ebook img

Life Cycle Assessment of improved high pressure alkaline electroly PDF

28 Pages·2015·1.7 MB·English
by  
Save to my drive
Quick download
Download
Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.

Preview Life Cycle Assessment of improved high pressure alkaline electroly

Life Cycle Assessment of improved high pressure alkaline electroly‐ sis     Jan Christian Koj1, Andrea Schreiber1, Petra Zapp1, Pablo Marcuello2  1) Forschungszentrum Jülich, Institute of Energy and Climate Research ‐ Systems Analysis and Technology  Evaluation (IEK‐STE), D‐52425 Jülich, Germany  2) Fundacion para el Desarrollo de Nuevas Tecnologias del Hidrogeno en Aragon (FHa), E‐22197, Spain    Executive Summary  This report investigates environmental impacts of high pressure alkaline water electrolysis  systems. Advanced systems with new improved membrane technology are compared to a  state‐of‐the‐art system with asbestos membranes using a Life Cycle Assessment (LCA) ap‐ proach.  This  LCA  is  compliant  to  ILCD  [JRC,  2011]  and  therefore  also  to  ISO  14040  [International  Organization  for  Standardization  (ISO),  2006a],  14044  [International  Organization for Standardization (ISO), 2006b] and FC‐HyGuide [Lozanovski, 2011]. Most of  the relevant data derive from the partners in the EU research project “ELYGRID”. Results  indicate that most environmental impacts are caused by the electricity supply necessary for  operation. During the construction phase cell stacks are the main contributor to environ‐ mental impacts. Membranes have relatively small contributions to impacts caused by cell  construction within the considered systems. As main outcome the systems comparison illus‐ trates a better ecological performance of the new improved system.      Keywords  Life Cycle Assessment, hydrogen production, alkaline water electrolysis, environmental im‐ pacts    Contribution to ELYGRID project 2  I Introduction  The inherent variability of renewable energy sources causes risks for the reliability of electri‐ cal power grids. Therefore, balancing variable renewable energy (VRE) is increasingly recog‐ nised as a serious, worldwide challenge [Droste‐Franke et al., 2012]. These developments led  to a renewed interest in hydrogen production technologies. Outstanding characteristics, e.g.  flexibility and high efficient hydrogen production from renewable electricity resources, make  water electrolysis a good candidate for future low‐carbon hydrogen production.   Alkaline water electrolysis is a mature hydrogen production technology. However, the state  of this technology did not improve significantly within the last decades. Asbestos has been  extensively used as membrane material for many years and is still widely in use in existing  electrolysis systems. Nonetheless, regulation (EC) No 1907/2006 (also known as REACH)  [European Union, 2006] started a new development. It prohibits to put asbestos on the mar‐ ket as well as the supply and use of asbestos fibres of all types and of products containing  asbestos fibres. Hence, for new alkaline electrolysis systems the use of asbestos membranes  is not allowed any more, new membranes are necessary for hydrogen generation. Within  the “ELYGRID” project improved non‐asbestos membrane materials for novel electrolysis  systems are investigated.  The purpose of the current study is to present an in‐depth assessment of environmental im‐ pacts induced by these advanced alkaline water electrolysis systems in comparison to state‐ of‐the‐art asbestos systems. Environmental assessments of hydrogen production have been  subject in many studies. However, a review paper shows that most of these studies had an  exclusive focus on Global Warming Potential (GWP) [Bhandari et al., 2014]. Little attention  has been paid to evaluation of ecological effects of individual alkaline electrolysis constitu‐ ents. Therefore, modeling of environmental impacts caused by an exchange of membranes  was not possible in the past. The “ELYGRID” project provides a great opportunity for a de‐ tailed environmental assessment of advanced asbestos‐free membrane materials and entire  alkaline water electrolysis systems.  Life Cycle Assessment (LCA) is used as method for environmental assessment within this  study. LCA involves environmental impacts over the entire lifetime of products or systems.   