Simulation and techno-economic analysis of synthetic natural gas production
Kauppi, Sonja (2020)
Diplomityö
2020
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020100176371
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020100176371
Tiivistelmä
Alternative fuels, such as synthetic natural gas (SNG) and biogas, are considered a way to mitigate climate change. Politics and environmental concerns are driving forces for industry to join the alternative fuel research. It is important to find techno-economically feasible solutions to replace conventional fuels. Power-to-X (P2X) technologies are seen promising as they utilize renewably sourced energy, carbon dioxide (CO2) captured from emissions and hydrogen (H2) produced via water electrolysis. The technology required to utilise SNG as transport fuel and the required infrastructure are already available. SNG also has various utilisation options besides as transport fuel, which makes it an attractive option.
Literature research in P2X technologies and SNG and biogas production processes was carried out. The results were used as a basis to design catalytic and biological methanation processes on conceptual design level. The processes were simulated using Aspen Plus. Hydrogen purification with deoxo process was also studied. Techno-economic analysis was conducted for both processes based on the simulation results.
The product purity targets (max. 3 mol-% H2 and 6 mol-% CO2) were met in the catalytic process model (CH4 82.15; H2 2.84; CO2 1.62; H2O 13.38 mol-%) but not in the biological model (CH4 90.7; H2 4.87; CO2 1.13; H2O 3.29 mol-%) due to high hydrogen conversion requirements that exceeded the methanation archaea’s maximum conversion. The total fixed capital costs were 37.4 M€ for catalytic methanation and 34.1 M€ for biological methanation at 40 MW capacity. The necessity of deoxo process needs further research as it increases the investment and operational costs for both processes considerably.
Before more detailed design is possible, experimental results are required to find out how they correlate to the simulation results to confirm the accuracy of the models. The results of this thesis can be considered as conceptual design and evaluation for both methanation processes. Vaihtoehtoisten polttoaineiden, kuten synteettisen maakaasun (SNG) ja biokaasun, käyttöä pidetään keinona hillitä ilmastonmuutosta. Poliittiset päätökset ja ympäristötekijät kannustavat teollisuutta osallistumaan vaihtoehtoisten polttoaineiden tutkimukseen. Tavanomaiset polttoaineet tulisi korvata ratkaisuilla, jotka ovat teknillistaloudellisesti toteutettavissa. Power-to-X (P2X) -teknologiat vaikuttavat lupaavilta, koska ne hyödyntävät uusiutuvaa energiaa, päästöistä kaapattua hiilidioksidia (CO2) sekä veden elektrolyysillä tuotettua vetyä (H2). SNG:n käyttö liikennepolttoaineena on jo mahdollista teknologian sekä infrastruktuurin kannalta. Liikennepolttoainekäytön lisäksi SNG:tä voi hyödyntää myös muihin tarkoituksiin, minkä takia se on houkutteleva vaihtoehto.
Kirjallisuuskatsauksessa perehdyttiin P2X-teknologioihin sekä SNG:n ja biokaasun valmistusprosesseihin. Tulosten perusteella suunniteltiin alustavasti sekä katalyyttinen että biologinen metaanin valmistusprosessi. Prosessit simuloitiin Aspen Plus –simulointiohjelmalla. Työssä perehdyttiin myös vedyn puhdistukseen deoxo-menetelmällä. Molemmista prosesseista tehtiin teknillistaloudellinen arviointi simulointitulosten perusteella.
Tuotteen puhtausvaatimukset (enintään 3 mol-% H2 ja 6 mol-% CO2) täyttyivät katalyyttisen prosessin mallissa (CH4 82.15; H2 2.84; CO2 1.62; H2O 13.38 mol-%). Biologinen malli ei yltänyt puhtausvaatimuksiin (CH4 90.7; H2 4.87; CO2 1.13; H2O 3.29 mol-%), koska siihen tarvittava vedyn konversio on korkeampi, kuin metanointiarkeonien enimmäiskonversio. Katalyyttisen prosessin kokonaisinvestointikustannukset olivat 37.4 M€ ja biologisen prosessin 34.1 M€ 40 MW kapasiteetilla. Deoxo-prosessin tarpeellisuutta on tutkittava lisää, koska se nostaa investointi- ja käyttökustannuksia huomattavasti.
Simulointitulosten tarkkuuden vahvistamiseen vaaditaan kokeellisia tuloksia. Mallin korrelointi kokeellisiin tuloksiin on selvitettävä, ennen kuin prosessisuunnittelua voidaan tehdä yksityiskohtaisemmin. Tämän diplomityön tuloksia voidaan käyttää esiselvityksenä kummallekin metaanin valmistusprosessille.
Literature research in P2X technologies and SNG and biogas production processes was carried out. The results were used as a basis to design catalytic and biological methanation processes on conceptual design level. The processes were simulated using Aspen Plus. Hydrogen purification with deoxo process was also studied. Techno-economic analysis was conducted for both processes based on the simulation results.
The product purity targets (max. 3 mol-% H2 and 6 mol-% CO2) were met in the catalytic process model (CH4 82.15; H2 2.84; CO2 1.62; H2O 13.38 mol-%) but not in the biological model (CH4 90.7; H2 4.87; CO2 1.13; H2O 3.29 mol-%) due to high hydrogen conversion requirements that exceeded the methanation archaea’s maximum conversion. The total fixed capital costs were 37.4 M€ for catalytic methanation and 34.1 M€ for biological methanation at 40 MW capacity. The necessity of deoxo process needs further research as it increases the investment and operational costs for both processes considerably.
Before more detailed design is possible, experimental results are required to find out how they correlate to the simulation results to confirm the accuracy of the models. The results of this thesis can be considered as conceptual design and evaluation for both methanation processes.
Kirjallisuuskatsauksessa perehdyttiin P2X-teknologioihin sekä SNG:n ja biokaasun valmistusprosesseihin. Tulosten perusteella suunniteltiin alustavasti sekä katalyyttinen että biologinen metaanin valmistusprosessi. Prosessit simuloitiin Aspen Plus –simulointiohjelmalla. Työssä perehdyttiin myös vedyn puhdistukseen deoxo-menetelmällä. Molemmista prosesseista tehtiin teknillistaloudellinen arviointi simulointitulosten perusteella.
Tuotteen puhtausvaatimukset (enintään 3 mol-% H2 ja 6 mol-% CO2) täyttyivät katalyyttisen prosessin mallissa (CH4 82.15; H2 2.84; CO2 1.62; H2O 13.38 mol-%). Biologinen malli ei yltänyt puhtausvaatimuksiin (CH4 90.7; H2 4.87; CO2 1.13; H2O 3.29 mol-%), koska siihen tarvittava vedyn konversio on korkeampi, kuin metanointiarkeonien enimmäiskonversio. Katalyyttisen prosessin kokonaisinvestointikustannukset olivat 37.4 M€ ja biologisen prosessin 34.1 M€ 40 MW kapasiteetilla. Deoxo-prosessin tarpeellisuutta on tutkittava lisää, koska se nostaa investointi- ja käyttökustannuksia huomattavasti.
Simulointitulosten tarkkuuden vahvistamiseen vaaditaan kokeellisia tuloksia. Mallin korrelointi kokeellisiin tuloksiin on selvitettävä, ennen kuin prosessisuunnittelua voidaan tehdä yksityiskohtaisemmin. Tämän diplomityön tuloksia voidaan käyttää esiselvityksenä kummallekin metaanin valmistusprosessille.