Energi- og miljøteknologi på IFE

Transkript

1 Energi- og miljøteknologi på IFE Fornybar energi Solenergi Vind Varmepumper Hydrogen som energibærer Produksjon Elektrolyse, biogass, naturgass Lagring Systemanalyse CO 2 -håndtering Fangst Undergrunnsdeponering Industriell bruk

2

3 Verdikjede solenergi SiO 2 Dirty Si High Q. Si Ingot Wafer Solar Cell Module Energy System

4 Hovedaktiviteter på IFE Råmateriale Produksjon ultrarein silisium ved dekomponering av silan i forskjellige typer reaktorer Krystallisering Modellering av krystalliseringsprosesser Solceller Prosess utvikling Prosess optimalisering Karakterisering Modellering Sol-moduler Material karakterisering Design Sol energi systemer Energi system analyse Energi system testing Utdanning M.Sc./M.Tech., PhD, Post. Doc. UNIK 4450 Solceller Personell personer, heltid

5 Solcelle laboratoriet Produksjon av silisium Industriell F&U prosesslinje for produksjon av krystallinske silisium baserte solceller Laboratorium for karakterisering av wafere og solceller Struktur Elektrisk Optisk Et PV - system laboratorium Samarbeidspartnere: Elkem Solar, REC, Norsun, Silansil, Metallkraft Utvider virksomheten planlegger nytt laboratoriebygg

6 Hydrogen som energibærer Utfordringer: Effektiv, billig produksjon av hydrogen Trygg, energi- og kostnadseffektiv lagring til stasjonær og mobil bruk

7 Hydrogensamfunnet 300 kg 4 kg H 2 Mg 2 NiH 4 LaNi 5 H 6 Liquid H 2 H 2 gas (200 bar) L. Schlapbach, A. Zuttel Nature 414 (2001)

8 Nøytron diffraksjon - JEEP II reaktor, IFE JEEP-II PUS høy oppløselig pudder diffraktometer

9 Innovative løsninger basert på metallhydrider Første fase: Metallhydridkompressorer Solvarme Metallhydrid Andre fase: Hybridtanker (trykksatte metallhydrider) H 2 kjøling H 2 Mekanisk elkraft H 2 -produksjon H 2 -kompresjon H 2 -lagring og fylling H 2 -Sluttbruker (kjøretøyer)

10 Hydrogenproduksjon Fra naturgass med integrert CO 2 -fangst PRE combustion teknologi produksjon av hydrogen før energiproduksjon

11 Dampreformering (SMR) Mer enn 90% av all hydrogen produseres på denne måten. Prosessteg I Prosessteg II Prosessteg III Prosessteg VII Dampreformering CH 4 +H 2 O = CO+3H 2 Vannskiftreaksjon (høy T) Trinn I - HTS CO+H 2 O = CO 2 +H 2 Vannskiftreaksjon (lav T) Trinn II - LTS CO+H 2 O = CO 2 +H 2 Typisk gasssammensetning Høyere H 2 -renhet. Pressure Swing Adsorption (PSA) H 2 99,999% 98,2% H 2 P = 3-25 atm T = o C Nikkelbasert katalysator Energi fra føldegass (opptil 20-25%) blandet med avgasser fra H 2 - rensesystemet Prosessvariant PSA (pressure swing adsorption) process, serie senger med Molekylsil eller aktivert kull. T = o C Kromjernoksid katalysator 94% av CO blir konvertert T = o C Kobber-sink katalysator Typisk gasssammensetning 87,3% H 2 10,7% CO 2 0,7% CO 1,3% CH 4 0,01% CO 2 0,3% CO 1,5% CH 4 Prosessteg IV (skrubber) CO 2 -fjerning Aminabsorpsjons- Prosess o C Prosessteg V (stripper) Aminløsning regenereres ved dampstripping, o C 98,2% H 2 1,8% CH 4 Spor av CO og CO 2 Prosessteg VI CO Ni-katalysator T = 300 o C Typisk gasssammensetning Metaniseringsreaktor CO 2 -deponi/bruk

