Energikjeder for optimal utnyttelse av biogass Maria Barrio Gassteknisk Senter NTNU-SINTEF Contributors: Sverre Aam, Petter Nekså, (SINTEF Energi) May-Britt Hägg (MemfoAct, NTNU) Arne Jakobsen (Hamworthy) Biogass2011, Ørland, 8-9.mars 2011

Norsk kompetansesenter for gassteknologi Education Basic & applied R&D Innovation Business development NTNU: 4.700 (2.500 Sci) SINTEF: 2.100 (1.400 Sci) Students: 20.000 (10.000 Eng & Sci) Total externally financed research: 3.300 Mill NOK Award 75% of all M.Sc. in Norway’s gas-related industry

Laboratory facilities Liquefied gas technology Combustion of hydrogen and hythane Absorption of CO2, H2S and NOx Catalysts and absorbents Membranes for hydrogen and CO2 separation Fuel cell technology Hydrogen production and storage

Hva får vi ut av biomasse? 5,5 Hva får vi ut av biomasse? Pyrolyse olje Pyrolyse Biomasse Forbrenning Gassforbrenning Gassifisering Syntesegass H2 + CO Biodiesel Katalyse Biogass Fermentering Biometan CH4 ++ BioLNG Rensing ++

Elektrisitetsproduksjon Kombinert varme og el. produksjon 5,5 Utnyttelse av biogass Varme og/eller elektrisitet Brenne av 20% av norsk biogass Elektrisitetsproduksjon 30-35% utnyttelsesgrad Kombinert varme og el. produksjon 75-85 % utnyttelsesgrad PROBLEM – begrenset marked for salg av varme Fermentering Biogass CH4 ++

Produksjon av biometan – oppgradering av biogass 5,5 Utnyttelse av biogass Varme og/eller elektrisitet Biometan Fermentering Biogass CH4 ++ Produksjon av biometan – oppgradering av biogass Føde inn på naturgassnettet eller brukes direkte som drivstoff i transportsektoren 95 % utnyttelsesgrad PROBLEM – Fjerne CO2 er dyrt

Utnyttelse av biogass Varme og/eller elektrisitet Biometan 5,5 Utnyttelse av biogass Varme og/eller elektrisitet Biometan Fermentering Biogass CH4 ++ BioLNG

Utnyttelse av biogass Varme og/eller elektrisitet Biometan 5,5 Utnyttelse av biogass Varme og/eller elektrisitet Biometan Fermentering Biogass CH4 ++ Økende behov for oppgradering BioLNG

Criteria for vehicle fuel ..and depending on the use, the specifications for the upgraded biogas will vary…. Criteria for vehicle fuel CH4, min 96 vol% O2, max 1.0 vol% CO2 + O2 + N2, max 4.0 vol% H2O, max 32 mg/Nm3 H2S, max 23 mg/Nm3 NH3, max 20 mg/Nm3 Particulate material, max dim.5 m

Biogas quality into the natural gas network The net gas quality varies in different countries Denmark: methane 86 – 90 mol% ethane 5.7 – 7.2 ” propane 1.9 – 3.2 ” CO2 0.7 – 1.3 ” N2 0.3 ” wobbeindex (MJ/Nm3) ~55 The Netherlands: methane 80 – 87 mol% ethane 3.0 – 7.0 ” propane 0.5 – 1.7 ” CO2 1.0 – 2.1 ” N2 4.7 – 14 ” wobbeindex (MJ/Nm3) 35 - 42

Oppgradering av biogass Type urenheter Krav Investeringskostnader Drift Størrelse Miljø Kritisk del av kjede Biometan Biogass

Carbon membrane process for biogas upgrading Smith & Bjørn (2005)

Fundamentet– teknologi utviklet ved NTNU Membranteknologi med utspring fra NTNU Fra forskningsgruppen Memfo (= Membran forskning) ved Institutt for kjemisk Prosessteknologi Memfo er en forskningsgruppe med ca. 16 personer (forskere, post docs, PhD-studenter) I tillegg 5-6 MSc-studenter hvert år Memfo utvikler membranmaterialer for mange formål, vesentlig for gass-separasjon, men har også et mindre prosjekt på saltkraft-membraner. Materialene er i hovedsak polymere (nano)kompositter, dette er også startmaterialet for å lage karbonmembraner Styrken I forskningen er kombinasjonen av grunnleggende materialforskning, kompetanse om membranprosesser, ingeniørkunnskap og simuleringer Memfo er anerkjent og i verdenstoppen – spesielt innenfor karbonmembraner og polymere membraner for CO2-fangst Etablert august 2008 Med delt eierskap mellom gründerteamet og NTNU Technology Transfer Nå - seks ansatte Hovedgrunnlaget – teknologi utviklet ved forskningsgruppen Memfo, Institutt for kjemisk prosessteknologi, NTNU Oppfinnelsen: Gasseparasjonsmembran med meget gode separasjonsegenskaper Kostnadseffektiv metode for å produsere karbon-membranen Produktet: CO2 separert fra metan ved hjelp av membran -> Oppgraderingsanlegg for biogass

