High-purity hydrogen production via biomass gasification

Abstract

Das fortschreitende Wachstum der Industrie und die ungebremste Nutzung von fossilen Ressourcen haben die globale Erwärmung vorangetrieben und letztendlich zu einer Klimakrise geführt. Eine drastische und rasche Reduzierung der Treibhausgasemissionen ist unerlässlich, um die Auswirkungen und Schäden der Klimakrise auf Ökosysteme und Gesellschaften zu begrenzen. Eine Lösung ist der flächendeckende Einsatz erneuerbarer und emissionsarmer Technologien, die den Weg zur Klimaneutralität ebnen. Die Kombination der Gaserzeugung aus Biomasse mit nachfolgender Aufbereitung und Reinigung des Produktgases wird als praktikabler Ansatz für die Bereitstellung von nachhaltigem und hochreinem Wasserstoff angesehen. Dieses Konzept nutzt die Ähnlichkeiten zum Stand der Technik, nämlich der Dampfreformierung von Erdgas und Gaserzeugung aus Kohle, und die in der fossilen Industrie über Jahrzehnte gewonnenen Erkenntnisse, wodurch eine schnelle Technologieentwicklung ermöglicht wird.Diese Arbeit untersucht die Herstellung von hochreinem Wasserstoff über zwei verschiedene Gaserzeugungstechnologien, die für Klein- und Großanwendungen geeignet sind, hinsichtlich ihrer technischen Machbarkeit, technologischen Herausforderungen und wirtschaftlichen und ökologischen Positionierung unter den erneuerbaren Technologien. Die Festbettgaserzeugung ist eine unkomplizierte Gaserzeugungstechnologie, die in Österreich häufig in Blockheizkraftwerken eingesetzt wird. Die Integration einer Produktgasaufbereitung in diese bestehende Infrastruktur hat das Potenzial, die lokale Wertschöpfung durch die dezentrale Produktion von hochreinem Wasserstoff und möglicher vor-Ort Nutzung zu steigern. Für die großtechnische Produktion von hochreinem Wasserstoff kann die Zweibettwirbelschicht-Gaserzeugung aus biogenen Reststoffen, wie z. B. Rindenmulch, als gut geeignet angesehen werden um verschiedene Industriesektoren zu defossilisieren. Die Methodik dieser Arbeit umfasst somit (1) den Entwurf und die experimentelle Untersuchung einer input-flexiblen Prozesskette im Pilotmaßstab zur Herstellung von 1 kWH2 an hochreinem Wasserstoff gekoppelt mit den zwei verschiedenen Gaserzeugern, (2) den Entwurf, das Scale-Up und die Inbetriebnahme einer 100 kWH2 Demonstrationsanlage (BioH2Modul) zur integrierten und dezentralen Produktion von PEM-Brennstoffzellen geeignetem Wasserstoff, (3) die Konzeptionierung, sowie technoökonomische und ökologische Analyse für die dezentrale und zentrale Produktion von hochreinem Wasserstoff. Aus den Untersuchungen lässt sich schlussfolgern, dass die Produktion von hochreinem Wasserstoff (≥99,97 vol.-%) sowohl über die mit Luft betriebene Festbettgaserzeugung aus Holzhackschnitzeln als auch über die Zweibettwirbelschicht-Gaserzeugung aus Rindenmulch technisch machbar ist. Experimente mit dem Festbettgaserzeuger zeigten, dass (1) Eintrittstemperaturen von 300 °C für die Wassergas-Shift Reaktion gut geeignet sind, um 96 % des CO effizient umzuwandeln, und (2) die prominent vertretenen Teerverbindungen der Klassen 2 und 3 über den Fe/Cr-basierten Wassergas-Shift Katalysator weitgehend umgewandelt werden. Darüber hinaus erwies sich Rindenmulch als geeigneter Brennstoff für die Herstellung von hochreinem Wasserstoff mittels Zweibettwirbelschicht-Gaserzeugung, mit dem Vorteil, dass (1) Kohlenstoffablagerungen an dem Wassergas-Shift Katalysator ohne zusätzlichem Überschussdampf verhindert werden können, und (2) hohe Raumgeschwindigkeiten angewandt werden können. Generell wurde in der Druckwechseladsorption der typische Kompromiss zwischen Wasserstoffreinheit und -rückgewinnung beobachtet, bei welchem eine geringfügige Verringerung der Wasserstoffreinheit zu einer deutlichen Steigerung der Rückgewinnung führt. N2 und Ar zeigten den schnellsten Durchbruch, wobei dies als weniger kritisch angesehen werden kann, da es sich um die für PEM-Brennstoffzellen am wenigsten schädlichen Verunreinigungen handelt.Die Integration der entwickelten Demonstrationsanlage (BioH2Modul) in eine bestehende Energiezentrale mit Blockheizkraftwerken war erfolgreich, da die Kopplung des Festbettgaserzeugers mit entweder dem Verbrennungsmotor oder dem BioH2Modul einfach realisiert werden konnte. Somit kann eine flexible Wärme- und Strom- oder Wasserstofferzeugung angestrebt werden. Die technoökonomische Analyse der vorgeschlagenen Konzepte hat gezeigt, dass die berechneten Gestehungskosten für die Produktion von 1 MWH2 und 60 MWH2 an hochreinem Wasserstoff mittels Festbettgaserzeugung (12,5 €/kgH2) und Zweibettwirbelschicht-Gaserzeugung (4,7 €/kgH2) im Schwankungsbereich der in Österreich zu erwartenden Wasserstoffgestehungskosten der Elektrolyse liegen. Die geschätzten CO2-Fußabdrücke von 15 gCO2.eq/MJH2 und 11 gCO2.eq/MJH2 liegen deutlich unter dem fossilen Referenzwert (94 gCO2.eq/MJH2) und sind vergleichbar mit den CO2-Fußabdrücken der Elektrolyse. Durch die Umsetzung eines BECCS Konzepts könnten sogar negative CO2-Emissionen erzielt werden. Aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht kann die Wasserstofferzeugung durch die Gaserzeugung aus Biomasse gegenüber der Elektrolyse, der derzeit marktreifsten Technologie zur Erzeugung von erneuerbarem Wasserstoff, konkurrenzfähig sein.

