Wytwarzanie gazu syntezowego w stałotlenkowych elektrolizerach parowych z odpadowego CO2 - możliwości i bariery rozwoju technologii

• Autorzy: Dudek M. , Rapacz-Kmita A. , Raźniak A. , Lis B. , Gajek M. , Tora B. , Olkuski T.

Warianty tytułu

EN

Production of syngas (H2 + CO) in a solid oxide steam electrolyser using waste CO2: opportunities for and barriers to technological development

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule dokonano przeglądu najważniejszych kierunków prac prowadzonych w świecie mających na celu zagospodarowanie odpadowego ditlenku węgla. Jedną z możliwości jest wykorzystanie CO2 jako substratu do produkcji syntetycznego metanu lub paliw płynnych (metanol, eter dimetylowy DME). W pracy przeprowadzono analizę techniczną wytwarzania gazu syntezowego (H2+CO) metodą współelektrolizy pary wodnej i ditlenku węgla w stałotlenkowym elektrolizerze parowym. W tym urządzeniu proces elektrolizy (H2O i CO2) zachodzi w wysokich temperaturach, tj. w zakresie od 750 C do 900 C. Jest to proces mniej energochłonny niż produkcja wodoru w niskotemperaturowych elektrolizerach polimerowych, alkalicznych, a więc koszt wytwarzania paliwa jest niższy. Inne potencjalne zalety to możliwość bezpośredniego podłączenia reaktora metanu do stałotlenkowego elektrolizera parowego, wykorzystanie ciepła odpadowego z reaktora syntezy metanu do wytwarzania pary wodnej, a także możliwość zbudowania kompaktowego urządzenia do produkcji paliw syntetycznych. Podstawowymi komponentami stosowanymi do budowy stałotlenkowych elektrolizerów parowych są materiały ceramiczne. Scharakteryzowano właściwości fizykochemiczne obecnie stosowanych elektrolitów ceramicznych oraz materiałów elektrodowych. Przeanalizowano możliwości modyfikacji ich właściwości fizykochemicznych w celu zwiększenia trwałości chemicznej w atmosferach gazowych zawierających związki siarki, a także podwyższenia elektrochemicznej aktywności do redukcji CO2 i H2O. Na podstawie wyników prac uzyskanych w projekcie KIC Innoenergy „Minerve” zaproponowano możliwości podwyższenia odporności korozyjnej materiałów elektrodowych, zawierających ceremet niklowo-cyrkonowy.

EN

This article reviews the most important directions in research aimed at the utilisation of waste carbon dioxide, being carried out globally. One direction involves the use of CO2 as a substrate for the production of synthetic methane or liquid fuels (methanol and dimethyl ether, or DME). This paper features an analysis of the technical potential for the production of synthetic gas (CO + H2) using the method of co-electrolysis of water vapour and carbon dioxide in a solid oxide steam electrolyser. In this device, electrolysis (H2O and CO2) takes place at high temperatures, i.e. in the range of 750 C to 900 C. This process is less energy-consuming than the production of hydrogen in low-temperature electrolysers (PEMFC, alkaline), and therefore the cost of manufacturing the fuel is lower. Other potential benefits include the ability to connect a methane reactor directly to a solid oxide steam electrolyser, the usage of waste heat from an SNG reactor for steam production, and developing a compact unit for the production of synthetic fuels. The basic components used to construct a solid oxide steam electrolyser are ceramic materials. The physicochemical properties of the ceramic electrolytes and electrode materials have been characterised in the article. The potential for modifying the physicochemical properties of electrode materials in order to improve their chemical stability in gas atmospheres containing sulphur compounds, as well as for enhancing electrochemical activity for the reduction of CO2 and H2O on modified cathode surfaces, is also considered. Certain modifications of the surface of a Ni-YSZ cathode and results achieved in the KIC InnoEnergy MINERVE project are presented, along with an increase in the corrosion resistance of electrode materials containing nickel-zirconia cermet resulting from the applied modifications.

