Non-geological hydrogen storage for fossil-free steelmaking [Elektronisk resurs]

• In the last half-century, global steel use has increased more than threefold and further growth is expected, particularly in developing economies. However, steelmaking is currently responsible for 7% of the global net carbon dioxide (CO2) emissions, and any substantial further optimization of existing processes that utilize fossil fuels for iron ore reduction is infeasible. Therefore, steelmaking must change for climate change mitigation targets to be achievable. Hydrogen (H2) steelmaking using H2 produced via electrolysis is one way forward. A challenge is the substantial electricity demand of electrolysis. H2 storage may lower the electricity cost of electrolysis by allowing a larger share of H2 to be produced when the electricity price is low. Existing experience with large-scale H2 storage is limited to salt caverns and the construction of such caverns requires suitable geological formations, which are neither ubiquitous nor well-distributed. However, geologically-independent H2 storage technologies have not previously been evaluated for integration with H2 steelmaking. This is the aim of this thesis. H2 storage technologies were reviewed and liquid H2 carriers were identified as the most techno-economically feasible non-geological options. Out of these liquid carriers, methanol (CH3OH) was found particularly promising for H2 steelmaking due to the low heat demand of its dehydrogenation, its low-cost storage, and the high technological readiness of plants for both its production and dehydrogenation. A complete CH3OH-based H2 storage concept was developed, including processes for CO2 and heat supply. Its ability to reduce the H2 production cost in a H2 steelmaking process was evaluated via a deterministic optimization method based on historical electricity prices. Results indicate that CH3OH-based storage may be competitive with geological storage options, especially for cases with long-duration electricity price patterns.  The option to also sell off accumulated CH3OH from the storage was investigated. Such steel and CH3OH co-production may improve storage utilization and reduce the risk of investment into H2 storage as it allows for profitability to be reached under a more diverse set of electricity market conditions. 
• Den globala stålanvändningen har mer än tredubblats under de senaste 50 åren och ytterligare tillväxt förväntas, framförallt i utvecklingsländer. Ståltillverkning står dock för 7 % av de globala nettoutsläppen av koldioxid (CO2) och möjligheter till ytterligare optimering av nuvarande processer för järnmalmsreduktion baserade på fossila bränslen är begränsade. Nya ståltillverkningsmetoder krävs därför för att etablerade klimatmål ska kunna uppnås. En väg framåt är järnmalmsreduktion med vätgas (H2) producerad via elektrolys. En utmaning är elektrolysens stora elbehov. Ett H2-lager kan reducera elkostnaden för elektrolys genom att tillåta att en större andel H2 produceras när elpriset är lågt. Befintlig erfarenhet av storskalig H2-lagring är helt begränsad till saltkaverner i geologiska saltformationer och dessa finns inte att tillgå överallt. Icke-geologiska H2-lagringstekniker har dock inte tidigare utvärderats för H2-baserad ståltillverkning, vilket är syftet med denna avhandling. Flytande H2-bärare identifierades som de mest tekno-ekonomiskt gångbara alternativen för icke-geologisk H2-lagring. Av dessa bärare befanns metanol (CH3OH) vara särskilt lovande för H2-baserad ståltillverkning på grund av det låga värmebehovet för dess dehydrogenering, dess låga lagringskostnad och för att processer för både dess produktion och dehydrogenering har en hög teknisk mognadsgrad. Ett komplett CH3OH-baserat lagringskoncept för H2-baserad ståltillverkning utvecklades, inklusive processer för CO2- och värmeförsörjning. Detta koncepts förmåga att minska kostnaden för H2-baserad ståltillverkning utvärderades via en deterministisk optimeringsmetod baserad på historiska elpriser. Resultat indikerar att H2-lagring i CH3OH kan vara konkurrenskraftigt med geologisk lagring, särskilt i särskilt i scenarier med ihållande perioder med höga elpriser.  Vidare undersöktes även möjligheter att inkludera försäljning av CH3OH i lagringskonceptet. Resultat visar att sådan försäljning kan minska risken för investering i ett CH3OH-baserat H2-lager som en del av en H2-baserad ståltillverkningsprocess då det gör det möjligt för lagret att nå lönsamhet under mer varierade elmarknadsförhållanden. 

Ämnesord

Engineering and Technology  (hsv)

Chemical Engineering  (hsv)

Chemical Process Engineering  (hsv)

Teknik och teknologier  (hsv)

Kemiteknik  (hsv)

Kemiska processer  (hsv)

Environmental Engineering  (hsv)

Energy Systems  (hsv)

Naturresursteknik  (hsv)

Energisystem  (hsv)

Chemical Engineering  (kth)

Kemiteknik  (kth)

Genre

government publication  (marcgt)

Indexterm och SAB-rubrik

hydrogen storage

fossil-free

steelmaking

industrial decarbonization

hydrogen direct reduction