ELECTRIFIED STEAM METHANE REFORMING (eSMR) 1,65 KEER ZO EFFICIËNT DAN ELEKTROLYSE.

- Hoger rendement elektriciteit door extra besparing aardgas door hogere efficiëntie aardgas - 

 Groene waterstof (elektrolyse) is zeer populair. Door Frans Timmermans een rockster genoemd (voorlopig een vallende ster). Maar zonder voldoende overschotten aan weersafhankelijke elektriciteit is het direct omzetten van aardgas tot waterstof (SMR), met slechts 25 % energieverlies, veel efficiënter dan eerst het aardgas met 50 % verlies omzetten in elektriciteit en vervolgens die elektriciteit ook nog eens met 30 % elektrolyseverlies omzetten in waterstof. En daarmee dus uitkomend op een verlies van 65 %, ruim twee keer zo hoog dan aardgas (met stoom) direct om te zetten in waterstof. Elektrolysers hebben ook een opstarttijd nodig en vergen ook een enorme investering. Daarom wordt, gelukkig, nog 99,9 % van alle waterstof geproduceerd door aardgas onder hoge temperatuur en druk samen met stoom te reformen tot (derhalve grijze) waterstof. Alleen al kunstmestfabrikant Yara verbruikt voor dit Steam Methane Reforming 5 % van het Nederlands aardgasverbruik. En er komt uiteraard CO2 bij vrij. Er zijn snode plannen om met het reformproces aardgas om te zetten in (blauwe) waterstof en daarmee aardgas te vervangen en de vrijkomende CO2 (gedeeltelijk) af te vangen. Ik noem dit een snood plan omdat er 40 % meer van deze relatief schone en schaarse energiebron nodig zal zijn als gevolg van het reformverlies en het hogere condensatiewarmteverlies. Maar CO2-afvang middels reforming levert natuurlijk niet deze extra verliezen daar waar het aardgas sowieso al middels reforming wordt omgezet in waterstof. Zoals bij de huidige jaarproductie van 800.000 ton grijze waterstof in onze chemische industrie zoals Yara. Óf wanneer aardgas gereformd moet worden voor het ontladen van een aan een waterstofleidingnet gekoppelde HBr-flowbatterij (H2LinkedHBrFlowbattery).

 De chemische formule voor aardgasreforming is CH4 + 2 H2O  -- 750 oC --->  4 H2 + CO2   + 165 kJ.    Procesrendement circa 75 %. Het is dus (zie plusje) tevens een endothermische reactie. Er moet dus extra energie bij doordat een gebruikte m3 CH4 minder energie bevat dan de daarmee gevormde 4 m3 H2. De  +165 kJ staat dus voor extra CH4-verbruik. Naast het extra CH4-verbruikt voor het 25 % energieverlies aan warmte. Kan het met minder van dat extra aardgas verbruik? Bijvoorbeeld door de reformer rechtstreeks elektrisch te verwarmen zodat er minder energieverlies optreedt?

 Omdat Steam Methane Reforming een endothermisch proces is wordt tijdens het reformingproces de reformingkamers extra verhit met externe aardgasbranders. In 2019 presenteerde Deense onderzoekers een reformer waarin de tinnen katalysatorlaag van de reformkamer in plaats van met externe gasbranders direct elektrisch wordt verhit (Elektrified Steam Methane Reforming eSMR). Het bouwen van een eSMR reformer zou zelfs goedkoper zijn dan het bouwen van een klassieke SMR reformer en die bovendien ook een stuk kleiner is. In de praktijk werkt er nog geen enkele eSMR. Ondertussen worden er wel elektrisch ondersteunde ethaankrakers gebouwd. Ik ga er vanuit dat de toevoegde hete stoom op de oude manier geproduceerd wordt. Dus door aardgas te verbranden en of met restwarmte van het SMR proces. Door eSMR kan dus overtollige weersafhankelijke elektriciteit worden benut. Door het direct elektrisch verwarmen van de katalysator wordt er vergeleken met gewone SMR ook schonere waterstof geproduceerd en verloopt de reforming ook een stuk efficiënter. Zou overtollige elektriciteit benutten voor eSMR dan ook efficiënter zijn dan waterstofproductie middels elektrolyse? 