Samarbeid mellom Memfo/NTNU og MemfoACT Kritisk for videre utvikling av selskapet Har inngått en samarbeidsavtale Avgjørende for utvikling av nye applikasjonsområder, f.eks. Hydrogenseparasjon Oksygen og Nitrogen-separasjon Tilfang av nye medarbeidere – begge veier? Prosjekt og masteroppgaver Trondheim – et viktig membransentrum i Europa? Sammen - ytterligere styrke membranmiljøet i Trondheim sin internasjonale posisjon?

How does a membrane work? Retentate Feed gas Permeate The membrane will separate on basis of: Molecular size and structure of gas components Physical properties of gases (ideal / non-ideal) Membrane material properties Different transport mechanisms (dense or (micro)porous membrane; organic - inorganic) Process conditions (temperature, pressure, concentrations)

Karbonmembraner på 1-2-3 Membran separasjon er en modulær prosess - modulene kan kombineres på flere måter

..nå bygger vi fabrikk på Heimdal - Trondheim! Delprosessene i fremstillingen 1 (spinning av hule polymer fibre) 2 (karbonisering, dette er ”hjertet i prosessen” der hvor membranporene skreddersys i en så liten skala at de kan skille gass molekyler) 3 (montering av karbon hulfibre i modul) …. et nytt norsk teknologieventyr?

Kost og “footprint” reduksjon Konkurransefortrinn Konkurransefortrinn Energieffektiv Miljøvennlig Ingen kjemikalier Intet prosessavfall Kompakt teknologi Modulær Høy renhet i ett trinn Kostnadsreduksjon i forhold til konkurrerende membraner og teknologier Kost og “footprint” reduksjon

MemfoACT – småskala biogassoppgradering Mellom 20-25 % bedre enn eksisterende teknologi for 200 Nm3/h. Øker med minkende anleggsstørrelser – store småskalafordeler MemfoACT hovedmarked – Norge, Sverige og Tyskland References:Benchmark biogas upgrading technologies, Petter Bjørkmann, Rambøll

What Are The Needs? Customer’s gas source - the pre-treatment challenge

The Pretreatment Challenge Requirements to gas entering liquefier CO2 50 ppm H2O 1 ppm H2S 4 ppm Pretreatment dependent on gas source: Batch processes, e.g. active carbon Amine systems (CO2 and H2S) Mol sieve (CO2, H2O, N2, O2,..) CO2 Wash (CO2, siloxanes, HFC’s …) Membrane technology (CO2 and N2) High H2S content => potentially cost driving Energy consumption Dependent of level of contaminants To a large extent covered by heat

Antagelser for tall illustrasjon Elektrisitets pris: 0,2 – 0,5 kr/kWhel Gasspris: 1-3 kr/m3 LNG pris: 0,2 – 0,5 kr/kWth Gassmotor virkningsgrad: 33% (44% for ren naturgass) Renseteknologi til biometan, virkningsgrad: 95% Renseteknologi med PSA, virkningsgrad: 95% Energibehov for miniLNG produksjon: 0,7 kWhel/kg LNG 1000 m3/time biogass Tap med distribusjonssystem ikke inkludert

Tall illustrasjon, 1000 m3 biogass/time Applikasjon Inntekter (kr/t) (lav pris) (høy pris) Forbrenning til kun elektrisitetsproduksjon 400 990 Biometan (Nær buss eller gassrør) 570 1710 BioLNG (Buss eller skip) 1020 2550

Konklusjon Kunnskapsmiljø ved SINTEF og NTNU kan hjelpe med å redusere kostnader og øke effektivitet Demonstrasjon av ny teknologi er nødvendig Oppgradering øker investeringskostnader men øker også sluttverdi av produktet