Production of renewable synthetic transport fuels from methanol

Abstract

Ever increasing awareness of climate change and air quality issues has created a need to develop alternative solutions to petroleum-based systems in transport. The transition is currently focused on commissioning of electric vehicles in road transport and increasing the share of biofuels in the fuel blends. Advances in renewable electricity production enable adaptation of Power-to-Liquids (PTL) technology in which renewable methanol is produced from renewable carbon dioxide and electrolytic hydrogen. Methanol can be further synthetized into hydrocarbons on gasoline, kerosene and diesel ranges. The renewable synthetic fuels can be utilized by current engine technologies and distributed via existing networks. The main elements of the technology – electrolysis, carbon capture and storage methods, methanol synthesis and hydrocarbon processing – are all well-known and industrially proven processes. Adaptation of PTL technology offers a rapid solution for decarbonizing the all three forms of transport – road and maritime transport as well as aviation – while dependence on fossil resources is reduced.

Literature review of this thesis introduces production of fossil, synthetic and renewable synthetic fuels as well as market and sustainability aspects related to them. In the applied section of the thesis, steady-state simulation models describing gasoline, kerosene and diesel production from renewable methanol are created according to the processes introduced in the literature review. Preliminary investment costs are also given to production plants based on the models developed in this work.

The results of the simulation models indicate that the required fuel properties are challenging to achieve using simplified stoichiometric reaction system. Total capital investment cost for gasoline production plant is approximately 9.2 million euros. The corresponding sum for gasoline, kerosene and diesel production plant is 12 million euros. The models developed in this work can be considered as preliminary work for detailed engineering necessary before realizing the production of renewable synthetic fuels in industrial scale.

Lisääntyvä tietoisuus ilmastonmuutoksen vaikutuksista ja ilmanlaadun ongelmista on luonut tarpeen kehittää vaihtoehtoisia ratkaisuja raakaöljyyn pohjautuville liikenteen järjestelmille. Muutos on tällä hetkellä keskitetty sähköisten kulkuneuvojen käyttöönottoon sekä biopolttoaineiden osuuden lisäämiseen polttoainesekoitteissa. Edistysaskeleet uusiutuvan sähkön tuotannossa mahdollistavat Power-to-Liquids (PTL)-teknologian hyödyntämisen. Menetelmässä uusiutuvaa metanolia tuotetaan uusiutuvasta hiilidioksidista ja elektrolyysillä valmistetusta vedystä. Metanoli voidaan jatkojalostaa bensiini-, kerosiini- ja dieseljakeiden hiilivedyiksi, joita voidaan hyödyntää nykyisissä moottoreissa ja jaella käyttäen olemassa olevia jakeluverkostoja. PTL-teknologian pääelementit – elektrolyysi, hiilidioksidin kaappaus- ja varastointimenetelmät, metanolin valmistus sekä hiilivetyjen jalostus – ovat kaikki hyvin tunnettuja ja teollisesti käytettyjä prosesseja. PTL-teknologian avulla liikennesektorin kaikki kolme liikenteen muotoa – tie- ja meriliikenne sekä ilmailu – voidaan muuttaa hiilineutraaliksi lyhyellä aikavälillä. Samalla riippuvuus fossiilisista resursseista vähenee.

Tämän diplomityön kirjallisuusosa esittelee fossiilisten, synteettisten ja uusiutuvien synteettisten liikennepolttoaineiden valmistusta sekä niihin liittyviä markkina- ja kestävyysnäkökulmia. Diplomityön soveltavassa osiossa luodaan bensiinin, kerosiinin ja dieselin tuotantoa metanolista kuvaavat simulointimallit kirjallisuusosan perusteella. Tuotantolaitoksille annetaan myös alustavat investointikustannusestimaatit työssä kehitettyjen mallien perusteella.

Simulointimallien tulokset osoittavat, että vaadittuja polttoaineiden ominaisuuksia on haastavaa saavuttaa käyttämällä yksinkertaistettua stoikiometriaan perustuvaa reaktiosysteemiä. Bensiiniä tuottavan tuotantolaitoksen investointikustannukset ovat noin 9.2 miljoonaa euroa. Vastaava luku bensiiniä, kerosiinia sekä dieseliä tuottavalle laitokselle on noin 12 miljoonaa euroa. Tässä diplomityössä kehitetyt mallit voidaan mieltää alustavaksi työksi yksityiskohtaisemmalle kehitystyölle, joka on välttämätöntä ennen uusiutuvien synteettisten polttoaineiden tuotannon aloittamista teollisessa mittakaavassa.