Zero Emission Gas - teknologien -- mer effektiv og lavere kostnad --

Transkript

1 Zero Emission Gas - teknologien -- mer effektiv og lavere kostnad -- Bærekraftig energiproduksjon fra hydrokarboner Bjørg Andresen Forskningsdirektør CLIMIT-dagene 2010, oktober

2 Innhold ZEG-teknologien Status SE-SMR Reaktorteknologi Sorbenter SOFC Langtidstest Stackutvikling Hybride løsninger Teknisk økonomiske evalueringer Storskala anlegg Konklusjon

3 ZEG-teknologien Samtidig produksjon av elektrisitet og hydrogen med integrert CO 2 -fangst Elektrisitet fra høytemperatur brenselcelle (SOFC) Hydrogenproduksjon ved reformeringsteknologi (SE- SMR) som utnytter spillvarme fra SOFC Høy virkningsgrad (80-90%) Patentert teknologi

4 Prosjektelementer - teknologiutvikling Hydrogenproduksjon med integrert CO 2 -fangst (SE-SMR) Sorbenter Reaktorteknologi og modellering SOFC-teknologi Nye hybride systemer Systemdesign og modellering Sensorteknologi Flowmåling, høye temperaturer Måling gass-sammensetning ved høye temperaturer med IR Teknisk-økonomiske analyser Storskalaproduksjon Kritiske elementer Energieffektiv varmeintegrering Høytemperatur varmeveksling, regenerering av absorbent Termisk integrering SE-SMR/ SOFC Høytemperatur resirkulering av hydrogen CO 2 - sorbenter og reformeringskatalysator Langtidstesting

5 Reaktor teknologi, SE-SMR Utvikling av fluidized bed reaktorteknologi for SE-SMR Dual Bubbling Fluidized Bed (DBFB) reaktor system Hot filtration unit Reformate Top cyclones REG cyclones Hot filtration unit Purge tank CO 2 / steam Purge tank REF cyclones Make-up tank Make-up tank (catalyst) (dolomite) Riser Heating medium out Loop seal 2 HEX P-13 Regenerator Regenerator Heating medium in Loop seal 1 P-15 Reformer Steam Reformer feed

6 SE-SMR, sorbenter Naturlige CO 2 -sorbenter Hovedsaklig kalsitt og dolomitt (Ca-baserte) God tilgjengelighet og lav kostnad Stor absorpsjonskapasitet og tilfredstillende reaksjons kinetikk Bevist økt hydrogen utbytte > 95 vol% Men, begrenset holdbarhet mht multi-sykling

7 Utvikling av Ca-baserte sorbenter Termisk behandling CaO / Ca 3 Al 2 O 6 Ca 12 Al 14 O 33 CO 2 Ca12 CaO Ca12 CaCO 3 Homogene partikler Dekomponering av aluminate / Migrering på overflaten/ Karbonatisering 7 Ca 3 Al 2 O CO 2 (+ H 2 O) Ca 12 Al 14 O CaCO 3 (+ H 2 O) Termisk behandling

8 Kjemiske egenskaper TGA multi-cykling Kinetikk ved CO 2 absorpsjon Høy kjemisk stabilitet ved multi-cykling (>200 cykler) ved harde kalsinerings betingelser Partiklene taper ikke reaktivitet

9 Mekaniske egenskaper Innovativ metode for produksjon av sorbent partikler Calcined Powder Compaction Thermal treatment Porøs / Inert keramisk matriks Små partikler av CaO homogent fordelt Begrenset sintering Høy reaktivitet Mekanisk styrke Høy spesifikk overflate (7m 2 /g)

10 All-in-one partikler (sorbent + katalysator) Inert support / CO 2 sorbent / reformerings katalysator - integrert i en partikkel Fordeler: - Reduserte kostnader (CAPEX & OPEX) - Bedre interaksjon katalysator/sorbent - Ingen separasjons problemer - Homogen reaktorseng H 2 CO 2 Sorbent H 2 O CaO CH 4 Catalyst Support Catalyst layer on the outer surface

11 Risavika - 1kWel + 1kWH2 verifiseringsenhet Long ZEG SOFC demonstrasjon Test perioder: , 2010 Drift av: and Mål: Oppgradering av prosessanlegg Stabil langtidsdrift av SOFC stack Ingen material degradering

12 Current (A) Voltage (V) Power (W) Temperature (oc) LongZEG - test data Power Temp 80 dagers drift Fem termiske sykler Time (days) Godt fungerende system (bortsett fra feil på varmeelement) Ingen degradering observert under drift av SOFC ved konstante betingelser Time (days) Volt Current

