Effiziente Wasserstoffgeneratoren für eine kostengünstige Wasserstoffproduktion

Mit Sitz in Bend, Oregon, USA, ist Element 1 Corp weltweit führend in der Entwicklung von Methanol-zu-Wasserstoff-Generatoren für die kostengünstige Wasserstoffproduktion vor Ort und bei Bedarf. Basierend auf mehr als 140 Jahren Erfahrung in der Wasserstofferzeugung, Wasserstoffreinigung und Brennstoffzellen hat das technische Team von Element 1 den kompaktesten und effizientesten Wasserstoffgenerator entwickelt, der derzeit erhältlich ist.

In der Erkenntnis, dass die Herstellung von Wasserstoff nicht schwierig ist, der Transport von Wasserstoff (komprimiert oder flüssig) jedoch teuer und anspruchsvoll ist, besteht der Ansatz von Element 1 darin, eine Mischung aus Methanol und Wasser am Einsatzort in hochreinen Wasserstoff umzuwandeln. Der Produktwasserstoff erfüllt oder übertrifft die Reinheitsspezifikationen der ISO 14687-2019 für Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM) sowie komprimierten Wasserstoff zur Abgabe in Bordspeicherzylinder für Brennstoffzellenfahrzeuge. Die typische Produktwasserstoffreinheit beträgt >99,997 % Wasserstoff mit <0,2 ppm CO (Trockenbasis). Bei der Verunreinigung handelt es sich um Methan mit <30 ppm, und es gibt etwa 40 ppm bis 70 ppm Wasserdampf.

Mit drei Produktmodellen, die von 4 kg Wasserstoff pro Tag bis zu 390 kg Wasserstoff pro Tag skalieren, arbeitet ein Element 1-Wasserstoffgenerator mit einem hocheffizienten thermochemischen Prozess und erreicht eine Energieeffizienz von bis zu 84 %, was zu niedrigen Wasserstoffkosten zum Zeitpunkt der Produktion führt verwenden. Bei einem Methanolpreis von beispielsweise 400 US-Dollar pro Tonne betragen die Kosten für den produzierten Wasserstoff weniger als 3 US-Dollar pro Kilogramm Wasserstoff. Die erforderliche elektrische Leistung ist vernachlässigbar und beträgt weniger als 1 kW bei maximaler Wasserstoffleistung der größten Wasserstoffgeneratoren oder etwa 0,1 kWh/kg an den Benutzer gelieferter Wasserstoff. Das ist eine 500-mal geringere elektrische Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Wasserelektrolyseuren.

Darüber hinaus sind selbst die größeren Wasserstoffgeneratoren klein und völlig eigenständig. Beispielsweise ist der M/L18 für die Abgabe von 235 kg Wasserstoff pro Tag ausgelegt und misst nur 879 mm (B) x 2.080 mm (T) x 1.380 mm (Höhe), was den Einbau in ein Fahrzeug (z. B. mittelgroß) praktisch macht (Schwerlast-Lkw) oder Seeschiff. Der M/L18-Wasserstoffgenerator lässt sich gut mit einem Brennstoffzellenmodul mit einer Nennleistung von 140 kW bis 150 kW kombinieren (die Bezeichnung L steht für stationäre Anwendungen und die Bezeichnung M für mobile Anwendungen).

Der L18 und seine größeren Varianten zeigen auch Potenzial für die dezentrale Stromerzeugung (Primär- und Backup-Stromerzeugung) für Anwendungen, darunter Ladestationen für batterieelektrische Fahrzeuge (BEV), Rechenzentren, Handel, netzunabhängige Entwicklungen, temporäre oder transportable Energie sowie kritische Anwendungen Infrastruktur. Alle diese Anwendungen profitieren von der Einfachheit und den geringen Kosten des Transports von flüssigem Methanol unter Nutzung der vorhandenen Infrastruktur, die für die Verteilung von Erdölkraftstoffen (Benzin, Diesel, Flugkraftstoff) entwickelt wurde.

Die Architektur des in sich geschlossenen Produkts zur Stromerzeugung ist unkompliziert und weist nur geringfügige Unterschiede zu einem herkömmlichen Wasserstoffgenerator mit Brennstoffzellenantrieb auf, der komprimierten Wasserstoff nutzt. Abb. 1 ist ein 3D-Modell einer Demonstrationsanlage am Element 1 zum Laden von Elektroautos (siehe auch Abb. 2 und 3). Die Hauptkomponenten sind in einem modifizierten zehn Fuß langen Schiffscontainer installiert und umfassen einen L18-Wasserstoffgenerator, ein PowerCell PS200-Brennstoffzellenmodul und eine Zinc Five-Nickel-Zink-Batteriebank (96 kWh). Leistungselektronik und Kühlung (für die Brennstoffzelle) erfolgen extern.

