Den danske brint- og brændselscelledag Biocat Power to gas via biologisk metanisering

Transkript

1 Den danske brint- og brændselscelledag Biocat Power to gas via biologisk metanisering 1

2 Biocat Power to Gas Biocat 2, Power to Gas via biologisk katalysis Projektet er støttet af Forskel i perioden 2014 til december 2017 Biocat 3, System integration Projektet er støttet af Forskel-EUDP i perioden nov til dec Projektpartnere: Hydrogenics (Elektrolyser) Biofos (Vandrensing) HMN (Gasnet og biogas opgradering) NEAS (Energi marked) Audi (Gas bil) Insero (Projekt regnskab) DTU (Biocat 3) 2

3 Biocat 2 - Projekt beskrivelse Projektbeskrivelse: Biocat er en metanisering reaktor som producer ren metan fra brint og CO2 ved hjælp af en biologisk katalisator Projekt formål: at designe, igangsætte, konstruere og operere en 1 MW Power-to-Gas facilitet som producer metan ved hjælp af brint og en biologisk katalyse, at producere metan af gasnet kvalitet under periodiske operationer, at udvikle rentabilitetsanalyser rettet mod nuværende og fremtidige markedsforhold, at identificere reguleringsbegrænsninger og barrierer, optimale operationsstrategier, og nuværende og fremtidige markedspotentialer for Powerto-Gas i Danmark. 3

4 Biocat 3 - Projektbeskrivelse Projektbeskrivelse: Biocat 2 udvidelse Projekt formål: Opnå systemintegration og automatisering Køre med ren CO2 som kulstof kilde Teknisk-økonomisk model Design af en dynamisk Process Model (kontrol og opskalering) 4

5 Biometanisering til konvertering og lagring af energi El Vand Electrolyzer Varme Ilt Electrolysis Metanisering Kemiske reactioner 4H 2 O 4H 2 + 2O 2 + Varme CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O + Varme Anden brintkilde H 2 Netto Reaktion CO 2 + 2H 2 O CH 4 + 2O 2 + Varme CO 2 /Biogas CH 4 Varme Driftsbetingelser Temperatur 65 C, Tryk 1 to 10 bar(a) Egen bio-katalysator 4 pattenter i USA og Europa. verd 5

6 Opladning af naturgasnet Proprietær biokatalytisk system Overskydende elektricitet El-net mættet CO 2 udslip Naturgasnetværk som et batteri Voksende marked for grøn gas Decarbonize energi branchen 6

7 Biometanisering til konvertering og lagring af energi 7

8 Power-to-Methane betyder mere end energi-lagering Utility Virksomhede Kraftværk Energilagring og el-net balancering til vedvarende energi Gasoperatør og gasproducent Kulstoffangst Ren varme og elproduktion, optimiseret spildevandrensnin g POWER TO METHANE Rent transportbrændstof Transport Vandrensning 8

9 Hvor de begyndte Dr Laurens Mets laboratory, Univ. of Chicago Udvælgelse af en stamme fra naturmiljøet i Island. Optimering af en unik stamme af Archaea Arkiverede patentansøgninger på omrørt reaktor og bioelektrokemiske systemer Demonstration af høj effektivitetskonvertering af kuldioxid og elektrisk energi i metan 9

10 Karakteristik af Electrochaea Biokatalysator Vækstbehov Saltvand and mineraler 65 o C Anaerobe forhold Feedgas: CO 2 and H 2 Langsigtet stabilitet Mulighed for intermitterende drift Hurtigt opsving under start / stop cyklus Effektiv Produktiv Lydhør Selektiv Robust 98.6% kuldioxid til metan VVD* of 800, masse-transfer af brint er den eneste begrænsende faktor Hurtig retur til metanproduktion inden for sekunder / minutter 100% metan, ingen mellemprodukter Tolerant over for ilt, H2S, CO, sulfat, ammoniak, partikler Enkel Moderat temperaturområde (60-65 C) *VVD = volumes of gas per volume of reactor per day (24-hr) 10

