Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Im GaSTech Projekt wird die Gas Switching Technologie praktisch implementiert, mit dem Ziel das Scaleup von chemical looping-basierten Prozessen deutlich zu vereinfachen und zu beschleunigen. Kern chemical looping-basierter Prozesse sind zyklische Reduktions- und Oxidationsreaktionen von Sauerstoffträgern auf Metalloxidbasis. Beispiele für mögliche Anwendungen sind die Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse (mit simultaner CO2-Abscheidung), die energieeffiziente Synthese von Methanol oder Ethylen als wichtige Grundbausteine für die chemische Industrie, oder die Produktion flüssiger Treibstoffe mittels solarthermischer Prozesse. Im vorliegenden Projekt werden für vier solcher chemical looping Prozesse mit Gas Switching Technologie geeignete Sauerstoffträger entwickelt und in Zusammenarbeit mit einem industriellen Partner erstmals im grossen Massstab produziert.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The GaSTech project investigates the gas switching technology to simplify and accelerate the scale-up of chemical looping processes. In a chemical looping process oxygen carrier based on metal oxides is reduced and oxidised at high temperature in a cyclic fashion. Applications for chemical looping involve the production of hydrogen from biomass (with simultaneous CO2 capture), the energy-efficient synthesis of methanol or ethylene as important feedstocks for the chemical industry, and, aided by solar energy, the generation of synthesis gases suitable for the production of liquid fuels. In the GaSTech project the Laboratory of Energy Science and Engineering at ETH Zürich and an industrial partner develop and manufacture oxygen carrier particles for four different chemical looping processes on a large scale, which will be used by project partners to demonstrate the gas switching concept.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Aufgrund des durch die Aktivitäten des Menschen verursachten Klimawandels sind die Bestrebungen gross, den stetig steigenden Energiebedarf durch nachhaltige, emissionsarme und erneuerbare Technologien zu decken. Entsprechende Ziele sind in der klimapolitischen Ausrichtung der meisten Industrieländer definiert, beispielsweise hat der Bundesrat der Schweiz 2019 beschlossen, dass die Schweiz ihre Treibhausgasemissionen (insbesondere CO2) bis 2050 auf Netto-Null absenken soll. Eine Energieversorgung durch 100 % erneuerbare Energien ist europaweit bis 2050 unrealistisch und mit dem gegenwärtigen und prognostizierten Energiebedarf nicht vereinbar. Fossile Brennstoffe werden deshalb in den nächsten Jahrzehnten weiterhin eine grosse Rolle spielen, und es gilt hier Lösungen zu finden und implementieren um deren Nutzung so umwelt- und klimafreundlich wie möglich zu gestalten.
CO2 Abscheidetechnologien spielen in diesem Zusammenhang eine bedeutende Rolle und können einen grossen Beitrag leisten, CO2 Emissionen in die Atmosphäre zu reduzieren. Chemical looping ist eine Hochtemperatur CO2 Abscheidetechnologie der zweiten Generation und steht im Fokus des Projekts «GaSTech» - einer internationalen Zusammenarbeit bestehend aus sieben Projektpartnern aus sechs europäischen Ländern, inkl. zwei Industrieunternehmen. Chemical looping ermöglicht bei der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen (z.B. CH4) durch die Nutzung von Metalloxiden – Sauerstoffträger genannt – die Abscheidung des im Prozess gebildeten CO2 ohne zusätzlichen energetischen Aufwand; die Sauerstoffträger werden dabei zyklisch reduziert und oxidiert. Das chemical looping Konzept wurde in den letzten Jahren durch Sauerstoffträger mit günstigen thermodynamischen Eigenschaften um eine Vielzahl von möglichen Umwandlungsreaktionen erweitert, von denen im GaSTech Projekt vier näher untersucht werden unter Verwendung des «gas switching» Konzepts. Gas switching ist der Überbegriff für eine Technologieplattform, die durch modularisiertes Reaktordesign das Scale-up von chemical looping Prozessen beschleunigen soll. Ziel des Projekts ist die Demonstration der Umsetzbarkeit der entsprechenden vier gas switching Prozesse: (i) Wasserstoffproduktion (gas switching water splitting, GSWS), (ii) Reformierung zur Synthesegasproduktion (gas switching reforming, GSR) mit anschliessender Weiterverarbeitung zu Wasserstoff, (iii) Sauerstoffproduktion (gas switching oxygen production, GSOP) und (iv) Verbrennung zur CO2-freien Stromerzeugung (gas switching combustion, GSC). In dem den schweizerischen Projektpartner (ETH Zürich, Laboratory of Energy Science and Engineering, LESE) betreffenden Arbeitspaket (WP1) wurden zusammen mit dem Industrieunternehmen Euro Support Advanced Materials B.V. (NL) geeignete Sauerstoffträger entwickelt, detailliert charakterisiert und durch das Sprühtrocknungsverfahren in Partikelform (sandkorngross) in kg Mengen (bis zu 50 kg) produziert. Die produzierten Sauerstoffträgerpartikel wurden im entsprechenden gas switching Reaktorsystem durch die Projektpartner unter Prozessbedingungen untersucht (WP2), die Prozesse modelliert (WP3) und hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit untersucht (WP4), um zuletzt durch einen Industriepartner einen Business Case zu erstellen (WP5). Geeignete Sauerstoffträger müssen über eine hohe Sauerstoffspeicherkapazität verfügen (d.h. die Menge an Gittersauerstoff der an den Reduktions- und Oxidationsreaktion teilnimmt), eine hohe Reaktivität besitzen um die Reduktionsmittel (i.d.R. CH4) bzw. Oxidationsmittel möglichst vollständig umzuwandeln, und v.a. über eine sehr hohe Langzeitstabilität verfügen. Die Untersuchungen des WP1 haben gezeigt, dass trotz umfangreicher Literatur (> 2000 Publikationen) die darin beschriebenen Sauerstoffträgerkompositionen nur bedingt verwendet werden können, da meistens Vereinfachungen hinsichtlich der Reaktionsbedingungen und Materialherstellung getroffen wurden, welche einen stabilen Prozess unter industriell relevanten Bedingungen nicht zulassen. Die Materialneuentwicklungen innerhalb des WP1 waren deshalb deutlich umfangreicher als vorgesehen; insgesamt wurden > 100 neue Materialkompositionen untersucht. Die entwickelten Sauerstoffträger wurden im LESE ausführlich untersucht mit Fokus auf die kompositionelle Langzeitstabilität, die Sinterbeständigkeit und die Selektivität bzgl. der Reaktionsprodukte des CH4 mit dem Gittersauerstoff. Die Demonstrationsexperimente des WP2 wurden mithilfe eines kleinen Wirbelschichtreaktors emuliert. Für jeden gas switching Prozess wurden die vielversprechendsten Materialkompositionen durch das Sprühtrocknungsverfahren und den Einsatz kostengünstiger Rohstoffe hergestellt, wobei das Herstellungsverfahren mit Blick auf die zu erzielende hohe mechanische Stabilität und die kompositionelle Homogenität der verschiedenen Sauerstoffträger angepasst wurde. Insgesamt wurden mehr als 200 kg sprühgetrocknete Sauerstoffträgerpartikel erfolgreich hergestellt und an die Projektpartner für die Demonstrationsexperimente ausgeliefert. Als vielversprechendste gas switching Prozesse wurden GSC und GSR (bzw. als Variante GSPOX, gas switching partial oxidation) identifiziert, da die entsprechenden Sauerstoffträgerpartikel (jeweils auf Perowskit-Basis) die höchste Langzeitstabilität aufwiesen und die Prozesse teilweise autotherm realisiert werden können. Für GSPOX konnte beispielsweise eine zyklische Stabilität von über 4000 Reaktionszyklen (> 45 Tage) demonstriert werden. Während dieser Zeit wurde CH4 vollständig zu CO und H2 (während der Reduktion der Sauerstoffträger), bzw. CO2 vollständig zu CO (während der Oxidation der Sauerstoffträger) umgewandelt. Durch die WP3, WP4 und WP5 wurde gezeigt, dass die gas switching Prozesse teilweise höhere Energieeffizienzen aufweisen als die entsprechenden konventionellen Prozesse, und dabei anfallendes CO2 abscheiden. Anwendungspotential besteht für diese beiden Prozesse dort, wo Energie ohne CO2 Emissionen produziert werden soll, bzw. H2 und CO als Einsatzstoffe verwendet werden und eine Infrastruktur für die Reduktionsmittel Erdgas oder Biogas bereits existiert. Durch das WP1 wurde gezeigt, dass stabile, reaktive Sauerstoffträgerpartikel für verschiedene Prozesskonfigurationen mittels skalierbarer Sprühtrocknung produziert werden können, sodass die Herstellung der Sauerstoffträgerpartikel der Weiterentwicklung der Technologie nicht im Wege steht.