Elektrificeren van Steam Methane Reforming

Grote besparing van CO2-emissie mogelijk

Deense onderzoekers hebben een nieuwe invulling aan een traditioneel chemisch industrieel proces uit de doeken gedaan [1]. Door Steam Methane Reforming (SMR) te elektrificeren en zo groenere grijze waterstof te produceren kunnen de wereldwijde CO2-emissies met 1% dalen, rekenen ze voor.

Werkingsprincipe

SMR wordt wereldwijd veel gebruikt om waterstof te produceren voor de productie van ammoniak, methanol en brandstoffen. 

Figuur 1: (A) conventionele SMR reactor; (B) Elektrisch opgewarmde reactor
Figuur 1: (A) conventionele SMR reactor; (B) Elektrisch opgewarmde reactor

 

Bij de sterk endotherme reacties van SMR wordt met een nikkel katalysator aardgas met stoom omgezet met de volgende reacties:

CH4 + H2O ↔ CO +3H2

CO + H2O ↔ CO2 + H2

De benodigde warmte voor deze reacties wordt geleverd door de verbranding van een deel van het aardgas in een fornuis met meters lange buizen. Doordat de warmtebron zich ver van de katalysator bevindt gaat veel warmte verloren en is een zeer hoge basistemperatuur vereist. De Denen hebben een nieuwe opzet bedacht waarbij een dun laagje van 130 μm nikkel bevattend katalytisch materiaal is aangebracht aan de binnenkant van een elektrisch verwarmde buis (Figuur 1). Direct contact tussen de elektrische opwarmbron en de plaats waar de reactie plaatsvindt drijft de reactie dichter naar het thermische evenwicht, vergroot de katalysatorbenutting en vermindert de vorming van ongewenste bijproducten. Daarmee wordt een tienmaal zo hoge katalysator efficiëntie bereikt.

Proefopstelling

In een proefopstelling (Figuur 2) werd een buis van een FeCrAl-legering (gekozen voor zijn temperatuuronafhankelijke elektrische weerstand) aan de binnenkant bekleed met een 130 μm dik laagje met nikkel geïmpregneerd materiaal. Koperen aansluitpunten aan beide uiteinden van de buis maken het mogelijk een wisselstroom door de buiswand te leiden waardoor deze opwarmt. Zo ontstaat er directe warmtetoevoer naar de katalytische laag. Een mengsel van methaan, waterstof en water (30/10/60) werd voorverhit tot 100 °C om condensatie voor de reactor te voorkomen.

Figuur 2: Proefopstelling van een elektrische SMR
Figuur 2: Proefopstelling van een elektrische SMR

 

Thermokoppels maten het temperatuurprofiel over de lengte van de reactorbuis, die omwikkeld was met hogetemperatuur­isolatiemateriaal. De experimenten werden uitgevoerd op 50 mbar boven de omgevingsdruk, omdat de reactor niet geschikt was voor hoge drukken. Figuur 3 laat de experimentele resultaten van de proefopstelling zien. De gemeten methaanconversie en de lineaire toename van de temperatuur over de reactor kwamen overeen met die van een CFD (computational fluid dynamics) model dat rekening houdt met de elektrische stroom, thermische energie, stromende dynamica, massatransport en reactie kinetiek (Figuur 3A). Dit valideerde het model waardoor het ook gebruikt kon worden om te extrapoleren naar industriële schaal. Het temperatuurverschil over de laag van de katalysator overschreed nergens de 2 °C en er was geen temperatuurgradiënt over de reactorwand bij de elektrische reformer.

	Figuur 3: Experimentele resultaten van de proefopstelling
 Figuur 3: Experimentele resultaten van de proefopstelling

 

Dit is een groot voordeel ten opzichte van de gestookte klassieke reformer, waar een temperatuurgradiënt over de reactorwand thermische spanning kan veroorzaken die leidt tot een verkorting van de reactorlevensduur. Ook leidt de afwezigheid van een grote temperatuurgradiënt in de katalysator tot een sterk verbeterde katalysatorbenutting. De elektrische reformer heeft ook geen risico’s op het vormen van coke neerslag op de katalysator.