 Er wordt bij eSMR 30 % CO2-uitstoot, en dus aardgasverbruik, bespaard. <a href="Electrified steam methane reforming of biogas for sustainable syngas manufacturing and next-generation of plant design: A pilot plant study - ScienceDirect">Een later onderzoek</a> komt zelfs op 38 % minder CO2 en dus aardgasverbruik. Er wordt dan natuurlijk wel elektriciteit verbruikt. Genoemd onderzoek meldt dat voor gewone SMR voor elke m3 geproduceerde waterstof er 4,2 kWh aan aardgas nodig. En voor eSMR voor elke m3 geproduceerde waterstof in totaat 3,6 kWh waarvan 2,6 kWh aan aardgas en 1,0 kWh aan elektriciteit.

 Ik kom voor het rendement van de te gebruiken elektriciteit dan op de volgende berekening:

Verbruik gewone SMR (dus alleen aardgas)              :  4,2 kWh per m3 geproduceerde waterstof.

("a classical SMR plant has a specific net energy consumption of 4.2 kWh/Nm3 H2 all being LHV equivalent of natural gas feed")

Verbruik eSMR                                                                :  3,6 kWh per m3 geproduceerde waterstof. 

                                                                                        waarvan 2,6 kWh aan aardgas en 1,0 kWh elektrisch.

("the specific net energy consumption of an eSMR based process for hydrogen production is 3.6 kWh/Nm3 H2 as there is an additional 2.6 kWh/Nm3 H2 due to the LHV equivalent of the natural gas feed") 

• 1 m3 waterstof bevat 3 kWh.
  
• Elektrolyse 70 % rendement. Dus elke m3 waterstof kost 3 / 0,7 = 4,3 kWh elektriciteit.
• 
  
• 2,6 kWh aan aardgas levert bij gewone SMR dus 2,6 / 4.2 = 0,62 m3 waterstofgas op.
• 2,6 kWh aan aardgas levert bij eSMR samen met 1 kWh elektriciteit 1 m3 waterstofgas op.
• 
  
• Derhalve levert 1 kWh elektriciteit bij eSMR dus 0,38 m3 extra waterstofgas op.
• 0,38 m3 waterstof  bevat 0,38 x 3 = 1,14 kWh.
• Derhalve heeft het bij eSMR gebruikte elektriciteit dus een rendement van 1,14 / 1  x  100% = 114 %

             (hoger rendement dan 100 % a.g.v. minder warmteverlies door lagere temperatuur reformer)

• 1 kWh levert bij elektrolyse 1 / 4,3 = 0,23 m3 waterstof op.
• 1 kWh levert bij eSMR 0,38 m3 waterstof op. Dat is 0,38 - 0,23 = 0,15 m3 H2 meer.
• Derhalve geeft elektriciteit bij eSMR dus een hogere opbrengst van  0,15 / 0,23 x 100 % = 65 %

           meer.

 Elektriciteitsgebruik met 114 % rendement? Hoe kan dat ? : Door een efficiënter benutting (in de vorm van minder warmteverlies) van het voor eSMR gebruikte aardgas.

 Ter controle het totale rendement van aardgas en elektriciteit voor eSMR. Voor aardgas en elektriciteit samen kan het rendement natuurlijk nooit hoger dan 100 % zijn. De volgende getallen heb ik overigens van het onderzoek overgenomen. Voor gewone SMR is voor elke m3 geproduceerde waterstof ((=3 kWh)) 4,2 kWh aan aardgas nodig. Het SMR rendement is dan  3 / 4,2 x 100 % = 71 %.  Voor eSMR is voor elke m3 geproduceerde waterstof 2,6 kWh aan aardgas en 1,0 kWh aan elektriciteit nodig dus in totaal 3,6 kWh nodig. Het totale rendement is dan 3,0 / 3,6  x 100 % = 83 %.

 Elektriciteitsbenutting voor eSMR geeft een rendement van 114 %. Voor elektrolyse is dat rond de 70 %. Derhalve is eSMR 64 % efficiënter, of te wel 1,64 keer, efficiënter dan elektrolyse.

Electrified steam methane reforming of biogas for sustainable syngas manufacturing and next-generation of plant design: A pilot plant study - ScienceDirect

 Leon Nelen.