11 Hurtig teknologi de-risking og opskalering 1 MW Commercial-Scale eksperimenter Nyt process-design til markedsindgang med 1 MW reactor i Avedøre 50 kw Pre-Commercial eksperimenter Demonstration i 5m³ omrørt tank bioreactor med rå biogas som CO2-kilde, Foulum (DK) kw Lab-scale eksperimenter Biocatalysering kapacitetsforsøg med rå biogas n/a Power Input Grundforskning Dr. Mets laboratorium i Chicago

12 Første Power-to-gas projekt, Foulum Første pilotskala projekt I 2012 foreslog Electrochaea.dk projektet "Carbon Dioxide to Methane - System Integration" med Aarhus Universitet, EON og NEAS Energy 12mio DKK projekt (EUDP, Electrochaea, EWZ og Energie 360 ) 12

13 Biocat project, Avedøre Først demonstration-anlæg Identificer steder med kuldioxide-kilde og forbindelse til gasnettet. Støtte fra ForskEl program i 2014 Detaljeret teknik og konstruktion af BioCat-anlæg startede i 2015 Inokulering i April

14 Naturlig symbiose med biogas og spildevandsrensningsanlæg Biogas Varme Ilt Overskydende elektricitet, Vindmøller Grøn naturgas 14

15 Naturlig symbiose med biogas og spildevandsrensningsanlæg 15

16 Opnåelse af netskala produktion 1 MW elektrisk strøm 200 Nm 3 /h H 2 Varme 320 kw 50 Nm 3 /h CO 2 (fra biogas) Biometan 50 Nm 3 /h net BioCat Bio-metanisering system i megawatt skala Konvertering af overskud fra vedvarende energi til biometan: kw/nm3-ch4 Virker også som biogas-opgradering: 5.4 til 8 kw/nm3-ch4 Patenteret bio-katalysator (4 patenter), in-house system design & operation Konkurrencefordel: dynamisk operation, høj tolerance for urenheder Opskalering: til 10 MW og 50 MW systemer på globalt marked

17 Vellykket opstart og drift af Biocat April 2016: Biokatalysatot inokulering 7 måneder af drift 6-12 timer af drift, 5 dager om uge (~1 500 hrs) 100 timer kontinuerlig drift gang 500 timer af drift 98% proces tilgængelighed Netkvalitet gas: % CH % CO 2 1-2% H ppm H 2 S Driftsbetingelser 8 bar tryk 63 C Nm 3 /hr biogas (37% CO 2, 63% CH 4 ) Nm 3 /hr H ppm H 2 S 17

18 Stabil gaskvalitet Parameter Krav Gemensnit produktgas BioCat CO2 % v:v Max. 3,0 1 Metan % v:v Min H 2 S mg/ m 3 n Max. 5 0 Brint % vol. Max

19 Product gas composition (%) Flow rates (kg/h) Fuld belastning i forhold til mellem belastning CH4 (%) CO2 (%) H2 (%) Run time (h) 0 - Fleksibilitet i drift mellem % af den fuld kapacitet - Hurtig tilpasning af biokatalysatoren: Ingen indvirkning på produktgas sammensætningen ved forskellige belastninger 19

20 Biocat opstart og fortsat ydeevene Steady-state Gas type % CH O CO H N H 2 S 25.4 ppm Gas type % CH 4 45 (biogas mixture) O 2 0 CO 2 2 H 2 55 Høj renhed af produktgas (>96%) Umiddelbar højkvalitetsmetanproduktion efter opstart N 2 0 H 2 S 25 ppm 20

21 Konklusioner og perspektivering Power-to-gas med biologisk metanisering Robust og fleksibel teknologi Tilpasset til lav-kvalitet kuhlstoff kilder Virker også som biogas-opgradering Biocat 3 projekt System integration Plug & Play kontrol Gas på nettet Fremtiden Kommerciel projekter i Dk? 21

22 Fra El Og CO2 til naturgas via biologisk metanisering Danske Brint dag laurent.lardon@electrochaea.com 28. Nov 2017