Finally, the main aim of this report is to present key results of the LCA and to answer the  question if the technological advancement of electrolysis systems leads to environmental  improvement.  I.1 Analysed systems  The LCA includes a comparative presentation of the environmental outcomes of three dif‐ ferent electrolysis systems. A state‐of‐the‐art asbestos electrolysis system is compared to  advanced non‐asbestos systems. Reference is a state‐of‐the‐art 3.5 MW electrolysis system  using conventional asbestos membranes (system I). The second system (II) includes the ad‐ vanced polymer based membrane instead of the asbestos membrane. This system is as‐ 3  sessed to evaluate the effects of changes on cell level solely. In addition, an advanced sys‐ tem, which is planned for commercial operation, including further Balance of Plant (BOP)  improvement (redesign of mechanical components, infrastructure changes) is analyzed (sys‐ tem III). These changes concern optimized gas separators and heat exchangers as well as  some pumps with enhanced power demand. The system power of 6 MW is planned for the  advanced systems. These systems, using advanced membranes, achieve higher hydrogen  outputs with the same number and diameters of cells. Essential technical parameters are  summarized in Tab. 1.  Tab. 1:  Technical characteristics of compared electrolysis systems  Conventional  Advanced                        System  System  without BOP  BOP improve‐    improvement  ment  I  II  III  System power  MW  3.5  6.0  Hydrogen output  kg/hr  68  116  Electricity consumption  kWh /kg H   57.3  53.9  el 2 Cells per stack  pcs  139  Stacks  pcs  4  Cell diameter  m  1.6  Operating pressure  bar  33  Operating temperature  °C  85  Volume of gas separator  l  10  5  Power of KOH cycle pump  kW  1.5  3  Power of de‐ion. water  kW  10  20  pump  Heat exchanger weight  kg  22,000  3,891  Source: IEK‐STE 2015  IEK‐STE 2015  Within the assessment of these systems specific conditions of the ELYGRID project are con‐ sidered. Country‐specific operating conditions in Spain like the average electricity grid mix or 4  Spanish wind power mix are considered. Furthermore, specific transports of the system  components are construction the manufacturing of components and their transportation to  the northern part of Spain, where the electrolysis tests of the ELYGRID project take place,  are involved in the calculations (e.g. transport of cell stacks from Switzerland to Spain).  I.2 System components  The following paragraphs give an overview of system components.  Central components of the systems are the cell stacks, where the electrolysis takes place.  The number and diameter of cells of all three systems is the same.  Electroylsis cells inside the stacks are constructed in a “sandwich” formation. The membrane  is embedded between the anode and cathode. Furthermore, each cell also contains a gasket  and cell frame. The cell stack assembly requires processed steel and copper.  Moreover, there are further components necessary for the system assembly and operation:  •  Gas separator (for separating O  and H )  2 2 •  Lye tank for potassium hydroxide (KOH)  •  KOH filter  •  Heat exchangers (for cooling of O , H , and KOH)  2 2 •  Pumps (pumping of KOH and water)  •  Power electronics  There are various flows between these systems components. Fig. 1 shows these flows in a  flow chart. 5  Fig. 1:  Technical characteristics of compared electrolysis systems    Source: FHa 2014, modifications by IEK‐STE 2014  IEK‐STE 2015  The flow chart can be applied on all three systems, due to their same basic structure. In two  gas separators the disunite oxygen and hydrogen gas flows are cooled down and dehumidi‐ fied. The pink lines show the flows of KOH, which circulates in the systems. Furthermore,  there is a second cycle within the system. Cooling water circulates within this cycle and is  marked by the green lines. There is further application for deionized water. For conducting  the electrolysis a continuous water supply is required.  II Method  Purpose of the assessment is the implementation of an ISO‐ and ILCD‐conform LCA to com‐ pare the environmental effects of state‐of‐the‐art asbestos electrolysis systems to advanced  non‐asbestos systems.  