Generadores de hidrógeno eficientes para una producción de hidrógeno asequible

Con sede en Bend, Oregón, EE. UU., Element 1 Corp es un líder mundial en el desarrollo de generadores de metanol a hidrógeno para una producción de hidrógeno asequible, in situ y bajo demanda. Basándose en más de 140 años de experiencia en generación de hidrógeno, purificación de hidrógeno y pilas de combustible, el equipo técnico de Element 1 ha conseguido el generador de hidrógeno más compacto y de mayor eficiencia disponible en la actualidad.

Reconociendo que fabricar hidrógeno no es difícil pero transportar hidrógeno (comprimido o líquido) es costoso y desafiante, el enfoque utilizado por el Elemento 1 es convertir una mezcla de metanol y agua en hidrógeno de alta pureza en el punto de uso. El producto de hidrógeno cumple o supera las especificaciones de pureza ISO 14687-2019 para celdas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEM) de baja temperatura, así como hidrógeno comprimido para dispensar en cilindros de almacenamiento a bordo para vehículos de celda de combustible. La pureza típica del hidrógeno del producto es >99,997 % de hidrógeno con <0,2 ppm de CO (base seca). La impureza es metano a <30 ppm y hay alrededor de 40 ppm a 70 ppm de vapor de agua.

Con tres modelos de productos que van desde 4 kg de hidrógeno por día hasta 390 kg de hidrógeno por día, un generador de hidrógeno Element 1 opera mediante un proceso termoquímico altamente eficiente y logra una eficiencia energética de hasta el 84 %, lo que resulta en un bajo costo de hidrógeno en el punto de usar. Por ejemplo, con el precio del metanol a 400 dólares por tonelada métrica, el coste del hidrógeno producido es inferior a 3 dólares por kg de hidrógeno. La energía eléctrica requerida es insignificante, menos de 1 kW a la producción máxima de hidrógeno en los generadores de hidrógeno más grandes, o alrededor de 0,1 kWh/kg de hidrógeno entregado al usuario. Esto supone 500 veces menos energía eléctrica en comparación con los electrolizadores de agua típicos.

Además, incluso los generadores de hidrógeno más grandes son de tamaño pequeño y totalmente autónomos. Por ejemplo, el M/L18 está clasificado para entregar 235 kg de hidrógeno al día y solo mide 879 mm (ancho) por 2080 mm (profundidad) por 1380 mm (alto), lo que lo hace práctico para instalarlo en un vehículo (p. ej., mediano). -camión de servicio o pesado) o embarcación marítima. El generador de hidrógeno M/L18 se combina bien con un módulo de pila de combustible nominal de 140 kW a 150 kW (la designación L indica aplicaciones estacionarias y la designación M indica aplicaciones de movilidad).

El L18 y sus variantes más grandes también están mostrando potencial para la generación distribuida de energía eléctrica (primaria y de respaldo) para aplicaciones, incluidas estaciones de carga de vehículos eléctricos con batería (BEV), centros de datos, comercio, desarrollos fuera de la red, energía temporal o transportable y energía crítica. infraestructura. Todas estas aplicaciones se benefician de la facilidad y el bajo costo de transportar metanol líquido utilizando la infraestructura existente desarrollada para distribuir combustibles derivados del petróleo (gasolina, diésel, combustible de aviación).

La arquitectura del producto autónomo de generación de energía eléctrica es sencilla, con sólo diferencias menores para un generador de hidrógeno de pila de combustible convencional que utiliza un suministro de hidrógeno comprimido. La Fig. 1 es un modelo 3D de un sistema de demostración en el Elemento 1 utilizado para cargar coches eléctricos (véanse también las Figs. 2 y 3). Los componentes principales están instalados dentro de un contenedor de envío modificado de diez pies e incluyen un generador de hidrógeno L18, un módulo de celda de combustible PowerCell PS200 y un banco de baterías de níquel-zinc Zinc Five (96 kWh). La electrónica de potencia y la refrigeración (para la pila de combustible) son externas.

