Vergassing in superkritiek water

Een mogelijke conversieroute voor zeewieren is vergassing in superkritiek water (Super Critical Water Gasification; SCWG) [1-7].

Procesbeschrijving

Een vereenvoudigd processchema is weergegeven in Figuur 3. Een exergiebalans is gegeven in Tabel 1. De voeding is een slurrie of waterige vloeistof die met een pomp op een druk van 300 bar wordt gebracht. In een tegenstroomwarmtewisselaar wordt de voeding voorverwarmd tot een temperatuur van 400 –550 °C. Het superkritieke punt van water wordt dus in de warmtewisselaar gepasseerd. De reactor wordt bedreven op een temperatuur van 600-650 °C en een verblijftijd van typisch 0.5-2 min. Het uitgangsproduct van de reactor wisselt, in een tegenstroom warmtewisselaar, warmte uit aan de voeding. De stroom uit de warmtewisselaar kan verder gekoeld worden of gevoed worden aan de hoge druk gas-vloeistof scheider. In de scheider worden het gasvormige product en de waterfase gescheiden. Vanwege de hoge druk zal echter ook een deel van het gas oplossen in de waterige fase. Het betreft dan vooral CO2 en

indien aanwezig HCl, H2S, NH3. Mineralen zullen logischerwijs ook in de waterfase

achterblijven. Het topproduct van de scheider is het hoofdproduct. De waterstroom wordt in een tweede lagedruk scheider gebracht, waarbij een tweede CO2 –rijke gasstroom vrijkomt.

Afvangen van CO2 in geconcentreerde vorm biedt wellicht de mogelijkheid dit effectief op te

slaan. Het proces is dan niet CO2-neutraal, maar legt netto CO2 vast.

Water

Warmte wisselaar

CO2-rijk gas

Voedingspomp

H2-rijk produktgas

Figuur 3. Schematische weergave van het SCWG proces

Tabel 1. Exergie-balans van een 100 MWth,input SCWG installatie met glucose als voeding

IN Exergy

[MW]

UIT Exergy

[MW]

Lucht (verbranding) 0.048 Productgas 78.226

Biomassa slurry – watercomponent – biomassa component

1.289 101.35

Elektriciteit van expansie turbine 3.31

Elektriciteit voor HD pomp 0.88 Rookgas 1.833

Koelwater 22.114 Condensaat (puur water) 1.886

Koelwater 21.721

verliezen 18.711

Ontwikkelingsstatus

In Twente staat een laboratoriumopstelling van 30 kg/hr en in het Forschungszentrum in Karlsruhe staat een opstelling van 100 kg/hr. Beide opstellingen draaien nog niet op biomassa, maar alleen op ideale voedingen zoals b.v. glycerol. Bij meer complexe voedingen zijn de knelpunten o.a.: het op druk brengen van de voeding en de vervuiling/corrosie aspecten van de warmtewisselaar/reactor. Intensieve warmte-uitwisseling is essentieel en kritisch bij SCWG omdat de voeding al tijdens het opwarmen decompositie producten, zoals teer en koolstof, vormt. Een ander aspect is het reinigen van het productgas en grote hoeveelheden afvalwater. Om voedingen met een hoger droge stof gehalte ( 5 - 20%), bij een temperatuur < 600ºC, volledig om te zetten in een productgas met een hoog methaan gehalte, dient de vergassing te worden uitgevoerd met een katalysator. Deze katalysator is op dit moment nog niet beschikbaar. De conclusie is dat SCWG zich nog in een vroeg stadium van ontwikkeling bevindt en nog verre van commercialisatie is. Op basis van de status en de technische onzekerheden in het proces is het zelfs nog te vroeg voor het opzetten van een eerste demo-installatie. Alle bovengenoemde aspecten/onzekerheden vereisen onderzoek en ontwikkeling op lab-/pilot schaal. Publicaties over de technisch-economische analyse van vergassing van natte biomassa / reststromen in superkritiek water (SCWG) varieerden in schaal van 0,15 tot 100 MW en in het geproduceerde eindproduct: gezuiverde waterstof (<95%), SNG of een waterstofrijk gas (CH4/H2 mengsel).

