Your SlideShare is downloading. ×
  • Like
Producción de hidrógeno a partir de energías renovables_A.Monzón
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Thanks for flagging this SlideShare!

Oops! An error has occurred.

×

Now you can save presentations on your phone or tablet

Available for both IPhone and Android

Text the download link to your phone

Standard text messaging rates apply

Producción de hidrógeno a partir de energías renovables_A.Monzón

  • 591 views
Published

 

  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
    Be the first to like this
No Downloads

Views

Total Views
591
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0

Actions

Shares
Downloads
10
Comments
0
Likes
0

Embeds 0

No embeds

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1. 1 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 2. Hydrogen Production from Renewable Resources  Prof Antonio MonzónProf. Antonio Monzón Department of Chemical & Environmental Engineering Institute of Nanoscience of Aragón (INA). University of Zaragoza e‐mail: amonzon@unizar.es http://www.unizar.es/creg/ 2 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 3. Hydrogen Production from Renewable Resources  Outline  Introduction to Renewable  Hydrogen ProductionHydrogen Production  Electrolysis   Biomass to Hydrogen Biomass to Hydrogen  Fermentation  Thermolysis  Photolysis   Conclusions 3 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 4. Hydrogen Production from Renewable Resources  Renewable EnergyRenewable Energy "Energy obtained from the continuous or  repetitive currents of energy recurring in therepetitive currents of energy recurring in the  natural environment” “Energy flows which are replenished at the  same rate as they are used” 4 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 5. Hydrogen Production from Renewable Resources  Renewable EnergyRenewable Energy "Energy obtained from the  ti titicontinuous or repetitive  currents of energy recurring  in the natural environment”in the natural environment “Energy flows which are  replenished at the samereplenished at the same  rate as they are used” 5 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 6. Hydrogen Production from Renewable Resources  What is the Focus?What is the Focus? Environmental focus – Global Warming  Replace fossil fuels burned for electric power generation  with renewable resources that have near zero net CO2with renewable resources that have near zero net CO2 Energy Security Focus  Replace imported oil with  alternative fuels 6 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 7. Hydrogen Production from Renewable Resources  World Energy Matrix: Present Scenario MTonnes oil equivalent Coal NGNG Oil  World primary energy consumption grew by 1.4% in 2008, below 10‐year average (the weakest year since 2001). Oil remains the world’s dominant fuel though it has steadily lost market share to coal and NG in recent yearsOil remains the world s dominant fuel, though it has steadily lost market share to coal and NG in recent years.  Oil’s share of the world total has fallen from 38.7% to 34.8% over past decade. Oil consumption and nuclear power generation declined last year, while NG and coal consumption, as well as hydroelectricity generation, increased. 7 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander BP Statistical Review of World Energy 2009
  • 8. Hydrogen Production from Renewable Resources  Future Evolution of Fossil Fuels • Oil Production will peak in this decade (Multicyclic Hubbert method) becoming critically low in 40‐50 years’ time. • Natural Gas  It will run out in 60 years’ time. C l  R ill t i 130 ’ ti• Coal  Reserves will run out in 130 years’ time. • NG and Coal will peak in ca. 40 years * Note that they are key raw materials for the  chemical industry and consumer products 8 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 9. Hydrogen Production from Renewable Resources  Hubbert Curve: Peak Oil ProductionHubbert Curve: Peak Oil Production The Hubbert peak theory: “For any given  geographical area, from an  individual oil‐producing www.almc.army.mil individual oil producing  region to the planet as a  whole, the rate of  petroleum production tends  to follow a bell‐shaped  curve” y Q(t)=Qmax/(1+a.exp(‐b.t)) tmax=ln(a)/b  World oil resources are on track to critically deplete within 40 years.   Oil has a host of useful industrial applications and to irreversibly burn oil jeopardizes the future.  * The vertical scale is in arbitrary relative units, but to get an idea of scale, world production averaged at about 80  million barrels per day in 2008. 9 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander D. Abbott, Proc. of the IEEE (2010)
  • 10. Hydrogen Production from Renewable Resources  What are the Options? Non‐renewable/Non‐fossil Máximum Power  ( ) * What are the Options?  Nuclear energy (fission) 2 TW*  Nuclear energy (fusion) Unpredictable * In 2008: 0 9 TW In 2008: 0.9 TW Renewable Máximum Power  Biofuels: ethanol & biodiesel Food conflict  Biomass Unknown  River hydroelectric 7 TW  Ocean thermal 100 TW  Wind 72 TW  Geothermal 44 TW Geothermal 44 TW  Desert solar 7650 TW 1TW=1012 Watt 10 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 11. What are the Options? Hydrogen Production from Renewable Resources  What are the Options? 11 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 12. Hydrogen Production from Renewable Resources  Scale of the Problemf  The current population on the planet consumes 15 TW.   The total amount of solar energy utilized by all plant life is 90 TW  where, 65 TW is from land plants and 25 TW is from algae.   Th l t E th fl t 30% f th i id t 166 PW l The planet Earth reflects 30% of the incident 166 PW solar power  back into space and therefore the total power our planet absorbs is  116 PW.  The total power output of our Sun is enormous at 3.6x1026 W, and for  our galaxy it is 5x1034 W.  The message here is that humankind’s energy consumption of 15 TW  is absolutely tiny when compared to the typical power levels in our  cosmos. Thus for our future energy needs we need to look to our stars, f f gy , with our nearest one being the Sun.  12 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander D. Abbott, Proc. of the IEEE (2010)
  • 13. Orders of Magnitude for Power (Watts) Hydrogen Production from Renewable Resources  Orders of Magnitude for Power (Watts) 1 Quadrillon BTU (1 Quad): the amount of energy in 45 million tons of coal or 1 trillion cubic feet of natural gas1 Quadrillon BTU (1 Quad): the amount of energy in 45 million tons of coal, or 1 trillion cubic feet of natural gas,  or 170 million barrels of crude oil. In 1988, total world energy consumption was about 1 quad every 26 hours. 1 Quad: 1015 BTU= 1.055x1018 J = 1.055 Exajoules 13 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander D. Abbott, Proc. of the IEEE (2010)
  • 14. Hydrogen Production from Renewable Resources  Conversion Factors for Current Hydrogen UnitsConversion Factors for Current Hydrogen Units Weight Gas Liquid pounds (lb) kilograms (kg) cubic feet (scf) cu meters (Nm3) gallons (gal) liters (l)(lb) (kg) (scf) (Nm3) (gal)  (l) 1 pound 1.0 0.4536 192.0 5.047 1.6928 6.408 1 kilogram 2.205 1.0 423.3 11.126 3.377 14.128 1 scf gas 0.00521 0.00236 1.0 0.02628 0.00882 0.03339 1 Nm3 gas 0.19815 0.08988 38.04 1.0 0.3355 1.2699 1 gallon liquid 0.5906 0.2679 113.4 2.961 1.0 3.785 R. Guerrero Lemus and J.M. Martínez Duart; d ( ) 1 liter liquid 0.15604 0.07078 29.99 0.7881 0.2642 1.0 Scf (standard cubic foot) gas measured at 1 atmosphere and 70°F.  Nm3 (normal cubic meter) gas measured at 1 atmosphere and 0°C.  14 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander Int. J. Hydrogen Energy, 35 (2010) 3929‐3936Liquid measured at 1 atmosphere and boiling temperature
  • 15. Power Available From Renewable Sources Hydrogen Production from Renewable Resources  The current population on the planet consumes 15 terawatt (TW) 15 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander D. Abbott, Proc. of the IEEE (2010)
  • 16. Hydrogen Production from Renewable Resources  A Different View!  Usually it is accepted that "To make an energy fix, we need an energy mix“  The solution to  the global energy supply problem is to diversify with a mix of power sources such as oil solar ff the global energy supply problem is to diversify with a mix of power sources, such as oil, solar,  wind, biomass etc  Energy policy of many governments around the globe.  From a world‐scale, long‐term perspective, the pertinent question to ask is: "Is there a single , g p p , p q g technology that can supply the world’s 15 TW power consumption in a clean sustainable way?”  A solar hydrogen economy has a sustainable and vastly higher total power output potential  than all other sources combined  focus on a dominant solution rather than a solution based on  diversification of energy sources.   A S l H d E h ld b th fi l l f t li I th t iti A Solar Hydrogen Economy, should be the final goal of current energy policy. In the transition period towards such a sustainable energy cycle, the current approach promoting a mix of energy  sources is required.  However, having a dominant end vision can help to better analyze the most viable energy  policy mix for the transition period. 16 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander D. Abbott, Proc. of the IEEE (2010)
