Power-to-X

Skovgaard Energys REDDAP-anlæg er verdens første dynamiske grønne ammoniakanlæg, hvor produktionen kan følge udsving fra vind og sol. Et tæt samarbejde mellem Skovgaard Energy, Topsoe og ABB har vist, at standardkomponenter, simulering og tidlig teknisk integration kan gøre nye PtX-anlæg lettere at skalere og mere konkurrencedygtige.

Naturens konstante udsving er en udfordring for Power-to-X-anlæg (PtX). Når vinden løjer af, eller en sky glider ind over solpanelerne, ændrer strømproduktionen sig med det samme. Og hvis PtX-anlægget er koblet direkte til de vedvarende energikilder, skal produktionen være tilsvarende fleksibel.

Det er krævende, specielt fordi dele af de kemiske processer i et PtX-anlæg normalt er designet til stabil og konstant drift. Når effekten fra elforsyningen ændrer sig, skal elektrolyse og de øvrige processer kunne reagere tilsvarende hurtigt for at sikre en kontrolleret og sikker produktion.

Et konkret eksempel er samspillet mellem transformer, ensretter og elektrolysekapacitet typisk skal tænkes som en samlet elektrisk kæde. Transformeren og ensretteren skal dimensioneres, så de både matcher den tilgængelige mængde strøm og elektrolysørens effektbehov.

De tre komponenter hænger tæt sammen: Transformeren tilpasser spændingsniveauet, ensretteren omformer vekselstrøm til den jævnstrøm, elektrolysøren skal bruge, og elektrolysøren omsætter strømmen til brint. Hvis én del dimensioneres forkert, kan det enten begrænse produktionen eller betyde, at man investerer i kapacitet, som ikke bliver udnyttet. Syntesedelen til ammoniak kan i højere grad skaleres særskilt.

Den udfordring har Skovgaard Energy, Topsoe og teknologivirksomheden ABB i fællesskab arbejdet intensivt på at løse. Nu viser erfaringer fra demonstrationsanlægget REDDAP ved Ramme nær Lemvig, at opgaven kan klares med standardkomponenter, der allerede kendes fra andre industrier. Det kræver dog grundig planlægning og tidlig dialog med teknologileverandøren.

Reduceret kompleksitet og risiko

REDDAP anvender strøm direkte fra områdets vindmøller og solceller til at producere grøn brint, som videreforædles til ammoniak og demonstrerer Topsoes dynamiske ammoniakteknologi. Anlægget er etableret af Skovgaard Energy, Topsoe og Vestas med støtte fra Det Energiteknologiske Udviklings- og Demonstrationsprogram, EUDP.

Anlægget er dimensioneret til at producere op til 5.000 ton grøn ammoniak om året. For Skovgaard Energy er det både et produktionsanlæg og et demonstrationsprojekt, der skal skabe viden om, hvordan dynamisk produktion fungerer teknisk og økonomisk i praksis.

– Med REDDAP får vi praktiske erfaringer med at producere grøn ammoniak direkte fra vind- og solenergi. Skal PtX for alvor skaleres, skal vi ikke alene bevise, at teknologien fungerer. Vi skal også lære, hvordan anlæggene kan bygges og driftes mere effektivt, så risici og omkostningerne falder fra projekt til projekt, siger Pat A. Han, teknisk direktør hos Skovgaard Energy.

Hos ABB, som er systemintegrator på el og automation på projektet, er der store forhåbninger til, at erfaringerne fra REDDAP kan være med til at give PtX-teknologien et kommercielt gennembrud. ABB's kontrolsystem kan på tværs af hele værdikæden balancere strøm og proces imod i hinanden.

– Dynamisk PtX er i høj grad en integrationsudfordring. De tekniske komponenter er velkendte. Opgaven er at dimensionere dem korrekt, få dem til at arbejde sammen og styre anlægget som ét samlet system. Her kan erfaringerne fra Ramme være med til at reducere kompleksitet og ricisi i kommende projekter, siger Tom Lundsgaard Zøllner, Vice President for ABB Energy Industries i Denmark.

Fleksibilitet og kapacitetsudnyttelse

På REDDAP har ABB leveret en integreret løsning, hvor proceskontrol, elektrisk distribution og styring heraf bindes sammen. Leverancen omfatter også standardiserede effektkonverterings- og distributionsteknologier, der sikrer en stabil elforsyning til elektrolyseanlægget samt understøtter dynamisk regulering af driften og skalering af anlægget.

ABB har desuden bidraget til eldistributionen fra anlæggets transformertilslutning, til elektrolyseanlægget, kompressorer, pumper og alle øvrige elektriske forbrugere.

– Det handler ikke kun om at regulere op og ned for hydrogenproduktionen, når elproduktionen ændrer sig. Det særlige ved anlægget er, at ammoniakproduktionen kan følge med i samme tempo. Hele processen kan reguleres hurtigt og fleksibelt uden at gå på kompromis med hverken stabilitet eller sikkerhed, sigerTom Lundsgaard Zøllner.

