Utilisation of the natural gas grid for the hydrogen Infrastructure

Abstract

Der weltweite Energieverbrauch steigt seit Jahren. Neben vielen Gründen wie Versorgungsicherheit und Transportkosten bevorzugen vor allem Fragestellungen des Umweltschutzes die Verwendung von alternativen Energien. Besonders im Bereich der Stromerzeugung ist ein Wandel Richtung kohlenstoffarmer Technologien wie Wasserkraft, Wind-, Sonnenund Nuklearenergie vorhergesagt. Da jedoch die erhöhte Nutzung alternativer Energieformen die vorhande Stromnetzinfrastruktur herausfordern steigt die Wichtigkeit von Energiespeichersysteme. Derzeit wird elektrischer Strom hauptsächlich mittels Pumpspeicherkraftwerken gespeichert. Da deren Potential jedoch als nicht ausreichend angesehen wird, sind Alternativen notwendig. Hier gelten chemische Energiespeicher als vielversprechende Technologie. In chemischen Energiespeichersystemen wird elektrischer Strom verwendet um Wasserstoff mittels Wasserelektrolyse herzustellen. Mit dem Gas können anschließend andere Substanzen wie Methan oder Methanol synthetisiert werden. Die Produkte können anschließend vor deren Verwendung gespeichert und transportiert werden. Für das Gas, oder in dieser Arbeit im speziellen Wasserstoff, gibt es mehrere Transportmöglichkeiten, jedoch am energieund kosteneffizientesten via Pipeline. Da das vorhandene Wasserstoffnetzwerk stark limitiert ist wurde der Co-Transport von Wasserstoff im bestehenden Erdgasnetzwerk untersucht. Während die Einbringung einfach möglich ist, ist die Abtrennung herausfordernd. The vorliegende Arbeit stellt eine Zusammenfassung mehrerer wissenschaftlicher Publikationen dar in jenen ein Prozess für die energieeffiziente Abtrennung von reinem Wasserstoff aus Mischungen mit Erdgas untersucht wurde. Der Hybridprozess, basierend auf Membrantrennung und Druckwechseladsorption ermöglicht eine selektive Abtrennung von Wasserstoff mit Brennstoffzellenqualität, spezifiziert in ISO 14687-2:2012 mit mindestens \SI{99.97}{\pvv} aus Mischungen mit geringem Wasserstoffanteil. In der Arbeit wird die technische Machbarkeit basierend auf Versuchsdaten gezeigt. Weiters wurde in einer umfangreichen Prozesssimulation mit validierten Prozesssimulationsmodelle verschiedene Verschaltungen untersucht und der ein optimierter Prozess identifiziert. In einer anschließend durchgeführten Sensitivitätsanalyse wurde der Einfluss von mehreren Parametern wie Feed Bedingungen, Verschaltung oder Prozessparametern untersucht. Da die Prozesssimulation herausfordernd, Zeitund Ressourcenintensiv ist, wurde basierend auf einem trainierten künstlichen Neuronalen Netzwerk und einer Hauptkomponentenanalyse ein vereinfachtes Model erstellt. Das Modell kann die zugrundeliegenden Prozesssimulationsergebnisse darstellen und hat eine gute Vorhersagefähigkeit. Daher kann das einfach zu implementierende Modell in weiteren Wirtschaftlichkeitsberechnungen und Standortanalysen verwendet werden. In einem alternativen Ansatz wird ein Prozesskonzept gezeigt welches die klassische Gas-permeation Membranen mit einer elektrochemischen Membrantrenneinheit kombiniert. Dieser neuartige Ansatz wurde im Zuge dieser Arbeit entwickelt, berechnet und als Patent angemeldet. Als Abschluss wird noch eine weitere potentielle Anwendungsmöglichkeit, des hier entwickelten konventionellen Trennprozesses basieren auf Membrantrenntechnik und PSA gezeigt um Helium von Erdgas abzutrennen, beschrieben. Dabei wird das Potential der entwickelten Technologie gezeigt um sie anderwärtig zu verwenden.

The global energy demand has been increasing for years. In addition to factors such as energy security and transportation costs, environmental issues especially promote the use of alternative energies. In particular, the power generation sector is expected to shift towards low-carbon technologies like hydropower, wind, solar and nuclear. The increased use of alternative energy sources challenges current power distribution grids and increases the importance of energy storage systems. As the potential of commonly used technology, pumped hydroelectric energy storage (PHES), is not expected to be sufficient, alternatives are needed to remedy this situation. Chemical energy storage (CES) is seen as a promising technology. In CES, electricity is used to produce hydrogen via water-electrolysis, which can be further synthesised into other chemicals like methane or methanol. The produced substances can be stored and transported. There are many ways to transport gas, particularly hydrogen, with transportation via pipeline being the most energyand costefficient option. As the existing hydrogen pipeline system is quite limited, co-transport in the natural gas grid has been investigated. While injection is straight-forward, extraction is challenging. The current work presents a summary of several published scientific articles investigating a process for the energy-efficient separation of high-quality hydrogen from mixtures with natural gas. The hybrid process concept using membrane technology and pressure swing adsorption (PSA) can produce hydrogen at fuel cell quality, specified in ISO 14687-2:2012 with at least \SI{99.97}{\pvv}, from low hydrogen feed concentrations (\SI{4}{\pvv}). The work shows the technological feasibility of the herein presented process based on experimental data. Further, validated process simulation models are used for process optimisation. In extensively performed process simulation, several process designs have been investigated that show the importance process design plays in an energy efficient process. A sensitivity analysis then shows the influence of several parameters including feed conditions, process design or process parameters. As process simulation is difficult as well as timeand resource-consuming, a reduced model based on a trained artificial neural network and a principal components analysis has been created and checked for plausibility. The model can represent the process simulation data and has good prediction capabilities. Therefore, the model can be used for an easy implementation of the complex process in further costand siting analysis. As an alternative, a process concept with a combination of gas-permeation membranes and an electrochemical membrane separation step that substitutes the complex and investment cost-intensive PSA was developed and submitted as patent application. Finally, this work presents an additional process application where the herein developed conventional separation process, based on membrane technology and PSA, is used to extract helium from natural gas. Therefore, a potential dual-use of the equipment can be seen.