  • 17. Hydrogen Production from Renewable Resources  Critical Importance of Energy Conservation Supply of the world’s energy has long‐term viability if are put into place policies that  i i Critical Importance of Energy Conservation create incentives to save energy.  See the following simple example Suppose in the near future we have 1 billion (109)  domestic dwellings in the world.g  Basic assumptions: (i) dwellings have an average sized with a surface area of 500 m2,  (ii) walls 0.1 m thick, (iii) each house is a cube with no doors or windows, (iv) thermal  conductivity of brick material: 1 W/m K and (v) average T between inside and outsideconductivity of brick material: 1 W/m.K, and (v) average T between inside and outside  (either heating or cooling): 5 ºC  The power consumed will then be 25 kW /house 25 TW total !!.  If it is used wall insulation, so that we drop the thermal conductivity to 0.1 W/m.K, we  immediately save 22.5 kW/house  22.5 TW total saving!!, which is well over the  current world power consumption!.  17 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander D. Abbott, Proc. of the IEEE (2010)
  • 18. Hydrogen Production from Renewable Resources  Primary Energy Overview 1949‐2008 (USA)Primary Energy Overview 1949 2008 (USA) 1 Quad BTU: 1015 BTU= 1.055x1018 J = 1.055 Exajoules 18 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander US Energy Information Administration / Annual Energy Review 2008
  • 19. Hydrogen Production from Renewable Resources  Critical Importance of Energy ConservationCritical Importance of Energy Conservation  It is absolutely vital to responsibly conserve as well  as to responsibly generate energy on large scales. “Think Globally, Act Locally” 19 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander D. Abbott, Proc. of the IEEE (2010)
  • 20. Hydrogen as a Fuel Hydrogen Production from Renewable Resources  y g Advantages   GHG reduction  Available all over the world  Reduction of local contamination (key factor in  big cities)  Can be used in ICE or in FC: the latter, moreCan be used in ICE or in FC: the latter, more  efficient, non‐contaminant, less noisy Disadvantages   Low energy density (volume basis)  Requires either high pressure or liquefaction  High cost of production/purification (pollution) 20 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 21. Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen Production AlternativesHydrogen Production Alternatives lNatural Gas +  Reforming Hydro/Wind/ Waste +Waste +  Electrolysis Natural Gas +  Reforming &  CO Removal Biomass +CO2 Removal Biomass +  Pyrolysis,  Gasification,  ReformingReforming  Intermediates Solar +  Electrolysis Today Future 21 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander y
  • 22. Hydrogen Production from Renewable Resources  Renewable Pathways for Hydrogen Production 22 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 23. Benefits of Hydrogen from Renewable Resources Hydrogen Production from Renewable Resources  Benefits of Hydrogen from Renewable Resources Reduce dependence on imported  oil and enhance energy security  through domestic production Reduce emissions of greenhousef g gases and criteria pollutants that  affect air quality A clean and secure energy future  includes hydrogen as an energy  carrier. 23 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 24. Hydrogen Production from Renewable Resources  Lif C l A t f H d F l P d ti PLife Cycle Assessment of Hydrogen Fuel Production Processes Eco‐Points of Electricity Generation Processes El t i it G ti E P i tElectricity Generation  System Eco‐Points  (LCA) Lignite 1735g Oil 1398 Carbon 1356 Natural Gas 267 Nuclear 672 Eolic 65Eolic 65 Hydraulics (small)  5 Solar Photovoltaic 461 * Eco‐point: A measure of the overall environmental impact of a particular  product or process. More Eco‐points indicate higher environmental impact. 24 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander R. Guerrero Lemus and J.M. Martínez Duart; Int. J. Hydrogen Energy (2010)
  • 25. Hydrogen Production from Renewable Resources  CO2 Emissions for Different H2 Production TechnologiesCO2 Emissions for Different H2 Production Technologies  PV: The worst environmental performance due to the manufacturing process of PV  d l ith hi h i t l i t Th ll ffi i f PV i lmodules, with a high environmental impact. The overall efficiency of PV is very low.  25 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander Guerrero Lemus & Martínez Duart; Int. J. Hydrogen Energy (2010) ; Koroneos et al., Int. J. Hydrogen Energy (2004)
  • 26. Outline  Introduction to Renewable  Hydrogen ProductionHydrogen Production  Electrolysis   Biomass to Hydrogen Biomass to Hydrogen  Fermentation  Thermolysis   Photolysis   Conclusions 26 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 27. Hydrogen Production from Renewable Resources  Electrolysis of Watery f  The decomposition of H2O into O2 and H2 gas due to an electric current  being passed through the water.  R i i d di l i (DC)  f Requires no moving parts and a direct electric current (DC)  one of  the simplest ways to produce H2.   Is reliable and clean and when H O vapor is removed from the Is reliable and clean and, when H2O vapor is removed from the  product, capable of producing ultra‐pure (> 99,999%) H2.  Electrolytic production of H2 with carbon‐free electricity sources is the y p f 2 f y only way to produce large quantities of H2 without emitting CO2. Typical commercial electrolyzer system efficiencies are 56‐73%, which  corresponds to 70‐53 kWh/kg. 27 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 28. Hydrogen Production from Renewable Resources  Electrolysis of Watery f There are two basic types of low temperature electrolyzers:  (i) alkaline and (ii) polymer electrolyte membrane (PEM) Alkaline electrolyzer Well‐established technology. Uses an aqueous solution of 25‐30 wt%  KOH l l h d h iKOH as electrolyte, that conduct the ions  between the electrodes.  Commercial alkaline electrolyzers work  y with current densities in the range of 100‐ 300 mA/cm2 Anode : Cathode: 28 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander Cathode:
  • 29. Hydrogen Production from Renewable Resources  Electrolysis of Watery f Proton exchange membrane (PEM)  A t th t i t lid t A system that incorporates a solid proton‐ conducting membrane that is not electrically  conductive.   h b h d l The membrane has dual purpose:  (i) as a gas separation device, and (ii) an ion (proton) conductor.   High‐purity deionized (DI) water is required in  PEM‐based electrolysis, but avoids the hazards  surrounding KOH. DI water is introduced at the anode of the cells,  and a potential is applied across the cell to  dissociate the water. Anode : Cathode:  The H+ are pulled through the membrane  under an electric field and rejoin with e‐ being  supplied by the power source at the cathode, to  form H gas 29 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander Cathode:form H2 gas.
  • 30. Hydrogen Production from Renewable Resources  Electrolysis of Watery f Proton exchange membrane (PEM) (cont.) PEM electrolyzers are operated at higher  current densities (> 1600 mA/cm2)  1 order of  magnitude higher than alkalines.  Stack efficiency decreases as current density  i b hi h d i iincreases, but high current density is necessary  to increase H2 production to offset the higher  capital costs of PEM cells.  PEM advantage over alkaline electrolyzers  the capacity to maintain a significant P across  the anode and cathode, avoiding the risk of  high‐pressure O2. Anode : Cathode: 30 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander Cathode:
  • 31. Hydrogen Production from Renewable Resources  Electrolysis of Watery f Coupling renewable energy systems with  H2‐generating electrolyzers has the  potential to provide low‐cost,  environmentally friendly electricity and H2.  Using available wind and solar energy  offers a large potential for H2 production ff g p f 2 p via electrolysis.  To meet the DOE cost goals of 2‐3 USD/kg (1.5‐2.3 €/kg); H2 production via  electrolysis needs installations where electrolyzer capital costs are low, less than  800 USD/kW (606 €/kW); and to electricity that costs less than 0.055 USD/kWh  (0 042 €/kWh)(0.042 €/kWh). 31 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 32. Hydrogen Production from Renewable Resources  Electrolysis of Watery f Alkaline and PEM electrolyzers are commercially  l bl f ll l b d l h havailable from small laboratory models to high‐ production systems (higher than 2MW).  Active research areas in electrolysis include:y (i) Study of high pressure operation, with  reduced compression in H2 systems, and  (ii) Operation at elevated temperatures to  i ffi i iimprove efficiencies. (iii) Integration of electrolyzers with renewable  energy systems Two pathways can use wind energy as an electricity source:  (1) Distributed: wind energy can be put onto the electric power system and then transferred  to the H2 generation point via the grid; or  (2) Central i d l t i it b d t d H d id l t i it t th i d it(2) Central: wind electricity can be used to coproduce H2 and grid electricity at the wind site.  32 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 33. Central vs. distributed H2 production via electrolysis Hydrogen Production from Renewable Resources  Central vs. distributed H2 production via electrolysis Central Distributed Both systems, Central and Distributed, have the potential to cost 2‐3 USD/kg H2; including  production delivery and dispensingproduction, delivery, and dispensing.  Central H2 production makes fiscal sense if the wind/H2 system can be optimized in such a way that  cost reductions of the combined system compensate delivery costs.  33 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander Both systems will require increases in electrolyzer efficiencies and decreases the capital costs.
  • 34. Hydrogen Production from Renewable Resources  Electrolysis of Watery f Research approaches:  Exploring synergies from coproduction of electricity and H2 to address the  intermittent nature of wind power  To build a ready source of electricity for  times when the wind does not blow or the demand for electricity is hightimes when the wind does not blow or the demand for electricity is high.  Comparing electrolyzer technologies (alkaline and PEMs) to measure their  efficiencies and abilities to be brought on and off line quickly as well as ACefficiencies and abilities to be brought on‐ and off‐line quickly as well as AC– DC and DC–DC converters to directly couple the wind turbine to the  electrolyzer to achieve efficiency gains.  There are opportunities for reducing the capital and operating costs of  electrolyzers; however, electricity prices are key to H2 cost via electrolysis. 34 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 35. Outline  Introduction to Renewable  Hydrogen ProductionHydrogen Production  Electrolysis  Biomass to Hydrogen Biomass to Hydrogen  Fermentation  Thermolysis  Photolysis   Conclusions 35 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 36. Hydrogen Production from Renewable Resources  Biomass to Hydrogen Biomass has long been considered a leading near term source of renewable H2. The resources of lignocellulosic biomass in the USA amount  to between 0.4 and 1.3 billion dry tons/yr.  Th ti ti t t th tThe more conservative estimate represents the near‐term  economic potential for the annual production of 40 Mtons of  H2, enough to fuel more than 150 million fuel cell vehicles. Production of H2 by gasification is the most promising  economic route for the conversion of syn‐gas to  transportation fuels  1.38 USD/kg H2 at the plant gate for  large‐scale gasification. Centralized and distributed production scenarios based on  bi ibl F d t k l i ti d th k t illbiomass are possible. Feedstock logistics and the market will  determine the best technology options and scale of  operation.  36 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 37. Hydrogen Production from Renewable Resources  Biomass to Hydrogen There are 3 major thermochemical technologies: (i) gasification,  (ii) pyrolysis/reforming, and  (iii) high‐pressure water/steam treatment.  Major technical barriers of thermochemicalMajor technical barriers of thermochemical  conversion are: (i) Effect of variable feedstock composition on  d t idownstream processing,  (ii) Efficient and durable catalysts for gas  conditioning, (iii) Efficient heat integration(iii) Efficient heat integration.  37 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 38. Hydrogen Production from Renewable Resources  Biomass to Hydrogen Heat integration is very important for small‐scaleHeat integration is very important for small scale  systems for distributed H2 production. Costs for  distribution & storage costs remain high and work  against centralized production plants. Pyrolysis vapor and bio‐oil reforming are a better fit  for distributed production because of potentially lower  costs at smaller scale.costs at smaller scale. Thermochemical conversion of biomass has the  potential to provide a important part of future  t t ti f ltransportation fuels. Before the advent of the fossil fuel based economy in  the 19th century, biomass was the major source of y j f energy. However, the energy efficiency in the conversion  of biomass was very low. 38 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 39. Hydrogen Production from Renewable Resources  Biomass to Hydrogen Technologies to produce H2 from various sources can be classified in 3 categories: g p 2 f f g (i) net positive emission of CO and CO2, (ii) CO2 free emissions, and  (iii) CO2 neutral emissions.(iii) CO2 neutral emissions. Examples of type (i): steam reforming (SR), partial oxidation (PO) and autothermal   reforming (ATR) of HCs such as NG, and the WGS reaction of gaseous products of coal  gasificationgasification.  NG gas and coal require a lot of energy for mining and processing, adding to the CO2 emissions during H2 production, thus increasing the environmental impact of hydrogen g 2 p , g p f y g production from these sources.  Examples of type (ii): CH4 decomposition or CH4 aromatisation.  39 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 40. Hydrogen Production from Renewable Resources  Biomass to Hydrogen H d i b i ll f i dl l if h d H iH2 production can be environmentally friendly only if the resource used to extract H2 is  carbon neutral.  CO neutral hydrogen production can be achieved by the conversion of biomass:CO2 neutral hydrogen production can be achieved by the conversion of biomass: (i)  Gasification,  (ii)  Pyrolysis of bio‐oils,  (iii) SR of biomass derived higher alkanes and alcohols and(iii) SR of biomass derived higher alkanes and alcohols, and (iv) Aqueous phase reforming (APR) of oxygenated hydrocarbons.  Biomass derived H2 can be classified as carbon neutral because the CO2 released during  H d ti i d b f th bi ti ( l ti th CO d dH2 production is consumed by further biomass generation (neglecting the CO2 produced  from the fossil fuel energy required for operating the hydrogen production unit). 40 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 41. Hydrogen Production from Renewable Resources  Possible Fuel & Energy Conversion VectorsPossible Fuel & Energy Conversion Vectors “Any fuel or form of energy can be converted into any other fuel or form of energy  in a modern industrial economy, with appropriate conversion efficiencies” 41 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander J. Barton and R. Gammon, J. of Power Sources (2010)
  • 42. Hydrogen Production from Renewable Resources  Energy contents of different fuels Fuel Energy content (MJ/kg) Energy contents of different fuels Fuel Energy content  (MJ/kg) Hydrogen 120.0 Liquefied natural gas  54.4 Propane  49.6 Aviation gasoline  46.8 Automotive gasoline 46 4Automotive gasoline  46.4 Automotive diesel  45.6 Ethanol  29.6thanol 9.6 Methanol  19.7 Coke  27.0 Wood (dry)  16.2 Bagasse 9.6 42 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 43. Hydrogen Production from Renewable Resources  Typical Biomass Sources & Compositionyp p Types of lignocellulosic biomass (plant biomass): 1. Forestry wastes: logging wastes, sawmill wood waste & trees’ & shrubs’ residues. 2 Agricultural residues: animal and crop wastes (e g corn stover)2. Agricultural residues: animal and crop wastes (e.g. corn stover). 3. Energy crops: corn, sugarcane, grasses and aquatic plants like water hyacinth. Biomass type Marine Freshwater Herbaceous Woody Woody Woody Name Giant brown  kelp (algae) Water  hyacinth Bermuda  grass Poplar Sycamore Pine Component (dry wt. %) Celluloses 4 8 16 2 31 7 41 3 44 7 40 4Celluloses 4.8 16.2 31.7 41.3 44.7 40.4 Hemicelluloses 55.5 40.2 32.9 29.4 24.9 Lignins 6.1 4.1 25.6 25.5 34.5 Mannitol 18.7 Algin 14 2Algin 14.2 Crude protein 15.9 12.3 12.3 2.1 1.7 0.7 Ash 45.8 22.4 5.0 1.0 0.8 0.5 TOTAL 99.4 112.5 93.3 102.9 102.1 101.0 Typical composition: 75‐90 wt.% of sugar polymers, 10–25 wt.% lignin (large organic aromatics). Minor components: triglycerides, alkaloids, pigments, resins, sterols, terpenes, terpenoids, waxes. 43 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander Huber and Dumesic, Catal. Today (2006)
  • 44. H d & Li id F l P d ti f Bi S Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen & Liquid Fuels Production from Biomass Sources 44 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander Tanksale et al.; Renewable and Sustainable Energy Reviews (2010)