Emissies

Emissies naar lucht zijn beperkt tot CO2. Door ‘centrale’ productie kan deze geconcentreerde

CO2 opgeslagen worden; de keten zorgt dan voor netto vastlegging van CO2. Andere emissies

m.n. mineralen en H2S zitten in het afvalwater. Een belangrijke aandachtspunt is de kwaliteit

van het afvalwater en eventuele terugwinning van mineralen. Kostenraming voor verwerking van zeewieren

In Tabel 2 wordt een globale kostenraming gegeven voor SCWG van zeewieren en verdere conversie van het productgas naar elektriciteit m.b.v gasmotoren. De raming is gebaseerd op [1, 5-7].

Tabel 2. Kostenraming Super Kritieke Vergasssing zeewieren

Schaalgrootte Case 1 Case 2

Schaalgrootte (ton.d.s input/jaar) 100.000 500.000

Schaalgrootte (MWth; LHV droge basis) 42 210

Investeringen (M€)1) _{35,3 95,8}

Operationele kosten 2) (M€/jaar) 10,6 24,5

Energetisch rendement MW gas,uit / MWth in (%) 3) _{75 75}

LHV product (MJ/kg) 64,98 64,98

Opbrengst productgas 57.7 m% H2, 42.3 m% CH4 (GJ/jr) 915.000 4.575.000

Aardgas equivalenten. (M Nm3_{/jr) 28,9 144,5}

a.e./ton d.s. (Nm3 / ton d.s.) 289 289

Productiekosten productgas 4) _{(€/GJ) 11,6 5,4}

Conversie naar elektriciteit

Investeringen (M€) 5) 50,3 140,8

Operationele kosten 3) _{(M€/jaar) 14,1 34,9}

Rendement gasmotor (%) 40 40

Elektriciteitsproductie (MWh/jaar) 105.580 527.920

Productiekosten elektriciteit 6) (€/MWh) 133 66

Break-even prijs biomassa excl MEP vergoeding7) (€/t) -112 -41 Break-even prijs biomassa inclusief MEP vergoeding 8) _{(€/t) -9 32}

1) Bij bovengenoemde schaalgrootte inclusief CO2 afvangst. Schaalfactor 0.62 exclusief investering

gasmotor.

2) Operationele kosten= Feed cost/ credit =0 € + Operating supply + Operating Labour / clerical + Material, Maint. & Exp. (10% of FCI) + Depreciation (10 jr, 7% rente); Biomassa kostprijs = 0 € / ton 3) Schatting gebaseerd op [6]

4) Ter vergelijking: Aardgas 3.5 €/GJ; H2 grootschalig 6 €/GJ en H2 kleinschalig 11 €/GJ.

5) Bij bovengenoemde schaalgrootte inclusief CO2 afvangst. Schaalfactor 0.62 inclusief investering

gasmotor.

6) Ter vergelijking: marktprijs electriciteit 27 –32 €/MWh

7) Prijs die de biomassa voor de verwerker mag kosten uitgaande van een marktprijs van elektriciteit van 27 €/MWh. Geen winstmarge inbegrepen.

8) Prijs die de biomassa voor de verwerker mag kosten uitgaande van een marktprijs van elektriciteit van 27 €/MWh en een MEP vergoeding van 70 €/MWh (>50 MWe) en 97 €/MWh ( <50 MWe). Geen winstmarge inbegrepen.

Referenties

[1] Amos, W.A.: Assessment of supercritical water gasification: alternative design, milestone report for the U.S. Department of Energy’s Hydrogen, Program, National Renewable Energy Lab., 1999b.

[2] Beld, L. van de, Hutten, R. van, Kokke, R.: Produktie van SNG/CNG via vergassing van natte biomassa in superkritiek water. Novem-NEO nr: 0268-03-04-02-010, April 2004b. [3] Beld, L. van de, Penninger, J.: Vergassing in superkritiek water: status en

toekomstperspectief voor Nederland. Novem-NEO nr: 0268-03-07-01-0018, April 2004a. [4] Hemmes, K.,. Beld, L. van de, Kersten, S.R.A.: Vergassing van natte biomassa /

reststromen in superkritiek water (SCWG), voor de productie van “groen gas”(SNG), SNG/H2 mengsels, basis chemicaliën en puur H2., ECN-C-04-107, Dec 2004.

[5] Matsumura, Y.: Evaluation of supercritical water gasification and biomethanation for wet biomass utilization in Japan. Energy Conversion and Management 43: 1301, 2002.

[6] Mozaffarian, M., Deurwaarder, E.P., Kersten, S.R.A.: “Green gas”(SNG) production by supercritical gasification of biomass.. Final report, ECN-C--04-081, November 2004. [7] Sparqle International B.V., The Netherlands and Callaghan Engineering Ltd., Ireland: Clean