Opportunities of small-scale hydrogen production from MSWI fly ash
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3034265Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Denne avhandlingen presenterer en innledende tekno-økonomisk vurdering av mulighetene for hydrogenproduksjon fra MSWI flyveaske. Arbeidet har blitt utført i samarbeid med selskapet NOAH, som driver anlegget for avfallshåndtering hvor hydrogenproduksjonen forekommer. Avhandlingen er en videreføring av tidligere arbeid, og bygger på de tidligere resultatene og konklusjonene. Målet for denne avhandlingen er å undersøke to alternativer for bruk av hydrogenet: rensing av hydrogengassen for videre bruk i brenselceller og produksjon av prosessvarme. Den praktiske og økonomiske gjennomførbarheten til alternativene er undersøkt og sammenlignes.
Den antatte hydrogenproduksjonen hos NOAH er 180 tonn per år og 50 kg per time, som er ansett å være for lite til å selges. Muligheter for bruk av hydrogenet på produksjonsstedet ble derfor undersøkt. Alternativ 1: Brenselceller, beskriver et system for produksjon, kompresjon, rensing og lagring av hydrogenet for videre bruk i brenselceller. Alternativ 2: Produksjon av prosessvarme, beskriver et system for produksjon og forbrenning av hydrogengassen med luft i en dampkjele for produksjon av damp.
Kvaliteten til den rensede hydrogengassen i Alternativ 1 ble ikke funnet til å være av den krevde standarden for bruk i proton-utveksling membran brenselceller, ved bruk av den undersøkte rensemetoden. Hydrogeninnholdet ble funnet til å være høyt nok og flere av urenhetene var fullstendig fjernet gjennom renseprosessen. Innholdet av karbonmonoksid og vann var derimot for høyt. Alternativ 2 produserer en røykgass med en sammensetning av 60% nitrogen, 37% vann, 3% oksygen og spormengder av andre komponenter. Produksjonen av prosessvarme var funnet til å være 1,54 MW, som ga en dampproduksjon på 2070 kg per time. Denne produksjonen kan dekke rundt en tredjedel av dampbehovet til NOAH.
Den totale kostnaden for Alternativ 1 ble estimert til 2,81 MUSD uten og 8,04 MUSD med installasjon. Produksjonskostnaden for hydrogen over en ti år lang horisont ble estimert til 4,5 USD per kg hydrogen, som er sammenlignbart med verdier fra den åpne litteraturen. Den totale kostnaden til Alternativ 2 ble estimert til 1,44 MUSD uten og 3,48 MUSD med installasjon. Produksjonskostnaden for damp ble estimert til 0,045 USD per kg damp over en periode på ti år. Denne verdien er betydelig høyere enn verdier fra den åpne litteraturen. This thesis presents a preliminary techno-economic assessment of opportunities for hydrogen production from MSWI fly ash. The thesis is in collabo ration with the company NOAH, which operates the waste treatment plant where the production takes place. The thesis is a continuation of previous work on the topic and build upon the previous results and conclusions. The objective of this thesis is to investigate two main alternatives of application: purification of the hydrogen for usage in fuel cells and process heat production. Their practical and economical feasibility are investigated and compared.
The assumed hydrogen production at NOAH is 180 tons per year and 50 kg/h, which was deemed to little to sell. On-site applications were therefore investigated. Alternative 1: Fuel cells, describes a system for production, compression, purification, and storage of the hydrogen for further use in fuel cells. Alternative 2: Process heat production, describes a system for production and combustion of the gas in a boiler for stream production.
The quality of the purified hydrogen gas in Alternative 1 was not found to fulfill the required standard for use in proton-exchange membrane fuel cells, with use of the investigated purification method. The hydrogen content was found to be high enough and several of the impurities were complete removed in the purification. However, the content of carbon monoxide and water were found to be too high. Alternative 2 was found to produce a flue gas with a composition of 60% nitrogen, 37% water, 3% oxygen and trace amounts of other components, from the combustion of the hydrogen gas stream with air. The process heat production was found to be 1.54 MW, which gave a steam production of 2070 kg/h. This production could cover around 1/3 of NOAH’s steam demand.
The total cost of Alternative 1 was estimated to be 2.81 MUSD without and 8.04 MUSD with installation. The hydrogen production cost for a ten year horizon was found to be 4.5 USD/kgH2, which is comparable to values from the open literature. The total cost of Alternative 2 was estimated to 1.44 MUSD without and 3.48 MUSD with installation. The steam production cost was estimated to be 0.045 USD/kg steam over a ten year time period, which is significantly higher than values from the open literature.