The progressive growth of industry and the unrestrained consumption of fossil resources have driven global warming and ultimately led to a climate crisis. A drastic and rapid mitigation of greenhouse gas emissions is indispensable to limit the impacts and damage of the climate crisis on ecosystems and human societies. One solution is the far-reaching deployment of renewable and low-emission technologies that pave the way to climate neutrality. The combination of biomass gasification with downstream product gas upgrading and purification is considered a suitable approach for providing sustainable and high-purity hydrogen. This concept leverages the advantages of similarities to state-of-the-art processes, namely natural gas steam reforming and coal gasification. Hence, knowledge gained in the fossil industry over decades can facilitate a rapid technological development. This work investigates high-purity hydrogen production via two different gasification technologies, suitable for small-scale and large-scale applications, in terms of their technical feasibility, technological challenges, and their economic and ecological position among renewable technologies. Air-blown fixed-bed gasification is a simple gasification technology widely deployed in combined heat and power plants in Austria. Integrating small-scale product gas upgrading into this existing infrastructure has the potential to increase local added value through the decentralized production of high-purity hydrogen for possible on-site use. For the large-scale production of high-purity hydrogen, advanced dual fluidized bed steam gasification of biogenic residues, such as bark mulch, can be considered well-suited for defossilizing different industrial sectors. The methodology of this thesis thus comprises (1) the design and experimental investigation of an input-flexible pilot-scale process chain for 1 kWH2 high-purity hydrogen production in combination with the two different gasifiers, (2) the design, scale-up, and commissioning of a 100 kWH2 demonstration-scale process chain (BioH2Modul) for integrated decentralized production of PEM-FC suitable hydrogen, and (3) the conceptualization and techno-economic and ecological analysis of industrial-scale concepts for decentralized and centralized high-purity hydrogen production. This research led to the conclusion that high-purity hydrogen (≥99.97 vol.-%) production via both downdraft fixed-bed air gasification of wood chips and advanced dual fluidized bed steam gasification of bark mulch is technically feasible. Studies with the fixed-bed gasifier showed that (1) inlet temperatures as low as 300 °C are well-suited for the water-gas shift reaction to convert 96% of the CO efficiently, and (2) the predominant class 2 and class 3 tar compounds are largely converted over the Fe/Cr-based water-gas shift catalyst. Moreover, bark mulch proved to be a suitable feedstock for high-purity hydrogen production via advanced dual fluidized bed steam gasification, with the advantage that (1) carbon deposition on the water-gas shift catalyst may be prevented without excess steam addition, and (2) high gas hourly space velocities can be applied. In general, the typical trade-off between hydrogen purity and recovery was observed in the pressure swing adsorption, as a small sacrifice in hydrogen purity results in a considerable increase in recovery. N2 and Ar showed the fastest breakthrough, which can be considered less critical, as they are the least harmful impurities for PEM-FCs.The integration of the developed and upscaled BioH2Modul into an existing combined heat and power site proved successful, as coupling of the downdraft fixed-bed gasifier with either the internal combustion engine or the BioH2Modul was easily accomplished. Thus, flexible heat and electricity or hydrogen production can be targeted. The techno-economic evaluation of the industrial-scale concepts revealed that the levelized costs of 1 MWH2 and 60 MWH2 high-purity hydrogen production via downdraft fixed-bed gasification (12.5 €/kgH2) and advanced dual fluidized bed steam gasification (4.7 € kg/H2), respectively, are within the range of the levelized costs of hydrogen production via electrolysis expected in Austria. The estimated CO2 footprints of 15 gCO2.eq/MJH2 and 11 gCO2.eq/MJH2 are significantly lower than the fossil reference value (94 gCO2.eq/MJH2) and are comparable to the CO2 footprints of electrolysis. By implementing a BECCS concept, even negative CO2 emissions could be achieved. From an economic and ecological perspective, hydrogen production via biomass gasification may compete with electrolysis, the currently most mature technology for producing renewable hydrogen.