Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Quellen. AER-Prozess

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1 FVS Workshop 10. November 2008 Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Quellen AER-Prozess Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW), Stuttgart

2 Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Quellen AER-Prozess Motivation Prinzip des AER-Prozesses Ergebnisse Ausblick

3 H2 production and consumption Production Consumption 5 x m³/a < 2% global energy demand Coal 18% via Ele ctrolys is 4% Oil Industry 35% Methanol 8% Others 6% Oil 30% Natural Gas 48% Chem ical Industry 51% Source: George A. Olah, Alain Geoppert, G.K. Surya Prakash: Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy, WILEY-VCH, 2006

4 Pathways to Hydrogen and Conversion Efficiencies Primary energy sources Coal Solar Natural gas biomass 1% gasification 59% reforming 76% gas separation Nuclear energy Hydro power Tidal power Wind power Solar Nuclear energy Solar process heat thermo-chemical cycles 50% direct turbine generation water electrolysis 100% 70% photovoltaic electric power 15% rankine cycle 40% 4% photo catalysis HYDROGEN Solar thermolysis / thermo-chemical cycles > 40% Source: Ewan B, Allan R: A figure of merit assessment of the routes to hydrogen. Int J Hydrogen Energy 30 (2005) supplemented

5 Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Quellen AER-Prozess Motivation Prinzip des AER-Prozesses Ergebnisse Ausblick

6 Biomasse Konversion Trockensubstanz Hu 18.5 MJ/kg C:H:O 50:6:44 gasförmige Produkte 80 % (2/3 Heizwert) Wasser 20-50% mineralische Bestandteile sonst. Inhaltsstoffe % fester Bestandteil Koks 20 % 1/3 (Heizwert) Wärmezufuhr

7 Festbettvergaser Imbert-Holzgasanlage Ford-LKW mit Imbert-Generatoranlage Quelle: Archiv-Verlag

8 Trockene Produktgaszusammensetzung Vergasungsmittel H 2 CO CH 4 CO 2 N 2 Luft 15% 20% 2% 15% 48% Sauerstoff 40% 40% 20% Wasserdampf 40% 25% 8% 25% 2% AER Process 65% 5% 13% 15% 2% Shift Reaktion CO + H 2 O CO 2 + H 2

9 AER - Reactions (Absorption Enhanced Reforming) Steam Reforming / Gasification of Biomass CH x O y + (1-y) H 2 O CO + (0.5x + 1 y) H 2 ΔH R >> 0 CO Shift Reaction CO + H 2 O CO 2 + H 2 ΔH R < 0 Combined with a HT-CO 2 Absorption CO 2 + CaO CaCO 3 ΔH R << 0 Overall ( C, 1 bar) CH x O y + (2 - y) H 2 O + CaO CaCO 3 + (0.5 x y) H 2 ΔH R 0

10 AER-Process: Twin Fluidised Bed Gasifier - Allothermal - in situ CO 2 Removal H 2 -rich Product Gas CO 2 -rich Flue Gas ABSORPTION ENHANCED REFORMING Gaseous Products CaO Chemical Loop COMBUSTION + CALCINATION Biomass AER Gasifier CaCO 3 Solid Products Add. Fuel Regenerator Steam T = C (1 bar) Air T > 800 C (1 bar)

11 Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Quellen AER-Prozess Motivation Prinzip des AER-Prozesses Ergebnisse Ausblick

12 Goal of AER (Absorption Enhanced Reforming) Biomass Gasification Process Innovative Process with > 70 Vol.-% H 2 in Raw Gas > 15 Vol.-% CH 4 (+ C n H m ) in Raw Gas Low Tar Content in Raw Gas < 500 mg/m NTP 3 Utilisation of Low Rank Biomass (e.g. Straw) Poly-Generation from Biomass Electricity (Gas Engine; Future Option: Fuel Cell) District Heat Fuel (Future Option: H 2, SNG, adapted Syngas) AER: Absorption Enhanced Reforming

13 Test of AER-Process in Biomass 8 MW th Power Plant Güssing / Austria Biomasse-Kraftwerk Güssing GmbH AER Advantages: High Efficiency High H 2 Content Low Rank Biomass Adapted Gas 07/2007: Successful AER Test Campaign in Güssing, next Campaign 2008 Source: TUV

14 Coupling AER Biomass Gasification / Fuel Cell Fuel Gas via Biomass Gasification Energy Carrier Fuel Utilisation in Fuel Cells On-site Power Plant Syngas SOFC / MCFC Δ CHP Biomass AER Gasifier Product Gas >60% H 2 Cleaning PSA H 2 SNG Remote Ref. / PSA H 2 PEM FC PEM FC Transportation Sector Methanation SNG SOFC / MCFC Δ CHP SNG Ref. PEM FC Δ μ-chp

15 Verfahrenskonzept: H 2 -Erzeugung via thermochemische Konversion im DFB H 2 -reiches Produktgas Grobreinigung Feinreinigung PSA H 2 CO 2 -reiches Abgas Purgegas Vergasung Biomasse Motor Strom/ Wärme Dampf Luft

16 Methanation of CO x in Bio-Syngas CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O(g) ΔH 298K = kj/mol CH4 CO H 2 CH H 2 O(g) ΔH 298K = kj/mol CH4 2 CO + 2 H 2 CH 4 + CO 2 ΔH 298K = kj/mol CH4

17 Experimental Result: SNG from AER Product Gas Educt Gas Intermediate Gas Product Gas H 2 66,5% Vol.% CH 4 80,3% Vol.% CH 4 90,9% Vol.% CO 2 13,0% CO 8,5% CH 4 12,0% H 2 12,2% CO 2 7,5% CO 0,02% H 2 4,2% CO 2 4,9% Methanation Methanation H 2 57,0% CH 4 96,0% LHV CH 4 99,0% LHV 3,49 kwh/nm³ LHV 8,37 kwh/nm³ LHV 9,19 kwh/nm³ CH 4 CO 34% 9,0% Wobbe Index 6,26 kwh/nm³ H 2 4,0% Wobbe Index 12,32 kwh/nm³ H 2 1,0% Wobbe Index 13,35 kwh/nm³

18 Comparison Electricity, Electricity/H 2, SNG via AER Process LHV(H2/SNG)_out/(LHV_bio_in+P_el) P_el_out/(LHV_bio_in+P_el_in) Q_out 100% 90% 80% 70% efficiency [%] 60% 50% 40% 30% % 10% % electricity H2 + electricity SNG

19 Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Quellen AER-Prozess Motivation Prinzip des AER-Prozesses Ergebnisse Ausblick

20 AER-Leuchtturm-Projekt mit Anbindung an das Biosphärengebiet Schwäbische Alb Vorhaben: Transfer AER-Ergebnisse in neues 10 MW th Kraftwerk Kooperation mit Industrie, Energieversorger, Unis Standort zwischen Geislingen und Widderstall: Fernwärme-, Erdgasnetz, Biomasse vorhanden FuE-Plattform BtG (Biomass-to-Gas) am Kraftwerk etablieren: wissenschaftliche Begleitung innovative Nutzung des AER-Produktgases

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