Hydrogen from biomass for industry - industrial application of hydrogen production based on dual fluid gasification

Abstract

Die vorliegende Dissertation umfasst eine detaillierte Untersuchung von Anlagenkonzepten für die Erzeugung von Wasserstoff aus Biomasse zur Einbindung in großindustrielle Produktionsprozesse. Der Fokus der Arbeit lag dabei auf den Einsatzmöglichkeiten: • der „Zweibett-Wirbelschicht-Dampfvergasung“ (dual fluid Vergasung), • sowie von „Sorption Enhanced Reforming“ (SER). Die genannten Prozesse wurden im Rahmen der Arbeit eingehend untersucht und für die Entwicklung neuer Anlagenkonzepte zur Produktion: (1) von hochreinem Wasserstoff für eine Raffinerie, und (2) von wasserstoffreichem Reduktionsgas für die Eisenproduktion eingesetzt. Als Ausgangsbasis für die Entwicklung der Anlagenkonzepte wurden umfassende Analysen durchgeführt: • „Stand der Technik“ im Bereich Biomassevergasung, • „Stand der Technik“ im Bereich Sorption Enhanced Reforming, • bestehende experimentelle Ergebnissen, • Betriebsdaten bestehender Großanlagen, • sowie eine umfassende Darstellung des ökonomischen Umfelds. Des Weiteren wurden im Zuge der Arbeit „Sorptionen Enhanced Reforming“-Versuche durchgeführt, um spezifische Daten für die Untersuchungen zu erhalten. Die Experimente wurden dabei mit Kalkstein durchgeführt, der bereits als Zuschlagsstoff in der Roheisenerzeugung eingesetzt wird. Die gewonnen Daten sowie die Erkenntnisse der Literaturrecherche wurden schlussendlich für die Modellierung von zwei neuen Anlagenkonzepten für die Wasserstofferzeugung genutzt: (1) Die Ergebnisse zeigten, dass mittels konventioneller dual fluid Vergasungstechnologie und mit Hilfe der technischen Elemente der Erdgasreformierung hochreiner Wasserstoff für eine Raffinerie erzeugt werden kann. Die Ergebnisse zeigten des Weiteren, dass für die Herstellung von 30 MW Wasserstoff, 50 MW an holzartiger Biomasse benötigt werden. (2) Der „Sorption Enhanced Reforming“-Prozess wurde für die Modellierung eines Anlagenkonzepts zur Bereitstellung von wasserstoffreichem Gases für die Roheisenerzeugung eingesetzt. Die Ergebnisse zeigten, dass für die Herstellung von 100 MW wasserstoffreichem Reduktionsgas, 133 MW an holzartiger Biomasse benötigt werden. Die Untersuchungen ergaben, dass sich beide Konzepte aus technischer Perspektive für weitere Umsetzungsschritte eignen. Der ökonomische Erfolg ist im Wesentlichen von der Entwicklung der Rohstoffpreise abhängig. Das derzeitige Preisniveau von Biomasse in Österreich (~22,5 €/MWh für Waldhackgut) im Vergleich zu Erdgas (~29 €/MWh) macht eine Umsetzung aus ökonomischer Sicht schwierig. Die Analyse der ökonomischen Parameter zeigte aber, dass im untersuchten Fall der Roheisenerzeugung, ein Brennstoffpreis unter 12 €/MWh bereits einen wirtschaftlichen Betrieb ermöglichen könnte. Die weitere Entwicklung der Vergasungstechnologien sollte sich daher auf kostengünstige Festbrennstoffe und erhöhte Brennstoffflexibilität konzentrieren.

The present work provides a detailed investigation of production pathways for the supply of hydrogen from solid biomass for industrial production processes. The investigations carried out, were focused on the capabilities of: • dual fluidized bed steam gasification (dual fluid gasification) • and sorption enhanced reforming (SER). These processes have been used to evaluate the large-scale generation of: (1) hydrogen with high purity for a refinery and (2) hydrogen-rich gas for iron production. The investigations carried out included a discussion of: • the state of knowledge in the field of biomass gasification • the state of knowledge in the field of sorption enhanced reforming, • existing experimental results, • as well as operational data from existing plants, • and an illustration of the economic environment. Additional sorption enhanced reforming experiments were conducted to contribute specific data for the plant development. During the experiments, limestone, a commodity already in use within the iron production process, was applied as bed material. In the end, the collected data has been taken for the calculation of two novel hydrogen production plants by the deployment of process simulation software: (1) The resulting mass and energy balances showed that hydrogen with high purity can be produced from biomass for a refinery. The production process used was based on conventional dual fluid gasification in combination with equipment well known from natural gas steam reforming. Results achieved, illustrated that 30 MW of hydrogen can be produced from 50 MW of woody biomass. (2) Sorption enhanced reforming has been applied to calculate the production of a hydrogen-rich reducing agent for an iron production. The results showed that 133 MW of woody biomass are necessary to supply 100 MW of hydrogen-rich reducing agent. Both “hydrogen production plants” have been considered suitable for pursuing implementation steps from a technological point of view. The economic assessment of both production processes showed that the success of the elaborated plants is strongly dependent on the future development of feedstock prices. The current price level of biomass in Austria (~22,5 €/MWh, wood chips) in comparison to the price level of natural gas (~29 €/MWh) is not supporting a hydrogen production from biomass. In the case of an iron production, an economic parameter analysis showed, that a fuel price below 12 €/MWh would create preferable economic precondition for the realization of the proposed plant. The results showed, that further research activities in the field of gasification technology need to concentrate on high fuel flexibility towards low price feedstock.