Virtuelle test reducerer risikoen

Inden anlægget blev bygget, gennemførte ABB virtuelle test, der simulerede driften under skiftende belastninger. Formålet var at identificere flaskehalse og uhensigtsmæssige samspil, før de viste sig på det fysiske anlæg.

– Simuleringer bliver endnu vigtigere, når PtX-anlæg i fremtiden skal skaleres. De gør det muligt at afprøve driftsscenarier og begå fejl i et virtuelt miljø. Det giver et bedre beslutningsgrundlag og kan forkorte udviklingsforløbet for de næste projekter, siger Tom Lundsgaard Zøllner.

Ved at genbruge dokumenterede komponenter, systemarkitekturer, simulationsmodeller og integrationsprincipper bliver behovet for at udvikle hvert anlæg fra bunden mindre.

– PtX bliver ikke konkurrencedygtigt gennem én teknisk løsning. Men hvis vi kan reducere udviklingstiden, undgå overdimensionering og gøre driften mere forudsigelig og effektiv, kan vi forbedre en væsentlig del af business casen. Det kan gøre de næste projekter mere attraktive for både kunder og investorer og sikre lavere priser for slutproduktet, siger Pat A. Han.

Fakta om REDDAP

1. REDDAP står for Renewable Dynamic Distributed Ammonia Plant.
2. Det anvender strøm fra seks 2-MW vindmøller og 87.000 solceller til produktion af grøn ammoniak.
3. Anlægget er dimensioneret til at producere op til 8.500 ton årligt, men forventer at have strøm tilgængeligt til at producere 5.000 ton grøn ammoniak årligt.
4. Den forventede årlige CO₂-reduktion er 8.200 ton.
5. ABB har bidraget med studier og integrerede løsninger inden for elektrificering og automation. Herunder distribueret kontrolsystem, eltavler, thyristorbaseret ensretter, transformere, frekvensomformere og motorer.

Teknologisk Institut - Danmark har et stærkt udgangspunkt for udvikling og eksport af grøn Power-to-X-teknologi – men uden målrettede tiltag risikerer vi at tabe førertrøjen.

En ny analyse fra Teknologisk Institut viser, at dansk erhvervsliv og forskning er internationalt i front, når det handler om at udvikle teknologier til produktion af grønne brændstoffer. Men det kræver en koordineret indsats at bevare denne position, mens der sker store satsninger i lande som USA, Tyskland og Kina.

Dansk PtX-teknologi er under udenlandsk pres

Power-to-X er en blandt flere væsentlige teknologier til produktion af CO2-neutrale brændstoffer til fremtidens energisystem. Danmark har ifølge analysen, Teknologisk Udsyn – Danmarks internationale styrker inden for Power-to-X, en unik position med omfattende teknologisk ekspertise inden for især elektrolyse samt et stærkt industrielt udviklingsmiljø med fokus på både forskning og innovation. Imidlertid er Danmark ved at blive sejlet agterud af store nationer som USA, Tyskland og Kina, der investerer massivt i teknologien.

- Mange danske virksomheder har kastet sig over Power-to-X, vi har gang i stærke forsknings- og udviklingsprojekter, og der er planlagt flere produktionsanlæg. Men aktuelt mister udviklingen momentum, og vi risikerer, at potentialet af vores betydelige styrker ikke bliver realiseret, siger David Tveit, der er direktør hos Teknologisk Institut.

Koordineret indsats skal fremme udviklingen

For at bevare Danmarks førerposition anbefales i analysen en koordineret indsats i tre spor: Etablering af et stærkt dansk hjemmemarked for PtX-produkter ved at opbygge dansk baseret teknologisk viden og erfaring. Målrettede investeringer i strategisk innovation og industrialisering af PtX-teknologier. Endeligt anbefales det at udnytte Danmarks allerede stærke position på udenlandske markeder og fremme eksporten af dansk udviklet teknologi og service.

- Inden for det seneste år er der sket væsentlige fremskridt på Power-to-X-området, men Danmarks fremtid som en førende leverandør af PtX-teknologi afhænger af, om vi formår at udvikle vores styrker. Den grønne omstilling fordrer en koordineret satsning på flere teknologier, og med anbefalingerne i rapporten spiller vi ind i en strategisk dialog om, hvad Danmark kan gøre for at udvikle vores styrker til gavn både for den grønne omstilling og for udvikling af et teknologisk og erhvervsmæssigt vækstområde inden for PtX, siger David Tveit.

Udover at samle og dele viden i analyser om teknologi, grøn omstilling og marked, hjælper Teknologisk Institut virksomheder med blandt andet at udvikle Power-to-X-anlæg i pilot- og fuld skala. Desuden arbejder Instituttet med at teste og implementere løsninger, der fx gør det muligt at integrere energisystemet på tværs af sektorer og infrastruktur som for eksempel i forsknings- og udviklingspartnerskabet, DynFlex.

Fakta

• Power-to-X dækker over teknologier, hvor grøn strøm omdannes til nye energiformer, for eksempel brint eller grønne brændstoffer som metanol eller ammoniak til tung transport, skibsfart og industri.
• Elektrolyse er en teknologi, hvor elektricitet bruges til at spalte vand til brint og ilt – grundstenen i mange PtX-processer.