A la máxima producción nominal de hidrógeno para el L18 (235 kg de hidrógeno por día), el módulo de pila de combustible generará aproximadamente 143 kW. Esta es energía más que suficiente para operar los tres cables de carga BEV de nivel 2, más el cable de carga Tesla de nivel 3, todo al mismo tiempo. Para demostrar la capacidad total del generador de energía, también está equipado con una salida trifásica de 480 VCA representativa de la energía necesaria para muchas aplicaciones de construcción. Se seleccionó la química de las baterías de níquel-zinc en lugar de las baterías de iones de litio debido a la seguridad inherente de las baterías de níquel-zinc: no sufrirán descontrol térmico ni combustión.

Este generador de hidrógeno de energía eléctrica de demostración está diseñado para funcionar junto con la red eléctrica o de forma completamente independiente de la red. Se pueden obtener mayores potencias colocando múltiples generadores de hidrógeno y múltiples celdas de combustible en un solo recinto. Un contenedor de envío estándar de 20 pies tiene el tamaño adecuado para contener suficientes módulos para generar alrededor de 450 kW de energía eléctrica regulada.

Como se mencionó, el proceso de metanol a hidrógeno es de naturaleza termoquímica más que electroquímica. En consecuencia, hay una corriente de escape de combustión. Sin embargo, el escape es muy limpio respecto a las emisiones reguladas, sin óxidos de azufre (SOx), ni óxidos de nitrógeno (NOx) ni partículas (PM). Las emisiones de monóxido de carbono son muy bajas, < 1 g/kWh. Además, si se utiliza metanol renovable como materia prima, la intensidad de carbono será muy baja o incluso negativa con la mayoría de los tipos de metanol biogénico renovable (Fig. 4), lo que logrará beneficios ambientales y contribuirá a la seguridad energética. Según el Instituto del Metanol, hay más de 80 proyectos de metanol renovable en marcha a nivel mundial que se prevé que produzcan más de ocho millones de toneladas métricas de metanol verde anualmente para 2027 (esto se suma a las más de 35 plantas de metanol renovable actualmente operativas comercialmente en todo el mundo). .

El diseño del generador de metanol a hidrógeno (a cualquier escala) es tal que tenemos una oportunidad única de capturar económicamente dióxido de carbono de manera mucho más económica que intentar capturar dióxido de carbono de los gases de escape. Eliminar el dióxido de carbono de las emisiones, aunque sea parcialmente, reducirá la intensidad de carbono del metanol "gris" convencional y puede llevar la intensidad de carbono del hidrógeno procedente del metanol renovable a cifras fuertemente negativas.

La corriente de gas residual empobrecida en hidrógeno dentro del generador de hidrógeno (rechazada en el purificador de hidrógeno) contiene más del 80% de las emisiones totales de carbono en forma de dióxido de carbono. Además, esta corriente de gas está a presión elevada (240 psig a 290 psig) y su composición es 45-50% de dióxido de carbono. Element 1 y Aramco han participado en un programa de colaboración conjunto desde 2021 para evaluar la ingeniería y la economía de la aplicación de la captura de carbono a este flujo de gases residuales. Ahora estamos comenzando a adquirir componentes y planeamos ensamblar el primer sistema prototipo escalado a una máquina de 235 kg de hidrógeno por día antes de finales de este año.

Aunque la captura de carbono no es práctica para todas las aplicaciones comerciales, tiene sentido en ciertos casos (como aplicaciones marítimas y generación estacionaria de hidrógeno y energía eléctrica distribuida) donde el dióxido de carbono capturado tiene valor de mercado o puede secuestrarse económicamente.

En resumen, producir hidrógeno de alta pureza de manera económica en el punto de uso con el generador de metanol a hidrógeno aprovecha las características atractivas del hidrógeno como combustible renovable y denso en energía, al tiempo que mitiga en gran medida los desafíos de almacenamiento y transporte que impiden que el hidrógeno se utilice. logrando una utilización generalizada tanto en aplicaciones estacionarias como de movilidad.

Tenga en cuenta que este artículo también aparecerá en la decimocuarta edición de nuestra publicación trimestral.

Vaya a la página de perfil de este socio para obtener más información sobre él.

Guarde mi nombre, correo electrónico y sitio web en este navegador para la próxima vez que comente.

D