Słowa kluczowe

PL

elektroliza; stałotlenkowy elektrolizer parowy; ogniwa paliwowe; CO2; utylizacja

EN

electrolysis; solid oxide steam electrolyser; fuel cell; CO2; utilization

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 69, nr 1
• Strony: 46--51
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Dudek M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Rapacz-Kmita A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Raźniak A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Lis B.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Gajek M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Tora B.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Olkuski T.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] The EU Emission Trading Systems, doi: 10.2834/55480, European Union, 2013.
• [2] Rola cementu w niskoemisyjnej gospodarce do roku 2050, opracowanie stowarzyszenia producentów cementu, http://www.polskicement.pl/.
• [3] Zhou, D. Q., Meng, F. Y., Bai, Y., Cai, S. Q.: Energy efficiency and congestion assessment with energy mix effect: The case of APEC countries, J. Cleaner Product., (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.08.166
• [4] Czardybon, A., Wiecław-Solny, W., Ściążko, M.: Technologiczne podstawy wykorzystania ditlenku węgla, Energetyka, styczeń 2014, 25-32.
• [5] Wójcicki, A., Nagy, S.: Aspekty prawne i merytoryczne związane z bezpieczeństwem składowania CO2 w strukturach geologicznych, Energetyka, styczeń 2014, 33-37.
• [6] Schakel, W., Oreggioni, G., Singh, B., Strømman, A., Ramírez, A.: Assessing the techno-environmental performance of CO2 utilization via dry reforming of methane for the production of dimethyl ether, J. CO2 Utilization, 16, (2016),138-149.
• [7] Cullear-Franca, R. M., Azapagic, A.: Review Article: Carbon capture, storage and utilisation technologies, A critical analysis and comparison of their life cycle environmental impact, J. CO2 Utilisation, 9, (2015), 82-102.
• [8] Fouda, M. E., Elwakil, A. S., Radwan, A. G., Allagui, A.: Power and energy analysis of fractional-order electrical energy storage devices, Energy, 111, (2016), 785-792.
• [9] Barelli, L., Bidini, G., Bonucci, F.: A micro-grid operation analysis for cost-effective battery energy storage and RES plants integration, Energy, 113, (2016), 831-844.
• [10] Götz, M., Lefebvre, J., Mörs, F., Mc Koch, A., Graf, F., Bajohr, S., Reimert, R., Kolb, T.: Renewable Power-to-Gas: A technological and economic review, Renewable Energy, 85, (2016), 1371-1390.
• [11] König, D. H., Freiberg, M., Dietrich, R. U., Wörner A.: Techno-economic study of the storage of fluctuating renewable energy in liquid hydrocarbons, Fuel, 159, (2015), 289-297.
• [12] Chen, L., Chen, F., Xia, Ch.: Direct synthesis of methane from CO2–H2O co-electrolysis in tubular solid oxide electrolysis cells, Energy Environ. Sci., 7, (2014), 4018-4022.
• [13] Minh, N. Q., Mogensen, M. B.: Reversible Solid Oxide Fuel Cell Technology for Green Fuel and power production, The Electrochemical Society Interface, 22, (2013), 55-62.
• [14] Gałusza, M., Paruch J. (red.): Odnawialne i niekonwencjonalne źródła energii, Tarnobus, Tarnobrzeg 2007.
• [15] Zhan, Z., Kobsiriphat, W., Wilson, J. R., Pillai, M., Kim I., Barnett, S. A.: Syngas Production By Coelectrolysis of CO2/H2O: The Basis for a Renewable Energy Cycle, Energy Fuels, 23, 6, (2009), 3089-3096
• [16] Wade, J. L, Lee, C., West, A. C., Lackner, K.S.: Composite electrolyte membrane for high temperature CO2 separation, J. Membrane Sci., 369, (2011), 20-29.
• [17] Tao, Y., Ebbsen, S. D., Mongosen, M.: Degradation of solid oxide cells during co-electrolysis of steam and carbon dioxide at high densities, J. Power Sources, 328, (2016), 452-462.
• [18] Dudek, M.:Composite oxide electrolytes for electrochemical devices, Advances Mater. Sci., 8, (2008), 14-26.
• [19] Yokokawa, H., Sakai, N., Horita, T., Yamaji, K.: Recent Developments in Solid Oxide Fuel Cell Materials, Fuel Cell, 1, (2002), 87-169.
• [20] Zhang, X., Chan, S. H., Li, G., Ho, H. K., Li, J., Feng, Z.: A rewiev of integration strategies for solid oxide fuel cells, J. Power Sources, 195, 3, (2010), 685-702.
• [21] Tao, Y., Ebbsen, S. D., Mongosen, M.: Degradation of solid oxide cells during co-electrolysis of steam and carbon dioxide at high densities, J. Power Sources, 328, (2016), 452-462.
• [22] Garcia-Garcia, F. J., Yubero, F., Espinós, J. P., González-Elipe, A. R., Lambert, R. M.: Synthesis, characterization and performance of robust poison-resistant ultrathin film yttria stabilized zirconia – nickel anodes for application in solid electrolyte fuel cells, J. Power Sources, 324, 30, (2016), 679-686.
• [23] Zhu, W. Z., Deevi, S.: A Review on the Status of Anode Materials for Solid Oxide Fuel Cells, Mater. Sci. Eng. A, 362, 1-2, (2003), 228-239.
• [24] Offer, G. J., Mermelstein, J., Brigtman, E., Brandon, N. P.: Thermodynamics and kinetics of interaction of carbon and sulfur with solid oxide fuel cells anodes, J. Am. Ceram. Soc., 92, 4, (2009), 763-780.
• [25] Dudek, M.: The impact of organic form of sulphur originating from coal on the performance solid oxide fuel cells, Solid State Phenomena, 227, (2015), 341-344.
• [26] Wang, Y., Liu, T., Fang, S., Chen, F.: Syngas production on a symmetrical solid oxide H2O/CO2 co-electrolysis with Sr2Fe1.5Mo0.506-Sm0.2Ce0.801.9 electrodes, J. Power Sources, 305, (2016), 240-248.
• [27] Kim, S. J., Kim, K. J., Dayaghi, A., Choi, G. M.: Polarization and stability of La2NiO4+δ in comparison with La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ as air electrode of solid oxide electrolysis cell, Int. J. Hydrogen Energy, 41, (2016), 14498-14506.
• [28] Yan, J.: Handbook of Clean Energy System, Volume 6, Wiley 2015.
• [29] Sammes, N. (Ed.): Fuel Cell Technology – Reaching Towards Commercialization, 2007, Springer.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).