Bei der maximalen Wasserstoffnennleistung des L18 (235 kg Wasserstoff pro Tag) wird das Brennstoffzellenmodul etwa 143 kW erzeugen. Das ist mehr als genug Strom, um die drei Level-2-BEV-Ladekabel und das Tesla-Level-3-Ladekabel gleichzeitig zu betreiben. Um die volle Leistungsfähigkeit des Stromgenerators zu demonstrieren, ist er außerdem mit einem 480 VAC/dreiphasigen Ausgang ausgestattet, der den für viele Gebäudeanwendungen erforderlichen Strom darstellt. Aufgrund der inhärenten Sicherheit von Nickel-Zink-Batterien wurde die Chemie der Nickel-Zink-Batterien gegenüber Lithium-Ionen-Batterien gewählt – sie erleiden kein thermisches Durchgehen und keine Verbrennung.

Dieser Demonstrations-Wasserstoffgenerator ist für den Betrieb in Verbindung mit dem Stromnetz oder völlig unabhängig vom Stromnetz konzipiert. Höhere Leistungsausbeuten lassen sich erzielen, indem mehrere Wasserstoffgeneratoren und mehrere Brennstoffzellen in einem einzigen Gehäuse untergebracht werden. Ein standardmäßiger 20-Fuß-Transportcontainer ist so dimensioniert, dass er ausreichend Module aufnehmen kann, um etwa 450 kW geregelten Strom zu erzeugen.

Wie bereits erwähnt, ist der Methanol-zu-Wasserstoff-Prozess eher thermochemischer als elektrochemischer Natur. Folglich entsteht ein Verbrennungsabgasstrom. Allerdings ist das Abgas im Hinblick auf die regulierten Emissionen sehr sauber, es enthält keine Schwefeloxide (SOx), keine Stickoxide (NOx) und keine Partikel (PM). Die Kohlenmonoxidemissionen sind mit < 1 g/kWh sehr gering. Wenn außerdem erneuerbares Methanol als Rohstoff verwendet wird, ist die Kohlenstoffintensität bei den meisten Arten biogenen erneuerbaren Methanols sehr gering oder sogar negativ (Abb. 4), was sowohl Vorteile für die Umwelt bringt als auch zur Energiesicherheit beiträgt. Nach Angaben des Methanol Institute laufen weltweit mehr als 80 Projekte für erneuerbares Methanol, die bis 2027 voraussichtlich jährlich mehr als acht Millionen Tonnen grünes Methanol produzieren werden (dies kommt zu den derzeit mehr als 35 kommerziell betriebenen Anlagen für erneuerbares Methanol weltweit hinzu). .

Das Design des Methanol-zu-Wasserstoff-Generators (in jedem Maßstab) ist so konzipiert, dass wir eine einzigartige Möglichkeit haben, Kohlendioxid auf wirtschaftliche Weise abzuscheiden, weitaus wirtschaftlicher als der Versuch, Kohlendioxid aus dem Abgas abzuscheiden. Die Entfernung von Kohlendioxid aus den Emissionen, auch nur teilweise, wird die Kohlenstoffintensität von herkömmlichem „grauem“ Methanol verringern und kann die Kohlenstoffintensität von Wasserstoff aus erneuerbarem Methanol in stark negative Zahlen treiben.

Der wasserstoffarme Abgasstrom im Wasserstoffgenerator (der am Wasserstoffreiniger abgewiesen wird) enthält mehr als 80 % der gesamten Kohlenstoffemissionen als Kohlendioxid. Außerdem steht dieser Gasstrom unter erhöhtem Druck (240 bis 290 psig) und besteht zu 45–50 % aus Kohlendioxid. Element 1 und Aramco arbeiten seit 2021 an einem gemeinsamen Kooperationsprogramm, um die Technik und Wirtschaftlichkeit der Anwendung der Kohlenstoffabscheidung in diesem Abgasstrom zu bewerten. Wir beginnen nun mit der Beschaffung von Komponenten und planen, noch in diesem Jahr das erste Prototypsystem zu montieren, das auf eine Maschine mit 235 kg Wasserstoff pro Tag ausgelegt ist.

Obwohl die Kohlenstoffabscheidung nicht für alle kommerziellen Anwendungen praktikabel ist, ist sie in bestimmten Fällen sinnvoll (z. B. bei maritimen Anwendungen und größeren stationären Wasserstofferzeugungs- und dezentralen Stromerzeugungsanlagen), in denen das abgeschiedene Kohlendioxid einen Marktwert hat oder wirtschaftlich abgetrennt werden kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die wirtschaftliche Produktion von hochreinem Wasserstoff am Einsatzort mit dem Methanol-zu-Wasserstoff-Generator die attraktiven Eigenschaften von Wasserstoff als energiereicher und erneuerbarer Kraftstoff nutzt und gleichzeitig die Herausforderungen bei Lagerung und Transport, die Wasserstoff daran hindern, weitgehend entschärft eine breite Nutzung sowohl in stationären als auch mobilen Anwendungen zu erreichen.

Bitte beachten Sie, dass dieser Artikel auch in der vierzehnten Ausgabe unserer vierteljährlichen Publikation erscheinen wird.

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