Catalyst Development and Distributed Electrified Heating in Reforming Processes for Efficient Renewable Syngas and Fuel Production

Abstract

Insatser för att mildra klimatförändringarna fokuserar främst på att minska

de globala utsläppen av växthusgaser, särskilt koldioxid (CO2). Utan ingri-

pande åtgärder kan den globala uppvärmningen leda till en temperaturökning

på 3,2 C, vilket kan resultera i en global BNP-förlust på 18 %. För att uppnå

Parisavtalets mål att begränsa temperaturökningen till 1,5 C krävs betydande

minskningar av utsläppen av växthusgaser, vilket beskrivs i IPCC:s rekommen-

dation att minska CO2-utsläppen med 45 % från 2010 års nivåer till 2030 års

nivåer senast i 2050. Biomassa, med sin potential för kol- neutralitet eller nega-

tivitet, är ett viktigt förnybart råmaterial som kan omvandlas till gröna bränslen

via termokemiska processer som förgasning, pyrolys och anaerob rötning. Dessa

processer står dock inför utmaningar, såsom katalysatordeaktivering och höga

energibehov. Friformsframställning och elektrifiering är nya lösningar som er-

bjuder förbättrad katalysatorstabilitet och ökad energieffektivitet genom att

minska beroendet av fossil bränsleförbränning.

Denna doktorsavhandling fokuserar på en omfattande litteraturstudie av

det senaste inom förnybar energi med fokus på dess utmaningar och perspektiv,

samt utredningsarbete baserat på denna studie. Det senare möjliggjorde design,

tillverkning, elektrifiering och testning av en innovativ 3D-printad katalysator i

den katalytiska reformeringen av förnybara energikällor. Som komplement till

det experimentella arbetet användes CFD-simuleringar, och koncepttest utveck-

lades med hjälp av processimuleringsmjukvara och teknisk-ekonomisk analys.

De experimentella resultaten visade en framgångsrik demonstration av den elek-

trifierade katalytiska reformeringen av biomassapyrolysånga för syngasproduk-

tion. Dessa resulterade i fullständig biooljereformering, med ett högsta utbyte

på 0,071 g H2 g−1 biomassa med utmärkt katalysatorstabilitet och energief-

fektivitet på 66 %. CFD-resultaten visade hur gitterstrukturen hos den 3D-

printade katalysatorn resulterar i en högre ytarea och förbättrade transportpro-

cesser, vilket resulterar i förbättrade massa- och värmeöverföringsegenskaper.

Dessutom testades denna 3D-printade katalysator för katalytisk torreformering

av syntetisk biogas med induktion som värmekälla. Det resulterade i fullständig

reformering till syngas med minimal koksavsättning, jämfört med kommersiellt

tillgängliga katalysatorer, vilket framhäver vilken effekt katalysatorns geometri

har på dess stabilitet.

Baserat på den elektrifierade katalytiska reformeringstekniken undersöktes

process- och designutveckling i industriell skala för att kunna integrera med pro-

duktuppgradering, såsom produktion av syntetisk naturgas (SNG) och vätgas.

De utvecklade processerna jämfördes med icke-elektrifierade reformeringstekniker

med hjälp av massa- och energibalanser, samt teknoekonomiska analyser, känslighetsanalyser

och CO2-ekvivalenter. Gällande SNG-produktion visade resultaten en produk-

tionskostnad på 18 SEK kg−1 SNG, mot ett försäljningspris på 27 SEK kg−1

SNG, vilket resulterar i en ekonomisk vinst: återinvestering inom två års drift

och ett nettokassaflöde på 5.000 MSEK efter 20 år. Resultaten visade också

kännslighet för höga ånga-till-biomassa-förhållanden och marknadspriset för

både biomassa och biokol. Dessutom visade resultaten att vätgasproduktionen genom elektrifierad katalytisk reformeringsteknik resulterar i 93 % minskning av CO2-ekvivalenter jämfört med industriell naturgasreformering.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-360504