Resultaten en bevindingen van project Reformate Enhanced Solid Oxide Electrolyser (RESOE) Dit rapport is onderdeel van de projectencatalogus energie-innovatie. Tussen 005 en 011 kregen ruim 1000 innovatieve onderzoeks- en praktijkprojecten subsidie. Ze delen hun resultaten en bevindingen, ter inspiratie voor nieuwe onderzoeks- en productideeën. De subsidies werden verleend door de energie-innovatieprogramma's Energie Onderzoek Subsidie (EOS) en Innovatie Agenda Energie (IAE). Datum 010 Status Definitief Hygear in opdracht van Agentschap NL
Colofon Projectnaam Programma Regeling Projectnummer Contactpersoon Reformate Enhanced Solid Oxide Electrolyser (RESOE) Energie Onderzoek Subsidie Nieuw Energie Onderzoek NEOT07006 Hygear Hoewel dit rapport met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan Agentschap NL geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.
Document type: External Report Document : HYG-SOE-RP.006 number Issue : 1 Date : Page : 1 of 6 Status : Confidential Openbaar eindrapport Reformate Enhanced Solid Oxide Electrolyser (RESOE) (NEOT07006) N A M E F U N C T I O N D A T E S I G N A T U R E Authors(s) Dick Lieftink Project manager Checked Jan der Kinderen Senior Scientist Authorized Dick Lieftink Project Manager Released Marinus van Driel CEO C H A N G E R E C O R D Issue Date Pages Description of modifications affected 1 - Original version Distribution internal : external :
Table of Content 1 Introductie... 3 1.1 Doelstelling en uitgangspunten... 4 1. Project gegevens... 4 Resultaten... 5 3 Bijdrage aan de doelstellingen van EOS: Nieuw energieonderzoek... 6 HYG-SOE-RP.006 Confidential & Proprietary
1 Introductie Reformate Enhanced Solid Oxide Electrolysis ofwel de productie van waterstof door elektrolyse van water die verbeterd wordt door het gebruik van reformaat gas, is een nieuwe aanpassing van bestaande elektrolyse van water. In principe is de elektrolyse van water te beschrijven als: 1 H O H + O Eq.1 De bestaande vorm van elektrolyse over vaste oxide membranen is weergegeven in figuur 1. Aan de kathode wordt water gesplitst in waterstofgas en zuurstof ionen. e Membraan Kathode Anode H O + e H + O O - O O + e Figuur 1:schematisch overzicht van de elektrolyse reacties Deze zuurstof ionen migreren door het membraan naar de anode om daar te reageren tot zuurstof gas. Het vernieuwende aspect in dit project is dat in het RESOE systeem de zuurstof ionen reageren met methaan of reformaat to kooldioxide en/of water. De beide elektrode reacties zijn: Eq. Eq.3 H O + e H + O ( Cathode) 1 1 O + CH 4 CO + H O + e 4 ( Anode) In vergelijking 3 kan de methaan ook worden gereformeerd naar waterstof en koolmonoxide om de reactie naar kooldioxide en water makkelijker te laten verlopen. Om de elektrolyse reactie van water te laten verlopen is elektriciteit nodig. Wanneer aan de anode kant reformaat of een koolwaterstof wordt aangeboden, worden de zuurstof ionen makkelijker door het membraan heen getrokken om dat deze reageren. Dit heeft tot gevolg dat de reactie bij een lagere spanning kan verlopen. Dit betekent dat minder elektriciteit nodig is om waterstof te maken. HYG-SOE-RP.006 Confidential & Proprietary 3
In de plaats van elektrische energie wordt een koolwaterstof verbruikt, bijvoorbeeld methaan (aardgas) of biogas. Het grote voordeel is dat waterstof geproduceerd wordt die niet gezuiverd hoeft te worden zoals dat bijvoorbeeld wel moet bij waterstof uit stoomreformers. 1.1 Doelstelling en uitgangspunten De doelstelling van het project is een proces design van een RESOE systeem en een reactor design van een RESOE reactor te ontwikkelen en gebaseerd op zo n proces design een economische evaluatie te maken van een RESOE systeem. Het systeem wordt gedesigned voor een productie van 5m 3 waterstof per uur. Dit maakt vergelijking met bestaande reformer en elektrolyser systemen mogelijk en is ook inzetbaar voor decentrale waterstof productie voor een aantal toepassingen. De uitgangspunten zijn dat de materialen beschikbaar zijn en het chemisch principe van RESOE werkt. Dit is beiden geverifieerd door literatuur onderzoek en informatie van leveranciers en onderzoekers