  • 45. Biomass Gasification Hydrogen Production from Renewable Resources  Biomass Gasification  Biomass gasification is similar to coal gasification, except that the biomass  ifi ti i d t d t h l t tgasification is conducted at a much lower temperature.  This is because biomass contains many more functionalities than coal and is  th f titherefore very reactive.   Gasification is achieved at T > 700 ºC in the presence of O2/air and/or steam.  Tar free gasification requires much higher temperatures.  S (CO CO ) i d d h i d f h ifi iSyn‐gas (CO2, CO, H2) is produced when oxygen is used for the gasification as  opposed to a producer gas (CO2, CO, H2, CH4, N2), in which case air is used for  gasification.  45 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 46. Biomass Gasification Hydrogen Production from Renewable Resources  A combination of pyrolysis, partial oxidation and/or steam reforming of gaseous  alkanes and char takes place during gasification 46 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander alkanes and char takes place during gasification.
  • 47. Biomass Gasification Process Hydrogen Production from Renewable Resources  f 47 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 48. Biomass Gasification Reactors Hydrogen Production from Renewable Resources  f Fluidized‐bed  gasifier Downdraft  gasifier Updraft  gasifier 48 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander Navarro et al., Chemical Reviews (2007).
  • 49. Typical Gasification Reactions Hydrogen Production from Renewable Resources  Typical Gasification Reactions (*) (kJ/gmol) at 27 oC Reaction Type Reactor Equation Enthalpy (*) C H O  (1 x)CO + (y/2) H + C 180 Pyrolysis CxHyOz  (1‐x)CO + (y/2) H2 + C CxHyOz  (1‐x)CO + ((y‐4)/2) H2 + CH4 180 300 CxHyOz + (1/2)O2 xCO + (y/2) H2 ‐71 Partial Oxidation CxHyOz + O2 (1‐x)CO + CO2 + (y/2) H2 CxHyOz + 2O2 (x/2)CO + (x/2)CO2 + (y/2) H2 ‐213 ‐778 C H O + H2O  xCO + (y/2) H2 310 Steam Reforming CxHyOz + H2O  xCO + (y/2) H2 CxHyOz + nH2O  aCO + (x‐a)CO2 + (y/2) H2 CxHyOz + (2x‐z)H2O  xCO2 + (2n+y/2‐z) H2 230 64 W G Shif CO H O  CO H 41Water Gas Shift CO + H2O  CO2 + H2 ‐41 Methanation CO + 3H2  CH4 + H2O ‐206  The presence of O2 or air promotes partial oxidation over pyrolysis reactions.  Fast pyrolysis reactions produce bio‐oils, tar and charcoal (and some few gas).  WGS reaction is conducted in a separate catalytic reactor (CuO–ZnO or Fe catalyst depending T). 49 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 50. Biomass Gasification Hydrogen Production from Renewable Resources  f  Catalytic cracking, gasifier type, design, heating rate, temperature and  residence time can be optimi ed to ma imi e the efficienc of gasificationresidence time can be optimized to maximize the efficiency of gasification  with minimum tar formation.   Tars are aromatic hydrocarbons produced from the condensation of Tars are aromatic hydrocarbons produced from the condensation of  organic matter in the gasifier, or further downstream, at low temperatures.   Thermal cracking of the tar is possible at T > 1000 ºC but using catalysts Thermal cracking of the tar is possible at T > 1000 ºC, but using catalysts  like dolomite or olivine can be obtained 100% tar removal at lower T.  Ni Pt Pd Ru and alkaline metal oxides supported on dolomite or CeO /SiO Ni, Pt, Pd, Ru and alkaline metal oxides supported on dolomite or CeO2/SiO2 catalyze the gasification to reduce tar formation and improve the product gas  purity and conversion efficiency.  50 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 51. Biomass Gasification Hydrogen Production from Renewable Resources  f Rh/CeO2/SiO2 is the most effective catalyst to reduce tar formation, but Ni2 2 based catalysts are also highly active for tar destruction.  Ni catalyze the steam reforming of tars and WGS reactions to produce H2.2 Alkali metal salts decrease the tar yield, but increase char and ash contents   not suitable for commercial use.  The inorganic contents (Na, K, Ca and other alkali) are converted to ash,  collected at the bottom of the gasifier or carried away as fly ash.  Deposition of ash: May cause sintering, fouling, agglomeration and slagging. 51 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 52. Hydrogen Production from Renewable Resources  Feedstocks and H Production during Biomass Gasification Feedstock Reactor Type Catalyst Temperature (K) H2 (% vol) Sawdust Fluidized Bed Unknown 1073 57 4 Feedstocks and H2 Production during Biomass Gasification Sawdust Fluidized Bed Unknown 1073 57.4 Fluidized Bed Ni 1103 62.1 Sawdust Fluidized Bed K2CO3 1237 11.3 CaO 1281 13 3CaO 1281 13.3 Pine Sawdust Fluidized Bed Unknown 973‐1073 26‐42 Bagasse 973‐1073 29‐38 Eucaliptus Gobulus 973‐1073 35‐37Eucaliptus Gobulus 973 1073 35 37 Pinus Radiata 973‐1073 27‐35 Sewage Sludge Downdraft Unknown 10‐11 Almond Shell Fluidized Bed La‐Ni‐Fe 1073 62.8Almond Shell Fluidized Bed La Ni Fe 1073 62.8 Perovskite 1173 63.7 Switchgrass Moving Bed Cu‐Zn‐Al 27.1  Using a fluidized bed gasifier along with suitable catalysts, it is possible to attain a 60% of H2.  Such high conversion efficiency makes biomass gasification an attractive H2 alternative. 52 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander Navarro et al., Chemical Reviews, 2007
  • 53. Biomass Gasification in Supercritical Water Hydrogen Production from Renewable Resources  f p Biomass gasification to syn‐gas is limited to 35% of water‐content.   If % water > 35%  Gasification under supercritical water conditions (SCWG)  i e above If % water > 35%  Gasification  under supercritical water conditions (SCWG)  i.e. above  water critical point (374.3 ºC and 221.2 bar).   At T > 600 ºC, hydrothermolysis of the biomass products will lead to gases (H2, CO, CO2 andAt T > 600  C, hydrothermolysis of the biomass products will lead to gases (H2, CO, CO2 and  CH4) with 100% conversion.  Advantage over conventional O2/steam gasification: No formation of tar and char. 2  SCWG can be classified into 2 operating conditions based on their temperature:  (i) Low temperature SCWG is operated at 350 < T < 600 ºC and(i) Low temperature SCWG is operated at 350 < T < 600 ºC, and  (ii) High temperature SCWG is conducted at T > 600 ºC.   100% gasification is achieved only at T > 600 ºC  LT SWCG needs a catalyst.  Catalysts: Ru or Ni supported on TiO2, ZrO2, or Carbon, which are stable under severe  oxidizing and corrosive conditions of the SCWG.  53 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 54. Reaction mechanism in HyPr RING gasification process Hydrogen Production from Renewable Resources  Reaction mechanism in HyPr‐RING gasification process Gasification & WGS reactions are combined in one reactorGasification & WGS reactions are combined in one reactor  with simultaneous absorption of CO2 to increase the H2 yield, while maintaining T = 650 ºC.  The reactions take place in a two‐step process: The reactions take place in a two‐step process:  1st step: H2O reacts with HCs to produce H2 and CO2 (endo). H2 can then be used to generate power.  2nd step: CO2 is absorbed by Ca(OH)2, which is in turn  produced at high pressure by hydration of CaO.   CaCO3 is separated and regenerated to produce CaO and release pure CO2 for sequestration.  With the high water content of the biomass, the gasification can proceed with little or no  dditi l t li d f th tiadditional water supplied for the reaction 54 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 55. Biomass Gasification Carbo‐V Process Hydrogen Production from Renewable Resources  The aim of the Carbo‐V process is to produce tar free syn‐gas for H2 or liquid fuel production.  Takes place in 2 stages:  1st step: Biomass is converted to tar containing gas and charcoal in a pyrolyzer at 500 ºC.  The tar containing gas is combusted in a HT gasifier by co‐feeding OThe tar containing gas is combusted in a HT gasifier by co feeding O2.  2nd step: Charcoal from the 1st reactor is gasified to syn‐gas at 1500 ºC in an entrained flow  gasifier. The remaining ash is converted to slag which can be used as construction material.  Advantages of Carbo V process: Increases efficiency (>80%) via (1) chemical quenching by Advantages of Carbo‐V process: Increases efficiency (>80%) via‐(1) chemical quenching by  blowing charcoal into the hot gas, and (2) decreasing the heat losses in the combustion. The LT pyrolysis reactor increases the feedstock flexibility as the solid feed is converted to  55 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander combustible gas and charcoal. http://www.choren.com/en/biomass_to_energy/carbo‐ v_technology/
  • 56. Biomass Gasification BIOLIQ Process Hydrogen Production from Renewable Resources  Biomass Gasification BIOLIQ Process  In the BIOLIQ process, lignocellulosic biomass such as straw and other non‐ woody biomass is first liquefied by fast pyrolysis at many local small plants.   The resulting bio‐oil and char slurry is transported to a central facility  where large pressurized entrained flow gasifiers combusts the slurry to  produce tar free syn‐gas.  The gasifier is operated at 26 bar and at 1200 < T < 1600 ºC ( above the  ash melting point). Burners at the top of the gasifiers are fed by a nozzle that  atomizes the incoming slurry pneumatically by pure O2 (at stoichiometric  ratio of 0.3–0.7) at the gasifier pressure.  The gasification takes place in a  downward flame reaction in ca. 1 s.   The resulting syn‐gas and molten ash exits the bottom of the gasifier into a  quench zone where it is cooled by injecting water.  The process attains high gasification efficiency (70% at 1200 ºC) and veryThe process attains  high gasification efficiency (70% at 1200  C) and very  high carbon conversion (>99%). 56 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander http://www.bioliq.com/
  • 57. Hydrogen production from syn‐gas Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen production from syn gas  Relatively pure H2 can be obtained from syn‐gas produced from the biomass  gasification by steam reforming followed by a WGS reactorgasification by steam reforming followed by a WGS reactor.   WGS reaction: CO and H2O react on a catalyst to form CO2 and H2.  Reversible reaction  steam is added in excess to shift the equilibrium towards H2.  WGS reaction can be carried out at 2 temperature ranges:  (1) HT reaction with Fe and/or Cr oxide catalysts 350 < T< 500 ºC and(1) HT reaction, with Fe and/or Cr oxide catalysts,  350 < T< 500 ºC, and  (2) LT reaction, Cu‐Zn oxide catalysts, 200 < T 250 ºC.   LT WGS reactions have also been carried out on transition metal catalysts and Au  supported on Al O CeO and CeO ZrOsupported on Al2O3, CeO2 and CeO2‐ZrO2.  HT shift catalysts based on oxides of Fe and Cr are used in the industry. 57 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 58. Hydrogen production from syn gas from biomass gasification Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen production from syn‐gas from biomass gasification The gasified biomass stream is filtered in a heated particulate filter and  purified to remove tars in a guard bed dolomite reactor at 600 ºC.p f g  Syn‐gas may contain light HCs and tar is converted to H2 and CO by SR using a supported Ni catalyst at a  temperature range of 750‐850 ºC.  CO from the SR reactor is converted feeding the gas to a HT and LT WGS reactor to increase H2 yield.   SR & WGS catalysts usually suffer deactivation in a long run due to sintering and coke deposition.  Stage of H2 purification (e.g. CO‐PROX or Catalytic Membrane Reactor) to decrease CO content to sub‐ppm 58 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander level, because CO is a poison for the anode catalyst used in the PEM fuel cells.
  • 59. Membrane Reactors for Hydrogen Separation Hydrogen Production from Renewable Resources  Membrane Reactors for Hydrogen Separation Membrane reactors improve WGS reaction performance with the in situ separation of products.   It is possible to overcome thermodynamic constraints and increase the CO conversion significantly It is possible to overcome thermodynamic constraints and increase the CO conversion significantly.   If steam re‐forming syn‐gas is used as the feed gas, the H2 concentration may reach 99.6%.   Using Pd, or other inorganic H2‐selective membranes, CO conversion close to 100% are attained.Using Pd, or other inorganic H2 selective membranes, CO conversion close to 100% are attained.  Pd membranes have a high cost and show instability in the presence of HCs or steam.   Silica membranes are very attractive for H2 production by WGS reactions. H 2HCO  2H CO 59 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 2H
  • 60. Biomass Pyrolysis Hydrogen Production from Renewable Resources  Pyrolysis of biomass: Thermal decomposition of y y f p f cellulosic matter in the absence of air or oxygen.   Slow heating process, 300 < T < 900 ºC  charcoal  formation  Not attractive for producing H2.  Fast pyrolysis: fast heating rates, HT (400‐3000 ºC)  and short residence times (ca 1s)and short residence times (ca. 1s). Fast pyrolysis:Fast pyrolysis:  (1) Produces solid, liquid and gases depending upon the feed and temperature (2) Requires elevated heating rates and fine particle size to attain high heat transfer rates  Initiates the primary pyrolysis reactions at HT, releasing volatiles and the remaining char. 60 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 61. Fast Pyrolysis Reactor Hydrogen Production from Renewable Resources  Fast Pyrolysis Reactor Dried and finely ground biomass is fed into the  pyrolysis reactor  char, organic vapors, and gases py y , g p , g  concentrations depend upon severity of pyrolysis.  Chars  can be used for heating purposes.  Organic vapors  condensed to produce bio‐oils. H2 yield can be increased from the gases coming  out of the condenser  The bio‐oils are separated into water‐soluble and  water‐insoluble componentswater insoluble components.  Insoluble organics  to produce chemicals Soluble organics  to SR to produce H2.  Alternative  All the bio‐oil can be treated in an ATR or SR to produce H2.  61 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 62. Biomass Pyrolysis Hydrogen Production from Renewable Resources  Physical characteristics of bio‐oil vary depending upon the feed type and the severity of  pyrolysis.   Bio‐oils contain very high oxygen content (30‐40%) and a lower heating value (16‐19  MJ/kg) compared to heavy fuel oil (0.1% and 40 MJ/kg, respectively).  Most of the oxygen is present as water (15‐30%) and is also responsible for decreasing  the heating value of the bio‐oils.   h  b l h ll bl  d h l High oxygen content  bio‐oils chemically unstable  unwanted chemical reactions  with increasing time and temperature  increase in viscosity and the cloud point  temperature.   Other problems: poor volatility, high viscosity, coking, cold flow and corrosiveness.  Refining of bio‐oils is essential to make it suitable as a liquid fuel. However, distillation of  bio oils can lead to resid al astes of p to 50% b eight (1% for hea f el oil)bio‐oils can lead to residual wastes of up to 50% by weight (1% for heavy fuel oil).   An alternative to refining bio‐oils is to increase the severity of pyrolysis conditions in  order to produce more gases (CO, H2, CO2 and CH4).  62 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 2 2 4
  • 63. H d P d ti f F t P l i d Bi il Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen Production from Fast Pyrolysis and Bio‐oils  Gaseous products can be obtained from fast pyrolysis of biomass by increasing the  pyrolysis temperature.   Depending upon the feed, the H2 yield increase from 35 %vol to 47 %vol of the total  gas yield The H yield is still too low for it to be commercially attractivegas yield. The H2 yield is still too low for it to be commercially attractive.   Methods to increase the H2 yield:  (1) Catalytic pyrolysis of bio‐oils (e.g. Waterloo Fast Pyrolysis Process‐WFPP) (1) Catalytic pyrolysis of bio oils (e.g. Waterloo Fast Pyrolysis Process WFPP)  Very fast heating rates and short residence time of the biomass (ca.1 s).  (2) Steam reforming of bio‐oils.   SR reaction competes with the gas phase thermal decomposition  coke SR reaction competes with the gas phase thermal decomposition  coke  formation  can plug the reactor and deactivate the catalysts  Very high  steam/carbon ratio (>7) to avoid coke deposition  Increase of energy demand to  produce the excess of steam. 63 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 64. Hydrogen Production from Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen Production from  Autothermal reforming of Bio‐oils  Autothermal reforming (ATR) is an attractive alternative to SR of bio‐oils.   ATR is a combination of SR and partial oxidation (PO) of the HCs to produce CO, CO2 and H2. 2 2  The overall reaction for ATR can be written as: Advantages of ATR over SR: (i) The heat generated from the exothermic PO can compensate the endothermic SR. (ii) The water produced as a by‐product can be utilized during SR which reduces the  external water and energy required for producing excess steam.   The oxygen concentration in the feed can be adjusted to match the heat required for SR only,  or for preheating and SR.or for preheating and SR. 64 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 65. Hydrogen Production by Catalytic Decomposition of Bio oils Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen Production by Catalytic Decomposition of Bio‐oils  Hydrogen can be produced from bio‐oils using the sequential catalytic decomposition (CD).   Bio‐oil sequential cracking is a two step process in which CD of feed is alternated with a  catalyst regeneration step.   This process is similar to catalytic decomposition of methane (CDM):This process is similar to catalytic decomposition of methane (CDM):  During the cracking step the hydrocarbon feed decomposes on a metal catalyst surface to  produce H2 and solid carbon on the metal site which accumulates as coke.   During the regeneration step the coke deposited on the metal site is combusted or gasified to  produce CO2 and this restores the catalytic activity in the process. 2  If two or more reactors are placed in parallel, H2 can be produced continuously by cyclically  switching the hydrocarbon and O2 feed between the reactors.   CD has an added advantage in that the H2 and CO2 are produced in different steps, thereby,  saving the energy required to purify H2.   Platinum group metals supported on Al2O3, ZrO2, and CeO2‐ZrO2 have been used. 65 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 66. Hydrogen Production by Aqueous Phase Reforming Hydrogen Production from Renewable Resources   Catalytic aqueous phase reforming (APR) convert biomass‐derived oxygenated HCs with C:O  ratio of 1:1, into H2, CO, CO2 and gaseous alkanes using supported metal catalysts.  Hydrogen Production by Aqueous Phase Reforming Feed (Oxygenated HCs): Methanol, ethylene glycol, glycerol, glucose and sorbitol. APR is  carried out at 200 < T < 250 ºC and 10 < P < 50 bar to maintain the liquid phase.   Advantages:   (i) Moderate T and P, which favors the WGS reaction in the same reactor,  (ii) Low CO level in the gas stream (100‐1000 ppm)  FC application,  (iii) Lower energy requirement: Oxygenated HCs feed and water are in the liquid phase and(iii) Lower energy requirement: Oxygenated HCs feed and water are in the liquid phase, and  (iv) Feedstock is non‐hazardous which makes its storage relatively easier.  The overall reaction for APR is similar to the SR reaction: Thermodynamically is favored the production of H2 and CO2, but in these conditions the  products can further react to form alkanes and water:products can further react to form alkanes and water:  Pt was is the best catalyst for APR, but the cost is prohibitive for large‐scale applications.  66 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander Huber and Dumesic,  Catal. Today (2006)
  • 67. Hydrogen Production from Renewable Resources  Reaction pathways for production of H from conversion ofReaction pathways for production of H2 from conversion of  ethylene glycol with water Pathway I is desired C‐C cleavage to form adsorbed CO. Pathway II represents undesired C‐O  cleavage followed by hydrogenation to produce ethanol, leading to formation of methane and  ethane Pathway III is the desired WGS reaction Pathway IV represents undesired methanation 67 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander ethane. Pathway III is the desired WGS reaction. Pathway IV represents undesired methanation and FT reactions to produce alkanes.
  • 68. Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen Production by Aqueous Phase Reforming One of the pathways, similar to the SR is to produce adsorbed CO on the metal site by the C–C bond  cleavage. It is followed by the WGS reaction to produce H2 and CO2. Hydrogen Production by Aqueous Phase Reforming The combined reaction is: FT reaction to form alkanes and water presents a serious selectivity problem because it consumes  hydrogen.   A ll l i d h h h l f C O b d f l h l A parallel reaction proceeds through the cleavage of C–O bonds to form alcohols.   Other pathways involve dehydration/hydrogenation and dehydrogenation/rearrangement of the  oxygenated HCs to form alcohols and acids which reacts with water to give alkanes H and COoxygenated HCs to form alcohols and acids, which reacts with water to give alkanes, H2 and CO2.  These reaction pathways present a parallel selectivity challenge which should be overcome to  maximize the hydrogen yield. y g y The optimum catalytic pathway for the production of H2 and CO2 by APR involves cleavage of C–C  bonds as well as C–H and/or O–H bonds to form adsorbed species on the catalyst surface.  68 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 69. Hydrogen Production by Aqueous Phase Reforming Hydrogen Production from Renewable Resources   A good catalyst for production of H2 by APR must be highly selective for C–C bond cleavage  and promote removal of adsorbed CO species by the WGS reaction y g y q f g and promote removal of adsorbed CO species by the WGS reaction.   Catalyst must not catalyze C–O bond cleavage and hydrogenation of CO and CO2.   APR activity (on SiO2 support) decreased as follows: Pt = Ni > Ru > Rh = Pd > Ir.   Pt was is the best catalyst for APR, but the cost is prohibitive for large‐scale applications. y f p f g pp  Acidic supports, Al2O3, are more alkane‐selective and basic/neutral supports, Carbon are  more H2‐selective.  pH of the solution should be neutral for higher H2‐selectivity.  H2‐selectivity decreases with increasing number of carbon atoms in the feed molecule as  follows: methanol>ethylene glycol>glycerglycerol>sorbitol > glucose. 69 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 70. f d d i f i Hydrogen Production from Renewable Resources  Summary of Hydrogen Production from Biomass (a) Energy ratio = heating value of product H2/heating value of biomass feed. The energy ratio does not include the fossil fuel energy required(a) Energy ratio   heating value of product H2/heating value of biomass feed. The energy ratio does not include the fossil fuel energy required  for biomass production. (b) The energy ratio value is calculated assuming 100% supercritical water gasification of glucose, where glucose is produced from the  enzymatic hydrolysis (yield 75‐95%) of crystalline + amorphous cellulose (80% of dry biomass feed). 70 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander Tanksale et al.; Renewable and Sustainable Energy Reviews (2010)
  • 71. S mmar of H drogen Prod ction from Biomass Hydrogen Production from Renewable Resources  Summary of Hydrogen Production from Biomass Biomass is an important renewable resource for producing H2. (e.g. more than 50 p f p g 2 ( g million tons of H2 could be produced annually in the USA in the near term from available  biomass resources.   Two main technology pathways are being explored: (i) Gasification to syn‐gas followed by gas conditioning and WGS (ii) Pyrolysis to bio‐oil followed by catalytic reforming.(ii) Pyrolysis to bio oil followed by catalytic reforming.  The gasification approach has the potential to produce H2 for less than 1.5 USD/kg at  a scale of 2000 tons per day.   The bio‐oil approach is a potential low‐cost process for distributed reforming. 71 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander Tanksale et al.; Renewable and Sustainable Energy Reviews (2010)
  • 72. Outline  Introduction to Renewable  Hydrogen ProductionHydrogen Production  Electrolysis  Biomass to Hydrogen Biomass to Hydrogen  Fermentation  Thermolysis  Photolysis   Conclusions 72 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 73. Hydrogen Production by Fermentation Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen Production by Fermentation  Direct fermentation of carbohydrate feedstocks by microorganisms is a potential  technology for producing renewable hydrogen if several technical barriers are overcome. H2 yields have been low and it is uncertain whether this technology can be developed to  provide high yields of H and become economically competitive with other pathwaysprovide high yields of H2 and become economically competitive with other pathways.  Many anaerobic microorganisms carry out the dark fermentation reaction during which  the metabolism of sugars, amino acids, and fatty acids results in the production of H2, CO2the metabolism of sugars, amino acids, and fatty acids results in the production of H2, CO2 and other reduced end products.  Hydrogen production is catalyzed via the hydrogenase enzyme according to the  following equation:  d h l ll d b  l b f 2 1 22 HeH   Hydrogenase is present in phylogenetically diverse microbes  exploring microbes for  their H2 production potential is an active research subject.  CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 73
  • 74. Hydrogen Production from Renewable Resources  Pathways of H2 Production during Glucose Fermentation  Glucose fermentation pathways, via glycolysis, to H2 production  C6H12O6 f p y , g y y , 2 p occurs in 2 types of microbes:  (1) Enteric bacteria, e.g. Escherichia coli, and (2) Strict anaerobes, e.g. clostridial species,  The H2 molar yield depends the pathways that  microbes usemicrobes use: (i) H2 molar yield is 2 in enteric bacteria (type 1). (ii) Yield is 4 in clostridial microbes (type 2). CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 74
  • 75. Hydrogen Production from Renewable Resources  Pathways of H2 Production during Glucose Fermentation Clostridial Escherichia coliEscherichia coli CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 75
  • 76. Hydrogen Production by Fermentation Hydrogen Production from Renewable Resources  Advantages of fermentation: y g y (1) Simple reactor design and operation (darkness); (2) Fermentative microbes are readily available in sewage sludge, garden  soils, and anaerobic compost;  (3) Diverse waste materials can be used as feed; and  (4) High rates of H2 production unsurpassed by other biological processes.(4) High rates of H2 production unsurpassed by other biological processes. Fermentation thus has significant potential provided that several technical  b i bbarriers can be overcome: (i) High cost of glucose feedstock and  (ii) Low H2 molar yield( ) 2 y CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 76
  • 77. Hydrogen Production from Renewable Resources  Potential of H2 Production by Fermentation Glucose is the ideal substrate, yet it is too costly at present. f 2 y , y y p  Agricultural residues and food wastes are rich in carbohydrates  could serve as feedstock.  Lignocellulosic biomass is a sustainable feedstock for H2 production  70% of biomass is  hemicellulose (xylose) and cellulose (glucose polymer)  the bulk of which is fermentable if  monomeric sugars can be readily released.   Challenge of using biomass: Crystallinity and Heterogeneity  prevents its direct utilization by  most microbes.  Even after chemical pretreatment, the cellulose still has to be further hydrolyzed via a suite of  cellulase enzymes to produce the more fermentable glucose.   Main goal of research programs  To lower the cost of biomass‐derived sugar for the bioethanol refinery.  CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 77
  • 78. Hydrogen Production from Renewable Resources  Potential of H2 Production by Fermentation  The more challenging barrier of fermentation is its low H2 molar yield. f 2 y  Considering the energy content in 1 mol of glucose (678.2 kcal), H2 molar yield of 2‐4 thus  recovers only 17‐33% of the chemical energy in glucose: 0 M t i b d i t f t d t ( ti f i b t i d l ti molkJGHCOAcetateOHGlucose 4.182;4222 0 222  molkJGHCOButyrateGlucose 1.257;22 0 22  Most microbes produce an mixture of waste products (acetic, formic, butyric, and lactic  acids, and alcohols) that provide multiple pathways to consume NADH and regenerate NAD+  at the expense of hydrogen.   This metabolic diversification lowers the hydrogen molar yield. CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 78
  • 79. Hydrogen Production from Renewable Resources  Potential of H2 Production by Fermentation The decrease in pH (< 4.5) of the medium, from acid accumulation,  metabolic shift of  f 2 y p ( ) f , f , f f the microbe  acids are re‐assimilated toward solvent production  lowering H2 yield.   Controlling medium pH is necessary to improving H2 yield.  To compensate for the low H2 yield, the cost of feedstock has to be decreased  significantly for fermentation to be cost competitive.   Techno‐economic analysis (NREL): If glucose price is 0.11 USD/kg, and assuming a H2 molar yield of 4, a minimum H2 selling price of 2.47 USD/kg could be achieved. Thi i i H lli i i b d l f d k 75% f h ll iThis minimum H2 selling price is based on only feedstock cost, 75% of the overall cost,  is  near to the target of the H2 US‐DOE cost goal of 2‐3 USD/kg.  This encouraging study guides new research approaches to overcoming the twoThis encouraging study guides new research approaches to overcoming the two  barriers. CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 79
  • 80. Hydrogen Production from Renewable Resources  Status of H2 Production by Fermentation  Maximum H2 molar yield is 4, but experimental results are close to 2‐3 (using either pure culture  f 2 y or mixed microbial and glucose, sucrose, molasses, starch, and food wastes as the substrates.  This range of molar yield is 50‐75% efficient biologically, although only reaching 17‐25%  efficienc if based on the energ content in gl coseefficiency if based on the energy content in glucose.   To improve feasibility of fermentation, less expensive and more abundant alternative feedstock  has to be exploredhas to be explored.  Research results indicate that converting sugars, food waste, and hemicellulose to hydrogen is a  feasible process if suitable microbes are used.f p f This demonstrates that lignocellulosic biomass is a feasible substrate for H2 production.  Improvement of molar yield could be reached via genetic modification of microbes   More  research is needed to overcome the barriers. CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 80
  • 81. Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen Production by Fermentationy g y Research approaches  To identify microbes that can utilize hemicelluloses and cellulose directly  This eliminates the use of expensive cellulase enzymes and simplifies biomass  pretreatment.  The mining of various cellulolytic bacteria thereby offers a promising solution  to converting cellulose to hydrogen in a one‐step consolidated process. Genomics and molecular biology are effective tools to redirect metabolic  pathways toward maximal H2 production, especially when genetic engineering  is done in cellulolytic microbes.  A better understanding of the underlying biochemical metabolism is needed  to target pathways that yield the greatest improvements in H2  molar yield.  CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 81
  • 82. Hydrogen Production from Renewable Resources  Integrated Scheme of Dark Fermentation and PhotofermentationIntegrated Scheme of Dark Fermentation and Photofermentation An integrated approach Photofermentation of waste organic acids of dark fermentation toAn integrated approach Photofermentation of waste organic acids of dark fermentation to  generate additional H2, catalyzed by the nitrogenase enzyme of the photosynthetic bacteria.  Substances present in waste acids (acetate, formic, lactic, and butyric acids) are converted into  additional H according to:additional H2 according to:  Theoretically, 1 mol acetate could yield 4 mol H2, while butyrate would yield 10 mol H2.  22)222( xCOHxyOz)H-(2xOHC 2zyx  Theoretically, 1 mol acetate could yield 4 mol H2, while butyrate would yield 10 mol H2.   The total sum of the 2 processes (n1+n2) could approach to 12 mol H2; the equivalent of the energy  content in glucose. 82 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander The photobioreactor must be optimized to ensure the success of the more complex integrated  process.
  • 83. Outline  Introduction to Renewable  Hydrogen ProductionHydrogen Production  Electrolysis  Biomass to Hydrogen Biomass to Hydrogen  Fermentation  Thermolysis   Photolysis   Conclusions 83 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 84. Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen Production by Solar‐Driven Thermochemical Reactions  Water is a virtually limitless source of Hydrogen, but it is very stable molecule  large energy input to decompose in H2 an O2. y g y large energy input to decompose in H2 an O2.   A carbon neutral and strictly renewable process  Solar Energy.    Solar energy can be supplied as:Solar energy can be supplied as: (i) Heat (Thermochemical),  (ii) Light (photochemical), or  (iii) Electricity (electrolysis). Solar energy collected as heat is the most efficient path  No inefficiencies of the  photochemical processes or of the conversion to electricity followed by electrolysis. Water thermally decompose, at significant extent, at T > 2500 K. Need of separate H2 and O2 to avoid an explosive mixture Temperature can be reduced by carrying the reaction out high temperature cycles.p y y g g p y Temperature requirements (> 800 K) of thermochemical water splitting dictate that  concentrating solar systems be used to collect solar energy and convert it to heat. CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 84
  • 85. Hydrogen Production from Renewable Resources  Thermochemical routes for Production of Solar Hydrogenf f y g Concentrated Solar Energy H OH O H O Fossil Fuels (NG Oil C l)H2OH2O H2O(NG, Oil, Coal) Solar Thermolysis Solar Thermochemical Cycles Solar Reforming Solar Cracking Solar Gasification CO2/C Sequestration Solar Hydrogen Sequestration CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 85 A. Steinfeld, Solar Energy (2005)
  • 86. Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen Production by Water‐Splitting Thermochemical Cyclesy g y p g y Water‐splitting thermochemical cycles bypass the  H2/O2 separation problem and operate at T<1200 K.  These cycles required multiple steps  inefficiencies  associated with heat transfer and product separation  at each stepat each step.  Optical systems for large scale solar concentration  attain solar 5000 suns*  conversion of solar toattain solar 5000 suns   conversion of solar to  thermal reservoirs at 2000 K, needed for 2‐step  thermochemical cycles using metal oxide redox reactions: ‘‘Rotating‐cavity’’ solar reactor  for thermal dissociation of ZnO @ 2300 K 222 22 2 21 ),( ),(2 OHOH exosolarnonyHOMOyHxM endosolarOyxMOM yx yx    222 21 OHOH  CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 86 A. Steinfeld, Solar Energy (2005)*1 sun=1 kW/m2
  • 87. Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen Production by Water‐Splitting Thermochemical Cyclesy g y p g y  Water is the only input. H2 and O2 are the outputs. All other chemicals are recycled. Selection of temperature ranges  thermodynamics, cost, chemicals’ availability ,Selection of temperature ranges  thermodynamics, cost, chemicals  availability ,  environmental, safety & health factors. 87 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 88. Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen Production by Water‐Splitting Thermochemical Cycles  Types of solar concentrating systems:  (i) One axis tracking parabolic trough, y g y p g y ( ) O e a s t ac g pa abo c t oug , (ii) towers with a field of 2 axis‐tracking heliostats, and  (iii) dish systems.  Effi i iEfficiencies:  (i) Parabolic troughs: ca. 100 suns, 800K, 60% efficiency; (ii) Tower configurations: ca. 1000 suns, 1000K, 75% efficiency.  (iii) Dishes: 10000 suns, 2200 K, 85% efficiency.  Overall energy efficiency: Combination of solar & chemical cycle efficiencies. The minimum efficiency desired is that for conventional electrolysis. Many chemical  cycles have the potential to be 40–50% efficient. The current status of concept development is directed to stand‐alone operations.   There may be potential for producing electricity with waste heat.  CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 88
  • 89. Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen Production by Water‐Splitting Thermochemical Cyclesy g y p g y CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 89
  • 90. Hydrogen Production from Renewable Resources  Hydrogen Production by Water‐Splitting Thermochemical Cycles Barriers to achieving potential y g y p g y g p To adjust the chemical processes to the daily and annual solar cycles Storing energy, as heat for off‐sun operation, can extend the time for H2 production  and allow some process operations to occur at night.  Research approaches Fundamental work on engineering solar concentrators, solar receivers, reaction  kinetics gas separation and materials of construction is requiredkinetics, gas separation, and materials of construction is required.  The demands on performance in all these areas increase with the temperature  requirements.requirements. CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander 90
  • 91. Outline  Introduction to Renewable  Hydrogen ProductionHydrogen Production  Electrolysis  Biomass to Hydrogen Biomass to Hydrogen  Fermentation  Thermolysis   Photolysis   Conclusions 91 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 92. Hydrogen Production from Renewable Resources  Photolysis – Photoelectrochemistry The thermodynamic potential for splitting water at 25 ºC is 1.23V.  Adding overvoltage losses and some energy to drive the reaction  at a reasonable rate, a voltage of 1.6‐1.8V is needed  commercial  l t l t t 1 7 1 9Velectrolyzers operate at 1.7–1.9V.  The energy of 1.9 eV corresponds to a =650 nm, red light,  the  lowest energy portion of the visible spectra  Nearly the entirelowest energy portion of the visible spectra  Nearly the entire  visible spectrum has enough energy to split water into H2 and O2.  The key: To find the right combination of a light harvesting system and a catalyst that can efficientlyThe key: To find the right combination of a light harvesting system and a catalyst that can efficiently  collect the energy and direct it toward the water‐splitting reaction.  Direct Photoelectrochemical (PEC) splitting of water: one‐step process for producing H2 with solar  i di tiirradiation. 92 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 93. Hydrogen Production from Renewable Resources  Photolysis – Photoelectrochemistry Semiconductor electrode Counter‐electrode Photoelectrochemical mechanism Semiconductor electrode Counter electrode Conduction band Light is absorbed in the  semiconductor and water issemiconductor and water is  split at the semiconductor  surface.  Conduction band 22 )(222 HOHeOH   22 422 OHhOH   Major criteria of viability:  (i) The light harvesting system must generate sufficient voltage to decompose water (ii) The system must be stable in an aqueous environment.  93 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 94. Hydrogen Production from Renewable Resources  Photolysis – Photoelectrochemistry Advantages of direct conversion PEC systems:  (i) Eliminate most of the costs of the electrolyzer, and  (ii) increase the overall efficiency. Basic requirements for PEC water‐splitting semiconducting material: (1) Stable in an aqueous electrolyte. (2) R b d (E ) 1 7 V E 2 2 V  t hi th ti f(2) Range band gap (Eg): 1.7 eV < Eg < 2.2 eV  to achieve the energetic for  electrolysis, allowing maximum absorption of solar spectrum. (3) To have a high quantum yield (>80%) across its absorption band to reach the  efficiency necessary for a viable deviceefficiency necessary for a viable device.  (4) To span the H2 and O2 half‐reactions redox potentials with its conduction and  valence band edges. (5) To have a pathway to low cost high volume synthesis(5) To have a pathway to low‐cost, high volume synthesis. 94 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 95. Hydrogen Production from Renewable Resources  Photolysis – Photoelectrochemistry  PEC production of H2 is based on solar illumination  Very large energy resource.   % l ld d b id f h i A 10% solar‐to‐H2 PEC system would need about 1 MHa to provide H2 for the entire U.S.  fleet (310 M people, 236 M vehicles). ~ 2 MHa in EU (500 M people, 380 M vehicles).   Very high resource potential (sunlight) for PEC  Economical production distribution Very high resource potential (sunlight) for PEC  Economical production, distribution,  and storage of hydrogen are necessary.  Fujishima and Honda in 1972 showed that H2 generation via splitting of water withFujishima and Honda in 1972 showed that H2 generation via splitting of water with  visible light was possible at a semiconductor electrode  38 years later, a visible light‐ driven water‐splitting system that is efficient and stable still remains an elusive goal.  The needed material properties for a working PEC device requires a unique combination  of physical, chemical, structural, and economic properties that no known material satisfies. Th h f ifi t i l i f d th th i d h t i ti fThe research for a specific material is focused on the synthesis and characterization of  materials, primarily mixed metal oxides  Combinatorial techniques. 95 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander Fujishima and Honda, Nature (1972)
  • 96. Outline  Introduction to Renewable  Hydrogen ProductionHydrogen Production  Electrolysis  Biomass to Hydrogen Biomass to Hydrogen  Fermentation  Thermolysis   Photolysis   Conclusions 96 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 97. CONCLUSIONS Hydrogen Production from Renewable Resources  1) Hydrogen can be produced from the renewable energy resources water and biomass by CONCLUSIONS 1) Hydrogen can be produced from the renewable energy resources, water and biomass, by  a variety of processes (e.g. photolysis, electrolysis, thermochemical, and biochemical).  2) Electrolysis of water is the simplest technology for producing hydrogen. The electrolytic2) Electrolysis of water is the simplest technology for producing hydrogen. The electrolytic  production of hydrogen is currently the only way to produce large quantities of hydrogen  without emitting the traditional byproducts associated with fossil fuels.  3) Biomass‐to hydrogen processes (gasification, pyrolysis, and fermentation) are less well‐ developed technologies. These processes offer the possibility of producing hydrogen from  waste materials (cellulosic biomass and sewage). 4) Hydrogen production may be the most promising economic route for the conversion of  syngas to transportation fuels. Solar energy can be used to produce hydrogen in the form  of heat (thermochemical), light (photochemical), or electricity (electrolysis). f ( ), g (p ), y ( y ) 97 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander
  • 98. Hydrogen Production from Renewable Resources  CONCLUSIONS 5) Solar energy collected as heat may be the most efficient solar path to hydrogen from water  CONCLUSIONS since it does not have the inefficiencies associated with photochemical transformations or  the conversion of solar energy to electricity followed by electrolysis. 6) Photoelectrochemical water splitting and photobiology are also options for producing6) Photoelectrochemical water splitting and photobiology are also options for producing  hydrogen with solar energy. 7) Hydrogenase‐containing organisms (cyanobacteria and green algae) can extract7) Hydrogenase containing organisms (cyanobacteria and green algae) can extract  reductants from water and achieve very high light conversion efficiencies, and they  photoproduce hydrogen without the input or output of carbon‐based molecules. These  technologies are in the development stage. 8) The contribution that each technology will have to future energy economies will  depend of  factors such as: (i) Energy‐conversion efficiency, (ii) Greenhouse gas emissions, and (iii)  Overall cost through the complete chain from primary energy source to delivered hydrogenOverall cost through the complete chain from primary energy source to delivered hydrogen  at pressure. 98 CATALYSIS FOR ENERGY: NEW CHALLENGES FOR A SUSTAINABLE ENERGETIC DEVELOPMENT. 18th to 20th August, Palacio de la Magdalena Santander