Bruk av overskuddsvarme til hydrogenproduksjon

Abstract

I dag blir det produsert store mengder overskuddsvarme i industrielle prosesser, og denne varmen går ofte til spille. Hensikten med denne oppgaven er å gjøre rede for hvordan overskuddsvarmen fra svovelsyrefabrikken ved Glencore Nikkelverk kan benyttes til å produsere hydrogen i et revers elektrodialysesystem (RED). Egenskaper som permselektivitet og den ohmske motstanden til anion- og kationbyttemembranene som utgjør et RED-system er av avgjørende betydning for systemets ytelse og hydrogenproduksjon. Dette blir undersøkt ved å måle spenningen til membranene Selemion CMV og Selemion AMV i KCl-løsninger på 1, 2 og 3 M, da spenningen gjør det mulig å beregne permselektiviteten til membranene. Den ohmske motstanden til ionebyttemembraner er avhengig av membranens tykkelse, og oppgavens eksperimentelle del går derfor ut på å utføre galvanostatisk impedansspektroskopi for å få impedansmålinger ved tre ulike tykkelser, hvor 1, 3 og 5 membraner er stablet oppå hverandre. Vannopptaket til membranene har også betydning for RED-systemet, og membranenes vekt blir derfor målt før og etter hydrering i KCl-løsning.

Permselektiviteten plottes mot konsentrasjon for å få et bilde av hvilke konsentrasjoner som gir høyest permselektivitet. Det blir funnet at permselektiviteten ligger mellom 0.6 og 0.9, samt et forhold som viser synkende permselektivitet når kontrasjonen øker fra 1 M til 2 M og til 3 M. Motstanden plottes mot membranenes tykkelse for å finne ut hvilke tykkelser som gir minst motstand og dermed best hydrogenproduksjon. Det blir funnet at motstanden øker med økt membrantykkelse for anionbyttemembranen og kationbyttemembranen. Videre blir det funnet at vannopptaket til membranene synker med økt ionekonsentrasjon.

Et konturplot brukes for å visualisere varmebehovet for hydrogenproduksjon ved implementering av et hydrogenproduksjonssystem i svovelsyrefabrikken ved Glencore Nikkelverk. Hydrogenproduksjonen ved et varmebehov på 250 kWh/kgH2 blir funnet ved 16 kg hydrogen per time, og fortjenesten ved denne hydrogenproduksjonen er 1440 kr/h. Fortjenesten ved å selge overskuddsvarme er 412 kr/h. Kostnadene til RED-systemet må tas i betraktning, og membrankostnaden gjør hydrogenproduksjon dyrere enn salg av overskuddsvarme. Det tas derfor for seg tiltak for å minke membrankostnaden. I tillegg sammenlignes de ulike hydrogenproduksjonsmetodene med hverandre og med RED for å få et bilde av ytelsen og fordelene med RED. For å optimalisere hydrogenproduksjonen med RED fra overskuddsvarmen i svovelsyrefabrikken ved Glencore Nikkelverk er videre arbeid nødvendig. Videre arbeid foreslås å inkludere andre salter som for eksempel CaCl2 eller NaOH, høyere konsentrasjonsforskjeller, og bruk av en strømningscelle.