Voordelen

Een belangrijk voordeel van de elektrische SMR is de zeer compacte vorm. Huidige SMR-reactoren bestaan uit een rij van honderd 10 tot 14 meter lange buisvormige reactoren in een groot fornuis met gasturbines gepositioneerd voor een optimale distributie van warmte over de reactorpijpen.

Zo kan een conventionele SMR van ongeveer 1.100 m³ vervangen worden door een elektrische SMR van ongeveer 15 m³. Dit komt omdat de geïntegreerde warmtebron van een elektrische SMR het fornuis van een traditionele SMR overbodig maakt. Een verdere volumereductie is mogelijk als de geometrie en reactiecondities nog verder worden geoptimaliseerd. In tegenstelling tot conventionele SMR levert het elektrische proces de warmte gelijkmatig over het proces. Daardoor is de katalytische efficiëntie veel hoger dan bij gangbare SMR, omdat hier de warmte niet gelijkmatig verdeeld wordt en er veel katalysatormateriaal daarom minder actief is.

De lagere vereiste basistemperatuur maakt het proces schakelbaarder en is daardoor beter geschikt om pieken in de hernieuwbare elektriciteit van windmolens en zonnepanelen op te vangen

Het bijkomende voordeel is dat de lagere vereiste basistemperatuur het proces schakelbaarder maakt en daardoor beter geschikt om pieken in de hernieuwbare elektriciteit van windmolens en zonnepanelen op te vangen. Het proces zou in enkele seconden op te starten zijn. De nieuwe methode is bij uitstek geschikt voor Nederland waar in het komende decennium grote windparken verrijzen voor de kust met grote hoeveelheden goedkope elektriciteit. Door de kleine afmetingen (Figuur 4) is de elektrische SMR decentraal toepasbaar met verschillende groottes op het goed ontwikkelde aardgasnetwerk of op biogas.

Figuur 4: Het reactorvolume van de elektrische SMR is veel kleiner
Figuur 4: Het reactorvolume van de elektrische SMR is veel kleiner

 

De operatiekosten voor een elektrische SMR zijn afhankelijk van de elektriciteitskosten, de gasprijs en een eventuele kooldioxidebelasting. Berekeningen wijzen uit dat in gebieden waar een grote productie is van hernieuwbare energie (windmolens en zonnepanelen), de elektrische SMR tegen dezelfde kostprijs waterstof kan maken als een conventionele SMR.

Kooldioxidereductie

Bijna 3% van de wereldwijde kooldioxide-emissies wordt veroorzaakt door de productie van synthesegas met conventionele SMR. Dat is vergelijkbaar met de totale emissie van de luchtvaart. Het onderzoek van de Denen laat zien dat met een elektrische SMR deze emissies met een derde verminderd kunnen worden, wat bij totale vervanging neerkomt op 1% van de wereldwijde kooldioxide-emissies.

Ook andere industriële chemische processen kunnen worden verduurzaamd door elektrificatie en dan vooral als de kosten van elektriciteit uit duurzame bronnen blijven dalen. Het gaat dan voornamelijk om sterk endotherme processen die voordelig kunnen worden geëlektrificeerd met hernieuwbare energie.

 

Referentie

[1] S.T.Wisnann et.al. Electrified methane reforming: A compact approach to greener industrial hydrogen production, Science (2019), Vol. 364, issue 6442, pp 756-759

Reageer

 

Kleurenschema
Aantal tegels per rij
Beeldverhouding
Weergave
Hoeken afronden
0

Welkom bij NPT 

NPT maakt gebruik van cookies om uw gebruikservaring te optimaliseren en te personaliseren. Door gebruik te maken van deze website gaat u akkoord met Het privacy- en cookiebeleid.