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Due to climate change caused by man's activities, efforts are high to meet the steadily increasing energy demand with sustainable, low-emission and renewable technologies. Corresponding targets are defined in the climate policy orientation of most industrialized countries, for example, the Federal Council of Switzerland decided in 2019 that Switzerland should reduce its greenhouse gas emissions (especially CO2) to net zero by 2050. An energy supply from 100% renewables by 2050 is unrealistic across Europe and incompatible with current and projected energy demand. Fossil fuels will therefore continue to play a major role in the coming decades, and solutions must be found and implemented to make their use as environmentally and climate friendly as possible. CO2 capture technologies play an important role in this context and can make a major contribution to reducing CO2 emissions into the atmosphere. Chemical looping is a second-generation high-temperature CO2 capture technology and is the focus of the "GaSTech" project – an international collaboration consisting of seven project partners from six European countries, including two industrial companies. Chemical looping enables the capture of CO2 formed during the conversion of hydrocarbons (e.g. CH4) by using metal oxides – called oxygen carriers – without additional energy input; the oxygen carriers are cyclically reduced and oxidized. The chemical looping concept has been extended in recent years by oxygen carriers with favorable thermodynamic properties to include a variety of possible conversion reactions, four of which are being investigated in more detail in the GaSTech project using the "gas switching" concept. Gas switching is the umbrella term for a technology platform designed to accelerate the scale-up of chemical looping processes through modularized reactor design. The goal of the project is to demonstrate the feasibility of the corresponding four gas switching processes: (i) hydrogen production (gas switching water splitting, GSWS), (ii) reforming for synthesis gas production (gas switching reforming, GSR) with subsequent downstream processing to hydrogen, (iii) oxygen production (gas switching oxygen production, GSOP), and (iv) combustion for CO2-free power generation (gas switching combustion, GSC). In the work package (WP1) concerning the Swiss project partner (ETH Zurich, Laboratory of Energy Science and Engineering, LESE), suitable oxygen carriers were developed, characterized in detail and produced in kg quantities (up to 50 kg) by the spray drying process in particle form (sand grain size) together with the industrial company Euro Support Advanced Materials B.V. (NL). The produced oxygen carrier particles were investigated in the corresponding gas switching reactor system by the project partners under process conditions (WP2), the processes were modeled (WP3) and investigated with regard to their economic viability (WP4), and finally a business case was prepared by an industrial partner (WP5). Suitable oxygen carriers must possess a high oxygen storage capacity (i.e. the amount of lattice oxygen participating in the reduction and oxidation reaction), a high reactivity to convert the reducing agents (usually CH4) or oxidizing agents as completely as possible, and above all a very high long-term stability. The investigations of WP1 have shown that despite extensive literature (> 2000 publications) the oxygen carrier compositions described therein can only be used to a limited extent, since mostly simplifications were made with regard to the reaction conditions and material production, which do not allow a stable process under industrially relevant conditions. The new material developments within WP1 were therefore much more extensive than envisaged; a total of > 100 new material compositions were investigated. The developed oxygen carriers were investigated in detail in LESE with a focus on compositional long-term stability, sintering resistance and selectivity with respect to the reaction products of the CH4 with the lattice oxygen. The WP2 demonstration experiments were emulated using a small fluidized bed reactor. For each gas switching process, the most promising material compositions were prepared by the spray-drying process and the use of low-cost raw materials, adapting the fabrication process in view of the high mechanical stability to be achieved and the compositional homogeneity of the different oxygen carriers. In total, more than 200 kg of spray-dried oxygen carrier particles were successfully produced and delivered to the project partners for the demonstration experiments.