van vaste oxide brandstofcel- en elektrolyse materialen als Haldor Topsoe in Denemarken en ECN in Nederland. Het proces design is gebaseerd op een computermodel waarin warmte- en massastromen worden verwerkt in een model waarin warmte wisselaars worden gedefinieerd en de chemische reacties worden berekend op basis van thermodynamische evenwichten. Nieuw in de procesmodelerings studies is de combinatie van bovengenoemde data en de elektrochemische reacties die aan de anode en kathode plaatsvinden. Het proces model resulteert ondermeer in een theoretisch model van de warmte effecten in de elektrolyser. Doordat er verschillende reacties optreden die zowel warmte genereren als warmte gebruiken kunnen er grote temperatuurverschillen ontstaan in de reactor. Deze data zijn gebruikt in het reactor design te samen met andere voorwaarden die met name te maken hebben met materiaalkeuzes. De economische evaluatie is gebaseerd op de uitkomsten van het gas- en elektriciteitsverbruik van de RESOE gebaseerd op de realistische efficiency en verbruiksgetallen die uit de proces modeleringsstudie komen. Deze zijn ingevoerd in berekeningen waarin de kostprijs van de apparatuur geschat is, samen met operationele kosten en energieprijzen in verschillende landen. 1. Project gegevens Het project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken, regeling EOS: Nieuw Energieonderzoek, uitgevoerd door AgentschapNL. Het project is uitgevoerd door HyGear bv. in Arnhem tussen 1 januari 010 en 31 december 010. Contact persoon voor meer informatie bij HyGear is Dick Lieftink. Er zijn geen verdere openbare publicaties naar aanleiding van dit onderzoek verschenen. HYG-SOE-RP.006 Confidential & Proprietary 4
Resultaten Het project heeft een proces model opgeleverd dat het RESOE proces, naast ander elektrolyse methoden kan modeleren. Dit model kan gebruikt worden in verdere studies van waterstof productie systemen op basis van elektrolyse. De modeleringstsudie heeft aangetoond dat de belangrijkste parameters voor een goed, efficiënt lopend proces met name de temperatuur van de RESOE en de stroomdichtheid van het membraan zijn. De meeste andere parameters zijn gerelateerd aan de hoeveelheid geproduceerde warmte. Wanneer deze gebruikt wordt om stoom te maken, zijn dit geen warmte verliezen en hebben daarom geen negatieve invloed op het proces. De stoom kan gewoon in de elektrolyse gebruikt worden. De berekeningen laten zien dat de efficiëntie van het RESOE systeem tussen de 76 en de 84% kunnen liggen terwijl voor stoom reforming systeem efficiëntie van 70% gehaald kan worden en voor conventionele elektrolyse rond de 73%. Een systeem model gebaseerd op buisvormig reactoren is gemaakt. Dit heeft als voordeel boven plaatvormige reactoren dat de afdichtingen gerealiseerd worden bij veel lagere temperaturen rond de 100 C waar de keuze aan afdichtingsmaterialen g roter is en een betrouwbaarder en goedkoper systeem mogelijk is. In het uiteindelijke reactor design is rekening gehouden met de temperatuursverdeing over de reactorbuizen zoals die uit de modeleringstudie komen. Tevens is er rekening gehouden met het minimaliseren van transport verliezen van de elektriciteit bij de hoge stroomsterkten die nodig zijn bij de elektrolyse, De interne verbindingen zijn zo kort mogelijk gehouden. De economische evaluatie laat zien dat het RESOE systeem waterstof zou moeten kunnen produceren tegen de kosten van een stoom-reformer. Dit komt met name door het veel lagere elektricteitsverbruik dan conventionele elektrolysers. In delen van de wereld waar de prijs van elektriciteit laag is, is de RESOE uiteraard sneller prijs competitief dan elders. De investerings-, operationele en de brandstof kosten zijn vergeleken met een stoomreformer gebaseerd systeem, een alkaline elektrolyser, een conventionele vaste oxide elektrolyser en het RESOE systeem. Voorwaarde is wel dat de kosten van een stack de komende jaren sterk daalt zoals wordt voorspeld door stack leveranciers voor vast stof brandstofcellen. Bij een huidige prijs van waterstof uit pakketten van $1/kg kan het RESOE systeem goed concurreren. De vraag blijft uiteraard wel wat de prijs van waterstof wordt de komende jaren als de vaste oxide technologie moet rijpen. De knelpunten die naar voren zijn gekomen in deze studie liggen vooral aan de kant van de beschikbaarheid van de materialen voor de vast oxide stacks. Deze zijn momenteel nog vrij exotisch en duur, maar bij een toenemende vraag naar vast oxide brandstofcellen en elektrolysers kan door de vergroting van het marktvolume de prijs aanzienlijk omlaag. HYG-SOE-RP.006 Confidential & Proprietary 5
