridkonseptet fremstår som et lovende alternativ for å produsere hydrogen med lav karbonintensitet.
I samarbeid med FME NCCS Task 3 ble membranstabilitet under MACH-2 betingelser undersøkt ved å teste PMR celler i nesten 1800 timer. Gasssammensetningen og strømningshastigheten ble variert for å simulere ulike betingelser for hydrogenfjerning og for å vurdere virkningen av CO og CO2 på degradering. Resultatene viser at den arealspesifikke motstanden til cellen øker ved høyere hydrogenfjerning mens degraderingen avtok. Tilstedeværelse av små mengder CO, CO2 eller H2-H2O hadde lignende innvirkning på å øke cellemotstanden, men CO førte til nesten dobbelt så høy degradering sammenlignet med CO2. WP2 har benyttet seg av ECCSEL-infrastrukturen, TA 4.4, SINTEF MLab.
Eksperimentelle kampanjer for lavtemperatur CO2-separasjon, under forhold som er relevante for MACH-2-prosessen, ble gjennomført i prosjektet. For dette ble Cold Carbon Capture Pilot-riggen (ECCSEL NO2.4) oppgradert for bruk av relativt høye konsentrasjoner av brennbare og giftige gasser (H2, CH4 og CO) som er til stede i retentatet fra membranprosessen. Etter oppgraderingen har det blitt gjennomført vellykkede målekampanjer med rater opp til 7,4 tonn per dag ved CO2 konsentrasjoner mellom 56 og 82 mol % for å dekke området som er relevant for retentatgass. CO2 ble separert ved flytendegjøring og faseseparasjon ved trykk mellom 40 bar og 70 bar. De tilsvarende temperaturene i separatoren var mellom -55 °C og -45 °C. En CO2-renhet opptil 99,90 mol % ble oppnådd. Forsøkene viste at CO2-renhet kan kontrolleres gjennom trykket i separatoren, samt gjennom regulering av temperaturen i strupeventilen. Resultater fra eksperimentene samsvarer modelleringsresultatene som baserer seg på Peng–Robinson og GERG-2008 modellen. I MACH-2 er lavtemperatur CO2-fangstprosessen dermed demonstrert ved TRL 4–5. Teknologien er nå klar for videre utvikling.
Hvor det var mulig har MACH-2-prosjektet lagt vekt på å kommunisere både målet og resultatene av dette prosjektet, både gjennom vitenskapelige og mer populære kanaler. Dette har gjort det mulig å utveksle informasjon med andre forskere innen relevante felt og fremme resultatene til industri og sluttbrukere. Prosjektet har så langt resultert i 3 tidsskriftartikler i fagfellevurderte tidsskrifter og ulike konferansebidrag. Kompetansen og resultatene oppnådd i MACH-2-prosjektet er også allerede utnyttet i andre pågående prosjekter og/eller aksepterte prosjektforslag. Det forventes videre at utfallet av MACH-2 vil være sentralt for etableringen av et nytt prosjekt som skal demonstrere 50 kg/dag hydrogenproduksjon med integrert CO2 flytendegjøring. Ytterligere utnyttelse vil bli vurdert i de kommende RCN- og EU-utlysningene.
De potensielle virkningene til MACH-2-resultatene påvirker flere nivåer. Fra et overordnet perspektiv har avkarbonisering av naturgass gjennom H2-produksjon kombinert med CCS et stort potensial for utslippsreduksjoner og dermed miljøgevinster. I denne forbindelsen leverer prosjektet reduserte CO2-utslipp knyttet til H2-produksjon med en karbonfangstrate på opptil 99 %. Hybridprosessen som ble utviklet har vist seg å ha høyere energikonverteringseffektivitet enn konvensjonelle blått H2 produksjonsprosesser. Andre forventede fordeler er mer på komponent- eller systemnivå; PMR-celleeksperimentene har gitt innsikt i effekten av prosessparametere på ytelse og stabilitet til PMR-kjerneteknologien. Dette resulterer i lavere CAPEX for hele prosessen, noe som også gjør hybridkonseptet mer attraktivt fra et økonomisk perspektiv. Resultatene oppnådd i lavtemperatur CO2-separasjonseksperimentene samsvarer med prediksjoner i simuleringsmodeller med konvensjonelle termofysiske egenskapsmodeller. Denne bekreftelsen er avgjørende for videreutviklingen og TRL-utviklingen av teknologien, fra TRL 4–5 til høyere TRL i fremtidige demonstrasjonsprosjekter. Prosessmodellen som har blitt utviklet som integrerer PMR-teknologi med lavtemperatur-CO2 flytendegjøring har vært svært nyttig for design av H2-produksjonsenheter som skal demonstreres i fremtidige prosjekter, hvor CoorsTek deltar.
The MACH-2 project will develop and demonstrate the potential of an innovative hybrid technology for H2 production with CO2 capture enabling high carbon capture rates with high purity CO2 and H2 and a hydrogen cost comparable to conventional technologies without capture. The project will combine H2 extraction from syngas by membrane technology with subsequent low-temperature CO2 capture in one integrated novel process. The low carbon residual fuel produced as the off-gas from the liquefaction process is aimed to provide sufficient heat input to the reforming stage.
By exploiting the advantages of both technologies and applying them in their preferred window of operation, significant cost and efficiency gains are obtained. Based on the concept, a targeted carbon capture rate of over 95% is projected with a specific energy penalty of less than 2 MJ/kg CO2. The H2 cost is expected to be less than 2 euro/kg. This H2 production cost is comparable to conventional technologies without carbon capture, which emit almost 10 kg CO2/kg H2.
The MACH-2 project is a collaboration between SINTEF Industry, SINTEF Energy AS, and the Norwegian University of Science and Technology, and involves international cooperation with West Virginia University in the US. They are chosen based on their world leading expertise in high-temperature membranes (SINTEF Industry), large-scale hydrogen production and liquefaction from renewable power as well as natural gas reforming with CO2 capture (SINTEF Energy AS), and process systems engineering (NTNU). Furthermore, international collaboration between SINTEF/NTNU and Prof. D. Bhattacharyya's "Advanced Process and Energy Systems Engineering" group at West Virginia University, will strongly contribute to expand knowledge and skills. By leveraging on activities in previous EU and national projects, MACH-2 represents thus a compact consortium that allows integrating knowledge from several partners.