Forbedret brintsensor løfter sikkerheden i Power-to-X-processer. Brintsensoren, der er et resultat af et innovationsprojekt, har potentiale til at overvåge brint i hele verden.

Den grønne omstilling kræver innovative løsninger, og her spiller brint en central rolle som både energilager og brændstof.

Når man snakker om brint, er sikkerhed afgørende, da selv små mængder kan være farlige kombineret med fx ilt.

En ny forbedret sensor overvåger brintkoncentrationer i realtid og øger sikkerheden i brintproduktion og Power-to-X-processer. Og potentialet er stort.

Sensoren er udviklet i det netop afsluttede innovationsprojektet SafePtX, som er et samarbejde mellem SulfiLogger A/S, Green Hydrogen Systems A/S, Dansk Brand- og sikringsteknisk Institut og Dansk Gasteknisk Center. Projektet er faciliteret af Energy Cluster Denmark.

Mere enkel, robust og omkostningseffektiv

Vickie Schultz-Falk er Senior R&D Scientist i Green Hydrogen Systems, har testet den nye sensor på deres anlæg. Hun ser sensorens introduktion, som et vigtigt skridt for hele brintøkosystemet.

"Sulfilogger-sensoren leverer meget værdifulde data og viser gode resultater i forhold til performance og robusthed, hvilket er vigtigt i vores bestræbelser på at tackle de udfordrende miljøer, som vi måler i."

Ifølge COO i Sulfilogger, Steffen Møller har projektet hjulpet til et gennembrud for sikkerheden i brintindustrien.

"Sensoren er robust og skræddersyet til brintmarkedet. Den har indbygget diagnosticering og måler direkte i procesgassen, hvilket forbedrer kvaliteten af målingerne samt reducerer kompleksiteten ved installation, drift og vedligeholdelse af sensorerne. Disse forbedringer vil øge oppetiden og produktiviteten i brintproduktionen samt sænke de samlede omkostninger", siger han.

Sikkerheden er afgørende i PtX- og elektrolyseprocesser

"Det er ikke muligt at sikre elektrolyseanlæg uden brug af brintsensorer. Selvom vi allerede har løsninger i dag, stræber vi efter at udvikle endnu bedre løsninger til fremtiden. I et system, hvor brint og ilt arbejder tæt sammen, er konstant overvågning afgørende for at sikre, at vi holder os under de fastsatte grænseværdier.", siger Vickie Schultz-Falk, Senior R&D Scientist i Green Hydrogen Systems, der har testet den nye forbedret sensor på deres anlæg.

Andre brintsensorer på markedet er komplekse at installere og er udfordret af miljøet i elektrolyseanlæg. Det er sensoren ifølge Steffen Møller med til at løse:

"Sensoren reducerer antallet af komponenter i elektrolyseanlæg, hvilket forenkler installationen og reducerer behovet for vedligeholdelse og kompleksitet. Samtidig er Vores SIL2-godkendelse ved at blive afsluttet, hvilket er en efterspurgt certificering på markedet og et vigtigt skridt for os."

Mens Sulfilogger har stået for at udvikle sensoren og GHS har testet den, så har Gasteknisk Center (DGC) og DBI – Dansk Brand- og Sikringsteknisk Institut bidraget med ekspertise ift. sikkerhed og overvågning af gassystemer.

"Når det kommer til brint, taler vi om en ekstremt brandfarlig gas. Den nye sensor giver mulighed for at opdage og reagere på brintlækager, inden koncentrationerne bliver kritiske, og derved reducere risikoen for brande og eksplosioner", siger Ken Olsen, der er teknisk leder ved DBI.

"Det her kan blive enormt stort for os"

Efter afslutningen af projektet har SulfiLogger ført brintsensor på markedet. Og interessen er stor og global.

Virksomheden er i dialog med over 30 producenter af elektrolyseanlæg på tværs af kontinenter, men har dog Europa og USA som sine primære markeder.

"Vores tests og driftserfaringer viser, at SulfiLoggers sensor kan måle præcist under vanskelige forhold – noget, ingen anden sensor på markedet hidtil har kunnet," lyder det fra COO i SulfiLogger, Steffen Møller.

Glenda Napier, CEO i Energy Cluster Denmark, som har faciliteret projektet, udtaler:

"SafePtX er vellykket innovationsprojektet, som sikrer, at sensorerne til Power-to-X både er driftssikre og konkurrencedygtige. Vi håber selvfølgelig på, at danske producenter vil opnå en betydelig andel af det fremtidige globale marked for brint- og sensorteknologi."

Fakta om SafePtX projektet

• Projektdeltagere: SulfiLogger A/S, Green Hydrogen Systems A/S, Dansk Brand- og sikringsteknisk Institut og Dansk Gasteknisk Center
• Projektledelse: Energy Cluster Denmark.
• Projektperiode: januar 2022 til oktober 2024.
• Projektet er støttet af EUDP