Til hovedinnhold

– Hydrogen har flere bruksområder enn bare brenselceller, som vi vanligvis diskuterer, slår forsker Hanne Kvamsdal fast. Hydrogen kan også benyttes for å minske CO2-utslipp fra gasskraftverk, ved hjelp av en dampreformeringsreaktor med integrert hydrogenmembran.

Sammen med kolleger i SINTEF har Hanne Kvalmsdal gjort en helhetlig analyse over fremtidige teknologiske løsninger innenfor klimavennlige gasskraftverk. Hensikten er å kunne si noe om hvilke løsninger forskerne bør satse på.

I et strategisk institutt program (SIP) har SINTEF og NTNU forsket nærmere på en knippe metoder som alle, i utgangspunktet, skal være bedre, billigere eller mer energieffektive løsninger enn dagens teknologi for klimavennlig gasskraft. I dag er spriket i pris mellom konvensjonell gasskraft og gasskraft med redusert utslipp stort.

For å redusere CO2-utslipp ved kraftproduksjon fra naturgass, er hovedsakelig tre typer løsninger aktuelle:

  • CO2 kan separeres fra oksygengassen etter forbrenning ved hjelp av kjemisk absorpsjon.
  • Naturgassen kan forbrennes med rent oksygen istedenfor luft som gir enklere innfangingsmetode for CO2.
  • CO2 kan fanges inn før forbrenning ved hjelp av reformering av naturgass til hydrogen og CO2. I det siste tilfellet brukes hydrogen som brensel, mens CO2 fjernes fra gassen.

Men hver av disse metodene fører til en reduksjon i energivirkningsgrad for anlegget med ca 10 % poeng sammenlignet med konvensjonelle kombinerte anlegg (gassturbinprosess + dampturbinprosess), samtidig som antall prosessenheter i anlegget øker.

Mulige forbedringer
Det er mulig å forbedre dette bildet ved for eksempel å ta i bruk uorganiske membraner for gass-separasjon. SINTEF Materialteknologi har forsket på slike membraner i den fireårige SIP’en, og SINTEF Enerigforskning har innenfor det samme prosjektet arbeidet med systemanalyse av hele gasskraftanlegget for å kartlegge potensialet ved bruk av ny teknologi.
– Blant annet er det studert hvordan en hydrogenmembran som er integrert i en dampreformeringsreaktor kan brukes i forbindelse med CO2-innfanging før forbrenning. (En forenklet prosesskisse er vist i figur 1.)
– Dette har vært mulig ved å utnytte den tverrfaglige kompetansen som finnes i SINTEF, sier Hanne Kvamsdal.
– Teknologien vi jobber med er ny, og er ennå ikke kommersielt tilgjengelig. Forskningen har foregått i laboratorier og ved hjelp av datasimuleringer.

Mer kompakt, flere prosesser
– En trend innenfor prosessindustrien er å utvikle prosessutstyr som er mer kompakte og som utfører flere prosesstrinn i en og samme enhet. En membranreaktor kombinerer reaksjon, varmeveksling og separasjon i samme enhet, forklarer Kvamsdal.
– En slik reaktor kan bestå av et rør dekket med en membran plassert på innsiden av et annet rør som er fylt med katalysator hvor de kjemiske reaksjonene foregår. Utenfor det ytterste røret strømmer det varm gass, for eksempel eksosgass, for å utnytte varmen fra denne i dampreformeringsreaksjonen. Samtidig som de kjemiske reaksjonene foregår, separeres hydrogen fra de andre produktene (hovedsakelig CO2 og H2O) gjennom membranen (prinsippskisse vist i figur 2). Den drivende kraften for transport gjennom membranen er forskjellen i partialtrykk på føde og permeatsiden.

Kjemisk likevekt
I en vanlig dampreformeringsreaktor varmes naturgassen sammen med vanndamp til høyt trykk og høy temperatur. Da omdannes vann og metan til CO, CO2 og hydrogen. Det skjer ved ca 800-1000 ºC, og krever dyre materialer og er energikrevende. Ved 900 ºC og 30 Bar oppstår det en likevekt der rundt 90 % av metanet har reagert.

– I vår modell av membranreaktoren er det antatt at det innstilles kjemisk likevekt. Når hydrogen kontinuerlig fjernes fra likevektsblandingen vil likevekten forskyves mot høyre, dvs høyere utbytte av produktene. På grunn av likevektsforskyvning kan en membranreaktor drives ved lavere temperatur og likevel oppnå samme eller bedre utbytte. Dette membranreaktorkonseptet viser en lovende tendens, men det er verdt å merke seg at det er noen ulemper som kommer klarere fram når vi tar hele prosessen i betraktning.

Hele prosessen under ett
I utgangspunktet kan membranreaktoren opereres ved lavere temperatur, men i motsetning til en autotermisk reaktor hvor varmebehovet dekkes ved intern forbrenning, må varmebehovet dekkes av ekstern forbrenning, som ikke er så effektivt. Videre tas hydrogen ut på lavtrykksiden av membranen slik at denne strømmen enten må rekomprimeres før turbinen eller hele anlegget må opereres ved et mye høyere trykk.
– På den annen side så er det en fordel med membranreaktoren som ikke kommer frem når vi beregner energivirkningsgraden, sier Kvamsdal.
– Membranreaktoren erstatter en del prosessutstyr, derfor er det viktig å vurdere investeringskostnader når de forskjellige konseptene skal sammenlignes.
– Vi ser også at bruk av membranreaktor er en effektiv måte å produsere hydrogen på i mindre skala, sier Kvamsdal.

Figur 1: Prinsippskesse for plassering av en membranreaktor i en kraftprosess med CO2-innfanging.

Figur 2: Prinsipp og konfigurasjon for en typisk hydrogen membranreaktor


Kontakt: