Schlüsselwörter
(Englisch)
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Solid Oxide Electrolysis (SOE), Hydrogen, Steam generation, Methanation, Power-to-Gas
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Die Hochtemperatur-Elektrolyse (Solid Oxide Electrolysis, SOE) erlaubt eine effiziente Produktion von erneuer-barem Wasserstoff, insbesondere wenn die Wärme aus einem nachgeschalteten exothermen katalytischen Syntheseprozess (z.B. Synthese von Methan, Methanol,..) für die Erzeugung des Dampfes verwendet wird. Es ist das Ziel, einen Dampferzeuger und-konditionierer zu entwickeln und in eine Anlage zu integrieren. Für die Verdampfung soll Wärme aus einem nachgeschalteten katalytischen Prozess verwendet werden und der Dampfdurchfluss soll die strengen Anforderungen der SOEC erfüllen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Solid Oxide Electrolysers (SOE) allow the production of renewable hydrogen with very high efficiency. This is particularly true if the waste heat from a downstream exothermal catalytic synthesis process (e.g. the synthesis of methane, methanol,..) is used to generate the steam. The goal of this project is to develop a steam generator and steam conditioner and integrate both in a power-to-gas plant. The waste heat of a catalytic process down-stream of the SOEC is used for the evaporation. The steam flow has to fulfil the strict requirements of an SOEC.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Das Projekt HotCat4Steam hatte das Ziel, einen Dampferzeuger und eine Dampfkonditionierungsanlage zu entwickeln und beide in eine Power-to-Gas-Anlage mit einem Hochtemperatur-Elektrolyse-System (Solid Oxide Electrolysis, SOE) zu integrieren, das von der EPFL entwickelt und gebaut wurde. SOEs benötigen Dampf als Inputstrom und ermöglichen die Produktion von erneuerbarem Wasserstoff mit sehr hohem Wirkungsgrad. Die Abwärme aus einer nachgeschalteten exothermen katalytischen Methansynthese wird in diesem Projekt zur Dampferzeugung genutzt. Die grösste Herausforderung besteht darin, den Dampfstrom zu erzeugen und gleichzeitig die strengen Anforderungen einer SOE zu erfüllen. Dieses Ziel wurde im Rahmen dieses Projekts auf der "Forschungsplattform Power-to-X" der OST erreicht.
Die "Forschungsplattform Power-to-X" ist eine Power-to-Methane-Anlage mit einem PEM-Elektrolyseur und wurde 2019 erfolgreich in Betrieb genommen. Seine Funktionsfähigkeit wurde demonstriert und eine Reihe von Projektzwischenzielen konnte bis Ende des Jahres erreicht werden, darunter die Erzeugung von 3,5 kg/h Dampf mit Temperaturen um 240 °C und mit Druckschwankungen unter 20 mbar, wie sie für die Speisung des Hochtemperaturelektrolyseurs erforderlich sind. Der Festoxidelektrolyseur (SOE) wurde in Betrieb genommen und im Herbst 2022 erfolgreich getestet und validiert. Die Kopplung des SOE mit der Methanisierungsanlage wurde im Frühjahr 2023 erfolgreich validiert.
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Schlussbericht
(Englisch)
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The HotCat4Steam project aimed at developing a steam generator and steam conditioner and integrate both in a power-to-gas plant fitted with a Solid Oxide Electrolyser (SOE) system designed and built by EPFL. SOE's require steam as feed and allow the production of renewable hydrogen with very high efficiency. The waste heat from a downstream exothermal catalytic synthesis of methane is used in this project to generate the steam. The main challenge is to generate the steam flow and at the same time fulfil the strict requirements of an SOE. This goal was achieved during this project on the “Research Platform Power-to-X” of OST.
The “Research Platform Power-to-X” is a power-to-methane plant comprising a PEM electrolyser and has been successfully commissioned in 2019. Its functionality was demonstrated, and a number of intermediate project goals could be reached by the end of that year, including generating 3.5 kg/h of steam with temperatures around 240 °C and with pressure fluctuations below 20 mbar as required to feed the high-temperature electrolyser. The Solid Oxide Electrolyser (SOE) has been commissioned and has been tested and successfully validated in autumn of 2022. The coupling of the SOE and the methanation plant has been successfully validated in spring 2023.
Main findings
- The steam generation system selected for the installation consisting of a capillary steam generator, an expansion vessel and the heat transfer medium sub-system is able to capture the heat from the polytropic methanation reactor and generate steam at the required quality for an SOE system.
- This system allows for simpler design of the over-all installation as no high-pressure equipment is required for the steam section. Furthermore, it offers flexibility in operation as an external heat source or sink is easily to integrate in the circuit, making the operation of the SOE independent to a certain heat extraction from the methanation: both systems can run at different production rates, provided an additional heat sink, source or storage is integrated in the system.
- A polytropic methanation reactor is designed by OST and built by a Swiss contractor. It comprises of two catalytic active zones and an intermediate injection of CO2. This configuration allows controlled operation of the methanation reaction at high conversion rates without the need for ballast steam to maintain reaction temperatures within the catalyst specifications.
- The coupling of the SOE and the upstream steam generation is modified and optimized during the testing phase between autumn 2022 and spring 2023. An automatically PIDregulated pressure control valve can be problematic, if the parameters are not perfectly balanced. A manual valve position shows better results, especially if the other process parameters in the steam generator remain constant.
- Two SOE stacks, an older one already used as a fuel cell (stack #1801) and a modified, unused one (stack #1803) are successfully tested. Unexpectedly, the older stack (#1801) performed slightly better than the pristine stack (#1803). The SOE efficiencies based on the higher heating value (HHV) of hydrogen is measured to be 113.5 % for the old stack (#1801) and 112 %1 for the new stack (#1803).
- The takeover of the hydrogen by the H2 compressor stage shows stable and reliable performance from the beginning. Nevertheless, the start-up procedure is simplified during the tests and the process parameters are optimised in such a way that the reliable transfer is even more possible and leads to an improvement of the process parameters within the SOE stack.
- The thermal energy (total 1.63 kW) for the steam generation by thermal oil are composed of the following parts:
- 17.2 % harvested from a feedwater-preheater, where the heat source is the SNG-product cooling stage.
- 49.0 % from the heat released by the methanation reaction, collected by the thermal oil circuit transferring the thermal energy to the evaporation and the superheater.
- The rest of the thermal energy has to be supplied by the thermal oil unit with its electrical heater.
- The thermal heat management allows collecting 0.80 kW exothermal heat at 250 °C to be transferred to the steam production unit. The water feed to the steam generator is preheated by the SNG-product from the reaction with 0.28 kW useful heat. To produce steam at 240 °C, a total amount 1.63 kW of thermal heat is supplied to the water. 1.08 kW (or 66.3 %) are supplied by the methanation reaction. In the SOE, the steam utilisation rate is 70.6 %.
- Direct water-cooled methanation generates stable steam production at low flowrate (20 g/min). At a higher flowrate (35 g/min), a damping volume is necessary to ensure the stability of the produced steam. Moreover, thermosyphon operation is tested and validated on the direct water-cooled methanator, cancelling the energy need for a recirculation pump and increasing the overall efficiency of the methanator.
- The overall efficiency (SNG-output versus energy-expenditures) shows significant improved numbers compared to the SNG produced with hydrogen from a PEM-electrolyser. Depending on the system boundaries, the numbers from the system with SOE are between 22 %-points and 93 %-points higher. The absolute number in overall efficiency ranges from 18.6 % to 54.9 %.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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L’objectif du projet HotCat4Steam était de développer une installation pour générer et conditionner de la vapeur et de l’intégrer dans une installation Power-to-Gas avec un système d’électrolyse à haute température (Solid Oxide Electrolysis, SOE) développé et construit par l’EPFL. Les SOE nécessitent de la vapeur comme flux d'entrée et permettent de produire de l'hydrogène renouvelable avec un rendement très élevé. Dans ce projet, la chaleur résiduelle issue d'une synthèse catalytique exothermique du méthane en aval est utilisée pour produire de la vapeur. Le plus grand défi consiste à produire de l'électricité à partir de la vapeur tout en respectant les exigences strictes d'une SOE. Cet objectif a été atteint dans le cadre de ce projet sur la "plate-forme de recherche Power-to-X" de l'OST.
La "plateforme de recherche Power-to-X" est une centrale de production d'électricité à partir de méthane comprenant un électrolyseur PEM et a été mise en service avec succès en 2019. Sa fonctionnalité a été démontrée et un certain nombre d'objectifs intermédiaires du projet ont pu être atteints à la fin de cette année-là, notamment la production de 3,5 kg/h de vapeur à des températures d'environ 240 °C et avec des fluctuations de pression inférieures à 20 mbar, comme requis pour alimenter l'électrolyseur à haute température. L'électrolyseur à oxyde solide (SOE) a été mis en service, testé et validé avec succès à l'automne 2022. Le couplage du SOE et de l'usine de méthanisation a été validé avec succès au printemps 2023.
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