Novel oxygen carriers in sustainable hydrogen production

Hydrogen er en veldig verdifull energibærer som kan bidra til å løse mange av dagens miljøutfordringer. Innføring av store mengder fluktuerende fornybar energi vil kreve midlertidige energilagringsløsninger, der hydrogen er et ideelt alternativ. For ferger og lastebiler som trenger rask fylling av større mengder energi har hydrogen en stor fordel i forhold til elektrisitet. Videre har hydrogendrevne biler også økende fokus. Hydrogen er også viktig som kjemikalie. Hydrogen kan produseres via elektrolyse av vann (vann blir spaltet til hydrogen og oksygen), men i stor skala blir det først og fremst produsert fra naturgass via en reformerings- og skiftprosess, etterfulgt av en gass-separasjonsprosess. Naturgass vil fortsatt være viktig i en overgangsperiode for å sikre tilførsel av hydrogen til samfunnet. Prosjektet OxHyPro vil forenkle produksjonen ved å gjøre separasjonen direkte i skiftprosessen. Prosessen vil også gi et mer miljøvennlig perspektiv på bruken av naturgass til hydrogenproduksjon dersom CO2 fanges opp og lagres. OxHyPro muliggjør også lokal produksjon av hydrogen ved dagens infrastruktur for biogass og kan gi denne en ekstra verdi. Biogass vil også være en av de fremtidige energikildene som trenger CO2-fangst for å oppnå klimamålet for 2050. Prosjektet OxHyPro skal konvertere og skille biogass til rene CO2-holdige og hydrogenholdige gass-strømmer. Dette oppnås ved å bruke energilagringsmaterialer som kan overføre termisk energi og reduksjonsenergi fra forbrenningsreaksjonen til den energiintensive vannsplittende reaksjonen. Med dette kan en termisk nøytral prosess oppnås. Utfordringen ligger i å utvikle metalloksider som er stabile gjennom gjentatte oksidasjoner og reduksjoner og i tillegg innehar optimal energilagringskapasitet under reaksjonsbetingelsene. Materialforskning og -utvikling vil være nøkkelen til suksessen til OxHyPro. Så langt har 12 nye materialer blitt utviklet i OXHYPRO for prosessen og noen har vist lav tildens til koksing under reduksjon som er viktig for å få en ren H2 produksjon under oksidering med vann. To oppskalerte materialer er testet under forskjellige biogass-sammensetninger, blandingen 75:25 gir en god tørr-reformeringsaktivitet kombinert reduksjon av materialet den lagrede energien kan overføres til hydrogenproduksjon fra damp. Det ene materialet har dessverre ikke nok konvertering av CH4 men har også liten tildens til å danne sot basert på dekomponering av CH4. Det andre gav full konvertering, men også noe dannelse av sot som vil forurense H2 produksjonen med litt CO produsert under damp syklusen. Dette understreker viktigheten av å utvikle et tilfredsstillende aktivt material som ikke danner sot. Grunnleggende egenskaper til lovende kandidatmaterialer ved Universitetet i Oslo ved hjelp av ulike avanserte metoder som pulsisotoputveksling med gassfaseanalyse for å få kunnskap om overflateutveksling, transportegenskaper og hvordan de er relatert til H2-produksjon. Internasjonalt samarbeid er også et viktig aspekt for å lykkes med dette prosjektet. Et internasjonalt symposium om kjemisk sirkulasjon prosesser har blitt holdt online i juni 2022. En felles studie mellom SINTEF og University Newcastle har avdekket at hydrogenproduksjon gjennom vannspalting og syngassproduksjon gjennom tørr-reformering kan oppnås i en reaktor med fast stoff oksider ved hjelp av et smart gasskoblingssystem. Dette vil gi oss forhåndskunnskap for fremtidens fornybare drivstoffproduksjon. Dette har resultert i en felles publikasjon (https://doi.org/10.1016/j.jcou.2024.102935) og videre samarbeid på videreutvikling av prosessen.

Chemical looping hydrogen production (CLHP) using a three-reactor system (methane, steam and air) has attracted lots of interest due to inherent CO2 separation, production of pure H2 without the need of expensive separation processes, thermal neutrality, and reduced economic sensitivity towards process scale as compared to the conventional SMR. Iron oxide is often used as an oxygen carrier material (OCM) for CLHP as this material has favorable phase changes, but disadvantages are related to the materials lifetime due to agglomeration and formation of Fe, especially when the materials are circulated among three reactors at high temperatures. Therefore, it is urgent to develop novel and stable OCMs with the required functionality, stability, catalytic activity, reaction rate to ensure a high conversion of steam into hydrogen and a full conversion of CH4 to CO2. The OxHyPro project addresses these challenges and takes as starting point the discovery of new perovskite systems with high steam conversion into H2 obtained in a preceding EU project. The project combines catalysis, solid-state electrochemistry, solid state ionics, chemical looping technologies, and ceramic engineering to develop stable, robust novel OCMs and utilise non-stoichiometric oxides with tailored thermodynamics in order to achieve autothermal operation. This will be exemplified in this project with the development of OCMs with a H2 yield >80% and oxygen transfer capacity of 3-8wt% stable for 1000 redox cycles. Reactor tests with a fixed bed design will be performed on developed OCMs for verification of the concept. The project is coordinated by SINTEF with University of Oslo as the collaborator and has an advisory board including industries from biogas companies such as Antec Biogas and Biogass Oslofjord, and materials fabrication company Cerpotech, etc. to ensure industrial relevance. It trains one PhD and lasts for four years.