GSC and GSR (or as a variant GSPOX, gas switching partial oxidation) were identified as the most promising gas switching processes, since the corresponding oxygen carrier particles (each based on perovskite) exhibited the highest long-term stability and the processes can be partially realized autothermally. For GSPOX, for example, a cyclic stability of more than 4000 reaction cycles (> 45 days) could be demonstrated. During this time, CH4 was completely converted to CO and H2 (during the reduction of the oxygen carriers), or CO2 was completely converted to CO (during the oxidation of the oxygen carriers). Through WP3, WP4 and WP5, it was shown that the gas switching processes have partially higher energy efficiencies than the corresponding conventional processes, and capture CO2 produced in the process. There is application potential for these two processes where energy is to be produced without CO2 emissions, or H2 and CO are used as feedstocks and an infrastructure for the reducing agents natural gas or biogas already exists. WP1 demonstrated that stable, reactive oxygen carrier particles can be produced for different process configurations using scalable spray drying, so that the production of the oxygen carrier particles does not hinder further development of the technology.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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En raison du changement climatique provoqué par les activités humaines, de grands efforts sont déployés pour répondre à la demande énergétique en constante augmentation grâce à des technologies durables, à faible taux d'émission et renouvelables. Des objectifs correspondants sont définis dans l'orientation de la politique climatique de la plupart des pays industrialisés. Par exemple, le Conseil fédéral suisse a décidé en 2019 que la Suisse devrait réduire ses émissions de gaz à effet de serre (en particulier le CO2) à zéro net d'ici 2050. Un approvisionnement énergétique provenant à 100 % d'énergies renouvelables d'ici 2050 est irréaliste dans toute l'Europe et incompatible avec la demande énergétique actuelle et prévue. Les combustibles fossiles continueront donc à jouer un rôle majeur dans les décennies à venir, et des solutions doivent être trouvées et mises en oeuvre pour rendre leur utilisation aussi écologique et climatique que possible. Les technologies de captage du CO2 jouent un rôle important dans ce contexte et peuvent contribuer de manière significative à la réduction des émissions de CO2 dans l'atmosphère. Le bouclage chimique est une technologie de capture du CO2 à haute température de deuxième génération et est au centre du projet "GaSTech" – une collaboration internationale composée de sept partenaires de projet de six pays européens, dont deux entreprises industrielles. Le bouclage chimique permet de capturer le CO2 formé lors de la conversion des hydrocarbures (par exemple le CH4) par l'utilisation d'oxydes métalliques – appelés transporteurs d'oxygène – sans effort énergétique supplémentaire; les transporteurs d'oxygène sont cycliquement réduits et oxydés. Le concept de bouclage chimique a été étendu ces dernières années par des transporteurs d'oxygène aux propriétés thermodynamiques favorables pour inclure une variété de réactions de conversion possibles, dont quatre sont étudiées plus en détail dans le projet GaSTech en utilisant le concept de "commutation de gaz". La commutation des gaz est le terme générique d'une plateforme technologique qui vise à accélérer l'extension des processus de bouclage chimique grâce à une conception modulaire des réacteurs. L'objectif du projet est de démontrer la faisabilité des quatre processus de changement de gaz correspondants : (i) production d'hydrogène (Gas switching water splitting, GSWS), (ii) reformage pour la production de gaz de synthèse (Gas switching reforming, GSR) avec transformation ultérieure en hydrogène, (iii) production d'oxygène (Gas switching oxygen production, GSOP), et (iv) combustion pour la production d'électricité sans CO2 (Gas switching combustion, GSC).