12 Dampreformering med CO 2 -absorbent (SE-SMR) Prosessteg I Prosessteg II Dampreformering med CO 2 -absorbent Regenerering av CO 2 -absorbent CH 4 +2H 2 O+CaO CaCO 3 +4H 2 CaCO 3 CaO+CO 2 CO 2 -deponi/bruk P = 1 atm T = o C Nikkelbasert katalysator Hydrogenutbytte mer enn 95% P = 1 atm T = 850 o C CO 2 -utbytte 100% Fordeler sammenlignet med SMR: Forenklet prosess > 95% H 2 oppnås i temperatur- intervallet ºC CO 2 separeres som integrert og nødvendig del av prosessen Ikke et fordyrende rensetrinn Rein CO 2 leveres i regenereringsprosessen

13 Gasskraftverk med CO 2 - håndtering A Zero Emission Gas power concept Vann NG H 2 CaCO Reformering 3 Kalsinering Reaktor 1 Reaktor 2 CO 2 Deponering, industriell bruk CaO CaO CaCO 3 H 2 NG Luft Spillvarme 1000 o C SOFC El Reaktor 1 (Reformering): CaO(s) + CH 4 (g) + 2H 2 O(g) CaCO 3 (s) + 4H 2 (g) Reaktor 2 (Kalsinering): CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g)

14 ZEG energi effektivitet ZEG CO 2 NG ZEG PROSESS El H 2 Elektrisk effektivitet = Netto elektrisitet ut Netto energi inn Total effektivitet = = E El 100% 80 % E NG E H2 E El + E H2 E NG 100% 90 %

15 ZEG-lab verifiseringsenhet 1 kw, SOFC stack modul 2 kw, H 2 -produksjon

16 System design ZEG 2 kw verifiseringsenhet RISAVIKA H 2 -reaktor Kjølere Brensel celle Varme vekslere Kompressor

17 CO 2 - Verdikjeder CO 2 brukt til EOR CO 2 -utskillelse CO 2 som industrikjemikalie for verdiskaping i mineralindustrien VISJON: Ny norsk industri - basert på norske naturressurser, - og samtidig løse Norges CO 2 problem

18 Norge har mange unike forekomster av industri mineraler Olivin Eklogitt (rutil) Anortosit Redusere kostnadene for binding av CO 2 og øke verdien av mineral ressurser Forbedre kvalitet og utvinningsgrad av eksisterende produkter Utvikle nye verdiprodukter og redusere mengde avfall Sikker lagring av CO 2 Ilmenitt

19 Kretsløpsskisse Gruvedrift Naturgass CO 2 Prosesseringsanlegg UTFELT SILIKA Olivin Magnesitt (MgCO 3 ) MgCO 3 MgCO 3 Slurry / pressing av blokker

20 Silika kvarts SiO 2 Foredlingsverdi Eksempel på verdiøkning for kvarts, NOK pr. tonn Fyllmasse Smelteverk Pukk Glass Keramikk Solceller Halvledere Brudd Knusing Separasjon Finmaling Syrevasking Smart pros Kilde: North Cape Minerals, seminar IFE Kjeller Utfelt silika (6.000 nov. 06)

21 OLIVIN Nordfjord, Sunnmøre Mg 2 SiO 4 Dunitt ( > 90% olivin) Reserver > 2 milliarder tonn Årlig produksjon 2.5 millioner tonn 90% av verdens produksjon av olivin Potensial: Økonomisk storskala deponering Deponeringskapasitet: mill. tonn CO 2 årlig i 50 til 100 år 8-16 Kårstø (3.5 TWh) kraftverk Mg 2 SiO 4 + 2CO 2 = 2MgCO 3 + SiO = (mill. tonn)

22 Ny norsk industri olivin og naturgass K R A F T P R O D U K S J O N Naturgass CH 4 Hydrogen H 2 Transport CO 2 Olivin Mg 2 SiO 4 Magnesitt MgCO 3 Silika SiO 2