13 Konklusjoner, SOFC Driftserfaring basert på 80 dagers drift Ingen materialdegradering Signifikante endringer i temperaturen i testperioden på grunn av anvendte elektriske oppvarmere Test avsluttet på grunn av feil på de elektriske oppvarmerne Nye tester planlagt med ny stack med ytterligere forbedret design Forbedret distribusjon av drivstoff Nytt design av luft oppvarmere Har designet 3 generasjons stack med internmanifold for brensel og ekstern manifolder for luft basert på større plater Fordeler: Enklere og mer robuste manifolder Lavt trykktap Større plater gir lavere kostnader Interconnect produksjon i gang, ca 100 plater pr i dag

14 Hybride løsninger Prosess design og system integrasjon Høytemperatur varmeoverføring Air exhaust Air Air to SOFC Cathode SOFC Electricity Anode H 2 /steam Electricity Water Turbine/ HX system CO 2 /steam H 2 /steam Reformate to SOFC REF Reformer DBFB* section Sorbent + Catalyst Sorbent + Catalyst CO 2 /steam REG Catalyst make-up Sorbent make-up Heat transfer loop NG Reformer feed Steam to regenerator *Dual Bubbling Fluidized Bed Sep. H 2 Water handling Sep. CO 2 to compression CO 2 compr. unit Water CO bar Water

15 Teknisk økonomisk mulighetsstudie ZEG Power; produksjon av 400 MW el og 700 MW H2 Høy system effektivitet; > 80% Integrert CO 2 fangst; ~ 100% Konkurransedyktig økonomi

16 NPV (MEUR) Teknisk økonomisk mulighetsstudie Sammenligning av NPV- verdier, 400 MW el med CO 2 -fangst ZEG Power 723 MEUR IRCC (ATR, WGS, MDEA, CC) -183 MEUR -600 Years NG cost (EUR/MWh) 25.4 El. power cost/sales value (EUR/MWh) 75.0 Hydrogen sales value (EUR/MWh) 56.3 CO2 quota cost (EUR/ton) 20.6 CO2 sales value (EUR/ton) 20.6

17 Teknologiutvikling basert på omfattende FoUaktiviteter SE-SMR, reaktorer SOFC Risavika - 1kW el + 1kW H2 verifiseringsenhet Oppnådde resultater: Unik teknologi (patentert) Fokus på system integrasjon Ny patent søknad Fokus på bruk av teknologien Positive konklusjoner med hensyn til effektivitet og kostnader Basis for storskala kraftverk Positive laboratorie tester av de ulike teknologi elementene Bygging og test av 1kW el + 1kW H2 demo anlegg i Risavika Samtidig produksjon av elektrisitet og hydrogen med integrert CO 2 -fangst er demonstrert Gjennomført konsept design og kost estimat av 200kW el + 200kW H2 pilot

18 ZEG Power billigere og bedre Det konseptet som gir høyest energiutnyttelse (80%) Eneste konsept som har potensial til å produsere elektrisitet og hydrogen med integrert CO 2 fangst billigere enn det gjøres i dag Storskala kraftproduksjon (400MW) gir en produksjonskostnad på NOK 0.33 pr. kwh inkludert CO 2 -fangst Ingen uønskede utslipp (NO x, partikler, damp) Fleksibilitet; Mengde elektrisitet, H 2 (og varme) avpasses markedet Kan anvende alle typer hydrokarboner (naturgass, biogass, gassifisert kull/olje/biomasse)

19 Acknowledgment ZEG - FUTURE ENERGY PLANTS; Co-production of electrical power and hydrogen from natural gas with integrated CO 2 -capture; ( ) NFR ZeroGen Technologies for Zero Emission Power Plants ( ) NFR, Statoil ZEG 2kW Verification of process design in laboratory scale ( ) NFR, RGC, ZEG Power AS LongZEG - Long Term System and Material Test ( ) NFR, Statoil, ZEG Power 200 kw konsept og design studie ( ) Gassnova, Statoil, ZEG Power Prosjekt team: IFE Julien Meyer Johann Mastin Roger Smeets Bjørg Andresen CMR Prototech Tor Kristian Bjørnebøle Thomas Ryberg Ivar Wærnhus Arild Vik CMR Instrumentation Kjell-Eivind Frøysa TelTek Nils Henrik Eldrup