Dans le lot de travail (WP1) concernant le partenaire suisse du projet (ETH Zurich, Laboratoire de science et d'ingénierie de l'énergie, LESE), des transporteurs d'oxygène appropriés ont été développés en collaboration avec l'entreprise industrielle Euro Support Advanced Materials B.V. (NL), caractérisés en détail et produits en quantités de kg (jusqu'à 50 kg) par le procédé de séchage par pulvérisation sous forme de particules (taille des grains de sable). Les partenaires du projet ont étudié les particules porteuses d'oxygène produites dans le système de réacteur à commutation de gaz correspondant dans des conditions de processus (WP2), les processus ont été modélisés (WP3) et étudiés du point de vue de leur efficacité économique (WP4), afin de créer finalement un dossier commercial par un partenaire industriel (WP5). Les transporteurs d'oxygène appropriés doivent avoir une grande capacité de stockage de l'oxygène (c'est-à-dire la quantité d'oxygène du réseau participant à la réaction de réduction et d'oxydation), une grande réactivité afin de convertir les agents réducteurs (généralement le CH4) ou les agents oxydants aussi complètement que possible, et surtout avoir une très grande stabilité à long terme. Les recherches du WP1 ont montré qu'en dépit d'une littérature abondante (> 2000 publications), les compositions de porteurs d'oxygène qui y sont décrites ne peuvent être utilisées que dans une mesure limitée, car la plupart des simplifications ont été faites en ce qui concerne les conditions de réaction et la production de matériaux, qui ne permettent pas un processus stable dans des conditions industrielles pertinentes. Les nouveaux développements de matériaux au sein du WP1 ont donc été beaucoup plus étendus que prévu ; au total, plus de 100 nouvelles compositions de matériaux ont été étudiées. Les transporteurs d'oxygène développés ont été étudiés en détail dans le LESE en se concentrant sur la stabilité de la composition à long terme, la résistance au frittage et la sélectivité en ce qui concerne les produits de réaction du CH4 avec l'oxygène du réseau. Les expériences de démonstration du WP2 ont été reproduites à l'aide d'un petit réacteur à lit fluidisé. Pour chaque procédé de changement de gaz, les compositions de matériaux les plus prometteuses ont été préparées par le procédé de séchage par pulvérisation et l'utilisation de matières premières peu coûteuses, en adaptant la procédure de fabrication en fonction de la grande stabilité mécanique à atteindre et de l'homogénéité de composition des différents porteurs d'oxygène. Au total, plus de 200 kg de particules porteuses d'oxygène séchées par pulvérisation ont été produites avec succès et livrées aux partenaires du projet pour des expériences de démonstration. La CGC et la GSR (ou, comme variante de la GSPOX, l'oxydation partielle par commutation de gaz) ont été identifiées comme les procédés de commutation de gaz les plus prometteurs, car les particules porteuses d'oxygène correspondantes (chacune basée sur la pérovskite) présentent la plus grande stabilité à long terme et les procédés peuvent être partiellement mis en oeuvre de manière autothermique. Pour le GSPOX, par exemple, une stabilité cyclique de plus de 4000 cycles de réaction (> 45 jours) a pu être démontrée. Pendant cette période, le CH4 a été complètement converti en CO et H2 (pendant la réduction des transporteurs d'oxygène), ou le CO2 a été complètement converti en CO (pendant l'oxydation des transporteurs d'oxygène). Il a été démontré par les WP3, WP4 et WP5 que les procédés de changement de gaz ont des rendements énergétiques partiellement plus élevés que les procédés conventionnels correspondants, et qu'ils permettent de capturer le CO2 produit dans le processus. Il existe un potentiel d'application pour ces deux procédés, où l'énergie doit être produite sans émission de CO2, ou bien l'H2 et le CO sont utilisés comme matière première et une infrastructure pour les agents réducteurs que sont le gaz naturel ou le biogaz existe déjà. Le WP1 a montré que des particules porteuses d'oxygène stables et réactives peuvent être produites pour différentes configurations de processus au moyen d'un séchage par pulvérisation à échelle variable, de sorte que la production des particules porteuses d'oxygène n'entrave pas le développement ultérieur de la technologie.
Zugehörige Dokumente
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