3 Bijdrage aan de doelstellingen van EOS: Nieuw energieonderzoek Criterium 1: Nieuwheid De mate waarin het voorstel niet-conventioneel en nieuw is. Elektrolyse is niet nieuw. De technologie is commercieel verkrijgbaar zolang het gebaseerd is op alkalinetechnologie en semicommercieel indien polymere membranen worden toegepast. Het toepassen van keramische zuurstofgeleidende membranen is relatief nieuw en een logisch gevolg van de stormachtige ontwikkelingen op het gebied van vaste oxide brandstofcellen (SOFC). Op dit gebied zal echter nog veel onderzoek nodig zijn voordat er concrete producten op de markt zijn. Het reactor model zoals voorgesteld in deze rapportage is nieuw doordat de combinatie van electrolyse en oxidatie van koolwaterstoffen en reformaat nog niet eerder zijn geëvalueerd op zowel technisch als economisch vlak. Criterium : Bijdrage aan de verduurzaming van de energiehuishouding De mate waarin het project bijdraagt aan de verduurzaming van de energiehuishouding. Decentrale electrolyse voor de productie van waterstof heeft een efficicientie van rond de 60%. Een grote efficiency slag in de elektrolyse kan ontstaan indien de Reforming Enhanced mode wordt ingezet. Het blijkt dat een verbetering van 10% in efficiency mogelijk moet zijn in het opereren van een elektrolyser. De studie is gebaseerd op het gebruik van methaan of reformaat geproduceerd uit een reformer systeem. Het is heel goed mogelijk een koolwaterstof stroom uit duurzame bronnen als biogas of bioethanol te maken. Het veel lagere elektriciteitsgebruik voor het RESOE systeem heeft ook tot gevolg dat transport verliezen bij de aanvoer van de stroom lager zijn. Wanneer de koolwaterstof ook decentraal geproduceerd wordt zoals mogelijk is bij biogas dan is daar een dubbele winst bij het energie transport te halen. Criterium 3: Potentie voor energieonderzoek Het project moet in potentie kunnen leiden tot een nieuw energieonderzoeksgebied of een nieuwe richting binnen een bestaand onderzoeksgebied (voor een omschrijving zie de begrippenlijst in de handleiding). Het project kan leiden tot meer onderzoek op het gebied van elektrolyse in het algemeen en in het bijzonder op het produceren van materialen die geschikt zijn om in dunne lagen te worden aangebracht om het transport van ionen (O - of H + ) te versnellen. Dit kan ook tot gevolg hebben dat de processen bij lagere temperatuur kunnen verlopen hetgeen voordelen heeft voor materiaal keuzes voor afdichtingen etc. Ten behoeve van het thema Efficiency in de industrie heeft dit project laten zien dat elektrolyse verbeterd kan worden en bij decentraal gebruik een extra voordeel heeft van het lager vervoer capaciteit van elektriciteit. De kosten voor waterstof gemaakt met elektrolyse kunnen dalen. Het project resultaat kan ook een impuls geven aan het onderzoek van het gebruik van biomassa voor de productie van waterstof. Het omzetten van biomassa naar reformaat is goed mogelijk en de combinatie van deze technologie met elektrolyse leidt tot nieuwe mogelijkheden van integratie van technologieën op kleine/ pilot schaal voor decentraal gebruik. In het kader van nieuw gas/schoon fossiel brengt het RESOE project een systeem dat flexibiliteit brengt ten opzichte van de beschikbaarheid van elektriciteit en koolwaterstoffen. In de waterstofeconomie wordt een dual-fuel situatie voorzien tussen elektriciteit en waterstof. Deze dienen efficiënt in elkaar te worden geconverteerd. Zowel brandstofceltechnologie als elektrolyse vormen technologische hoekstenen. Daarnaast dienen alle reststromen te worden benut. De RESOE technologie biedt hiervoor uitkomst. HYG-SOE-RP.006 Confidential & Proprietary 6