II.1 LCA basics  Life Cycle Assessment (LCA) is an adequate method for a holistic evaluation of environmen‐ tal effects. It is well‐established, internationally acknowledged, and defined in the ISO stand‐ ards  14040  [International  Organization  for  Standardization  (ISO),  2006a]  and  14044  [International Organization for Standardization (ISO), 2006b]. Within LCA environmental im‐ pacts along the whole life cycle of products are assessed, comprising processes from mining  of raw materials, production and use to recycling and/or disposal. ILCD is based on the ISO  standards. ILCD stands for an International Reference Life Cycle Data System, which contains  recommendations for Life Cycle Impact Assessment in the European context [JRC, 2011]. 6  Corresponding to the ISO norms, a LCA is composed of four stages [Bhandari et al., 2013]:  1. Goal and scope definition: The goal definition defines the purpose of the analysis.  Scope definition determines the functional unit to be analyzed and system bounda‐ ries regarding region and time frame and methods used for impact assessment.  2. Life Cycle Inventory Analysis (LCI): In the LCI relevant data about energy and material  inputs, emissions, wastes, and other releases are collected and quantified.  3. Life Cycle Impact Assessment (LCIA): The compiled inputs and outputs are catego‐ rized and assigned to environmental effects, the so called impact categories.  4. Interpretation: This last LCA step summarizes the LCI and LCIA results and their quali‐ ty. Conclusions and recommendations are drawn.  II.2 LCA application on the ELYGRID project  All three systems within this assessment are compared on the basis of the functional unit.  For our assessment the production of 1 kg H  at 33 bar and 40 °C are considered as function‐ 2 al unit. A technical service life of 20 years is considered for all systems.  FC Hy‐Guide [Lozanovski, 2011] proposes the subdivision of hydrogen production systems in  construction, operation, and end of life. In Fig. 2 this subdivision is illustrated for the consid‐ ered conventional and advanced alkaline electrolysis systems.  Fig. 2:  System boundary and processes of alkaline electrolysis systems considered    Source: IEK‐STE 2015  IEK‐STE 2015  Besides manufacturing of the electrolyzer components the construction includes the assem‐ bly of system and its transport. Steel, copper, and electrolysis cells are integrated into cell  stacks. Concerning the construction the main difference of the systems is the membrane  material. Moreover, there are additional improvements in the cell, like lower weights, for  the advanced system cases. 7  With regard to operation the system power and the resulting amount of hydrogen output  are the main differences of the compared electrolysis systems. Beside the actual electrolysis  process operation includes the necessary electricity and deionized water supply, the cycles  of potassium hydroxide (KOH) solution and cooling water. A KOH solution with a concentra‐ tion of 25 % is used. The KOH solution is disposed after 10 years and replaced by a new solu‐ tion. During this operation time the KOH solution can be circulated without conditioning.  Additionally, deionized water is used for system operation. For the production of 1 kg hydro‐ gen the amount of 10.11 l deionized water is required. Oxygen is co‐generated to hydrogen  in the electrolysis process. For the system no subsequent use of the oxygen is considered  and it is emitted into the atmosphere. As agreed by the project consortium H  purification,  2 compression, H  storage, and gas holder are not considered as part of the system investigat‐ 2 ed in the project and therefore not included into the system boundaries of this analysis. Two  different operation scenarios are analysed within this assessment. As ecological best case an  operation with wind power is considered. On the other hand an operation with electricity  grid mix is assessed as worst case. For both cases a nearly year‐round operation with only  five short stops and start‐ups a year is assumed. The prospective real operation will probably  have lower full‐load hours, but is not clearly quantifiable by now.  