Biological Production of Hydrogen and Methane: Process Evaluation and Design through Modeling

Abstract

A great deal of research is being carried out on the biological production of hydrogen and methane. However, little effort has been devoted to studying the technical and economic feasibility of these processes. The main objective of the work presented in this thesis was to perform techno-economic analyses to improve our understanding of the processes by identifying the bottlenecks, and to provide insight into the present status and potential of these processes from an economic perspective.



The following processes were studied: biological hydrogen production (combining dark fermentation and photofermentation), biological hydrogen and methane production (combining dark fermentation and anaerobic digestion), and methane production (anaerobic digestion alone). Pretreatment and hydrolysis of the raw material (potato steam peels and barley straw in this work) and upgrading of the gaseous products were included in the investigations. An ethanol production process was included as a reference. The techno-economic aspects of the processes were evaluated by simulations using models implemented in the commercial flowsheeting software Aspen Plus™. In addition to the techno-economic evaluations, detailed studies of the dark fermentation step and the gas upgrading technique of water scrubbing were performed.



The hydrogen production cost was found to be very high, primarily due to the high cost associated with the photofermentation step; the main bottlenecks being the low hydrogen productivity and the requirement of large amounts of buffers. The production cost in the biological hydrogen and methane process was shown to be significantly lower than that of the hydrogen process. However, the cost is still considerably higher than that of the methane and ethanol processes. Nonetheless, the process combining dark fermentation and anaerobic digestion has potential, for example, within a biorefinery, and deserves more attention.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Globala klimatförändringar, nationell säkerhet och ekonomisk stabilitet är alla starka drivkrafter för utveckling av nya drivmedel. Två intressanta alternativ är vätgas och metangas producerade från förnyelsebara råvaror. Detta kan göras i biologiska processer där bakterier omvandlar socker till vätgas eller metangas. Dessa processer måste dock utvecklas och förbättras för att göras mer kostnadseffektiva och hållbara. Detta har varit fokuset i mitt arbete och är i fokus i denna avhandling.



Växthusgaser är livsnödvändiga, utan dem skulle medeltemperaturen på jorden vara -19°C och liv på jorden skulle vara omöjligt. Förbränning av fossila bränslen som bensin, diesel och kol har dock lett till en markant ökning av växthusgaser. Mycket tyder på att detta i sin tur har lett till att jordens medeltemperatur börjat stiga och om större ökningar tillåts kan det leda till svåra mänskliga och ekologiska påfrestningar. Trots klimathotet så ökar fortfarande konsumtionen av fossila bränslen, framför allt på grund av att länder med stora befolkningar som Kina, Indien och Brasilien, anpassar sig till en västerländsk livsstil med ökad oljekonsumtion som följd. Samtidigt har upptaget av råolja planat ut och kommer att börja minska på grund av tynande oljereserver, vilket oundvikligen kommer att leda till ett allt högre pris på fossila bränslen. Världen vi lever i idag är extremt beroende av energi från fossila råvaror vilket kan leda till stora ekonomiska påfrestningar och i värsta fall till svåra konflikter. För att undvika detta måste alternativa bränslen producerade på ett hållbart sätt och från förnyelsebara råmaterial tas fram. Intressanta alternativ som det också pågår mycket forskning kring, är biologiskt producerad vätgas och metangas. I biologiska processer används bakterier för att omvandla socker till olika önskvärda produkter, i detta fall vätgas eller metangas.



Två processer som har föreslagits bygger på att två olika biologiska steg, så kallade fermentationssteg, kopplas samman. Anledningen till att det behövs två steg är att det första steget inte utnyttjar råvaran fullständigt. I det första steget, s.k. mörk fermentation, produceras vätgas och olika organiska syror, som till exempel ättiksyra. Syrorna innehåller mycket energi som måste tas till vara på något sätt. Ett sätt är att utnyttja bakterier som med hjälp av solljus kan omvandla syrorna till vätgas, s.k. fotofermentation. En annan lösning är att använda bakterier som har förmågan att producera metangas av syrorna. Ett alternativ till två-stegs processerna är att enbart producera metangas, d.v.s. endast ett biologiskt steg behövs. För att få till en fullständig process måste de olika biologiska stegen i många fall kompletteras med förbehandling, hydrolys av råvaran och gasupprening. Syftet med förbehandlingen och hydrolysen är att göra sockret i råvaran, t.ex. i from av stärkelse eller cellulosa, tillgänglig för bakterierna genom att bryta ner de långa sockerkedjorna. De biologiska stegen producerar även koldioxid och för att kunna utnyttja vätgasen och metangasen effektivt så måste koldioxiden tas bort. Detta görs i gasuppreningen.



I min forskning har jag studerat de ovanstående processerna ur ett tekniskt och ekonomiskt perspektiv. Jag har försökt svara på frågor som: Är processen praktiskt möjlig? Till vilken kostnad kan vi producera gaserna? Var finns processens flaskhalsar och vad måste man förbättra? För att svara på ovanstående frågor så har jag utgått från experimentella data och byggt upp datormodeller av processerna. Därefter har jag använt modellerna för att simulera och uppskatta produktionskostnaden för de olika processerna och för olika scenarier.



Jag har visat att fotofermentorn lider av stora effektivitetsproblem, särskilt vad gäller produktivitet. Detta leder till att det krävs en stor fotofermentor för produktion av förhållandevis små mängder vätgas, vilket resulterar i höga kostnader. Viss förbättring av fotofermentorn kan förutspås men det är tvivelaktigt om den någonsin kommer att bli ekonomiskt försvarbar. Jag har dessutom visat att mörkfermentations-steget i nuläget är dyrt. Den största utmaningen som måste lösas är förbättring av produktiviteten samtidigt som substratkoncentrationen ökas och ett högt utbyte bibehålls. Trots detta är mörk fermentation fortsatt intressant och kan ha sin plats i ett bioraffinaderi men i så fall inte för att producera vätgas som biobränsle utan som kemikalie. Slutligen är det tydligt att produktion av metangas är att föredra framför vätgas ur ett kostnadsperspektiv. Men även metanprocessen måste förbättras och det är då viktigt att studera hela processen, från råmaterial via rötning och gasupprening till slutlig produkt.

• author: Ljunggren, Mattias
• supervisor: Guido Zacchi
• opponent: Professor Banks, Charles, School of Civil Engineering and the Environment, University of Southampton, United Kingdom
• organization: Division of Chemical Engineering
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Engineering
• keywords: biological hydrogen production, dark fermentation, photofermentation, process simulation, economic evaluation, gas upgrading, anaerobic digestion
• pages: 186 pages
• defense location: Lecture hall K:B, Center of Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2011-09-09 10:30:00
• ISBN: 978-91-7422-278-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 952ea975-253d-4f96-b563-008be8ac2913 (old id 2063094)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:00:52
• date last changed: 2023-04-18 18:14:31