The asbestos parts (membranes and gaskets) and steel components are considered for dis‐ posal. As the disposal modalities of the new improved membranes are not finally clear, this  disposal is not considered.  II.3 LCI application on the ELYGRID project  Data for 1st order processes (operation) including the amount of KOH, deionized water or  electricity are provided entirely by the project partners. Life Cycle information about these  operation materials or energy (2nd order processes) are taken from LCA data bases (especial‐ ly ecoinvent 2.2 and GaBi 6.0). Data for 3rd order processes (infrastructure for surrounding  system) are also taken mostly from the data bases. As some data are not available (e.g. pro‐ duction of the asbestos membrane) the information have to be developed using secondary  literature (e.g. patents, company brochures).  II.4 LCIA application on the ELYGRID project  In the Life Cycle Impact Assessment (LCIA) the gathered and aggregated inputs and outputs  of the entire systems are categorized and allocated to environmental impact categories.  The choice of impact categories is based on the ILCD guidelines [JRC, 2011]. Following impact  categories are recommended and assessed within this LCA:  •  Abiotic Resource Depletion Potential ‐ mineral (ADP elem. [kg Sb‐eqv.])  •  Abiotic Resource Depletion Potential ‐ fossil (ADP fossil [MJ])  •  Global Warming Potential (GWP [kg CO ‐eqv.])  2 •  Acidification Potential (AP [kg SO ‐eqv.)  2 8  •  Ozone Depletion Potential (ODP [kg R11‐eqv.])  •  Eutrophication Potential ‐ saltwater (EP sw [kg N‐eqv.])  •  Eutrophication Potential ‐ fresh water (EP fw [kg P‐eqv.])  •  Photochemical Ozone Creation Potential (POCP [kg NMVOC])  •  Human Toxicity Potential ‐ carcinogen (HTP c [CTUh ])  c •  Human Toxicity Potential ‐ non carcinogen (HTP nc [CTUh ])  nc •  Ecotoxicity Potential (ETP [CTUe])  •  Particulate Matter (PM [kg PM ‐eqv.])  2.5 For carrying out LCA of hydrogen production the European Union has developed and rec‐ ommended a guideline (FC‐HyGuide) [Lozanovski, 2011], which is applied in most parts of  this study. However, its use in LCIA about hydrogen production via electrolysis has not been  observed yet. Hence, ILCD guideline [JRC, 2011] is applied in this study for LCIA because of  the larger number of assessment categories and its broad international recognition.  By selecting this range of ILCD proposed impact categories and conducting ILCD based calcu‐ lations, a broader view on environmental effects is achieved than other LCA about hydrogen  production did before. Additionally, a more detailed look on the impact contribution of spe‐ cial components of electrolysis systems is a main purpose of this study.  III Life Cycle Inventory  In the LCI all material and energy in‐ and outputs for the entire system are calculated. Within  the subsequent LCIA these Inputs and outputs are allocated to environmental effects (Chap‐ ter IV).  III.1 LCI Data for construction  In a first step material amounts used for production of single cells are shown in Tab. 2. 9  Tab. 2:  Material composition of electrolysis cells  Asbestos Cell  Advanced Cell     Material  kg  Material  kg     Total  7.5  Total  2.619  Chemicals for im‐ Chrysotile‐Asbestos  7  2.619  proved membranes  Polyester resin  0.35  ‐  ‐  Membrane  Dimethylformamide  0.102  ‐  ‐  Toluol  0.022  ‐  ‐  Styrol  0.006  ‐  ‐  Total  10.2  Total  10.2  Anode  Nickel  10.2  Nickel  10.2  Total  10.2  Total  10.2  Nickel  9.53  Nickel  9.53  Cathode  Aluminium  0.4  Aluminium  0.4  Carbon monoxide  0.26  Carbon monoxide  0.26  Total  55  Total  51  Cell frame  Steel  45.8  Steel  43.4  Nickel  9.2  Nickel  7.6  Total  0.7  Total  0.7  Asbestos paper  0.621  Aramid fibres  0.105  Acrylonitrile‐ Gasket  Tetrafluorethylene  0.0789  0.14  butadiene‐styrene  ‐  ‐  Graphite  0.385  ‐  ‐  Tetrafluorethylene  0.07  Source: IEK‐STE 2015  IEK‐STE 2015

Description:
This report investigates environmental impacts of high pressure alkaline water electrolysis Life Cycle Assessment (LCA) is used as method for environmental Furthermore, each cell also contains a gasket .. In this chapter the LCI results (in- and outputs) are allocated to environmental impacts to.
See more

The list of books you might like

Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.