Comparison of synthetic fuel production routes for kerosene range hydrocarbons

Abstract

Aviation has been an increasing mode of transport in the 21st century with simultaneously increasing emissions. Developments in carbon capture, electrolysis and synthetic fuel production technologies can provide carbon neutral alternative for fossil fuels production, including aviation fuel. Therefore, Power-to-Liquid technology should be utilized to an increasing extent. A widely studied form of Power-to-Liquid technology is Fischer-Tropsch synthesis in which CO and H2 are converted to hydrocarbons using a suitable catalyst. Fischer-Tropsch process with feedstock CO2 can be a solution for more environmentally friendly fuel production.

Literature review of this thesis introduces Fischer-Tropsch (FT) and Methanol-to-olefins with Mobil olefins to gasoline and distillate (MTO/MOGD) processes, compares them, and links them to synthetic aviation fuels. In the applied section, simulations of liquid hydrocarbon fuels via direct one-step and indirect two-step Fischer-Tropsch processes utilizing captured CO2 and renewable H2 as feedstock are provided in a scale of 1000 kg/h CO2 inflow. For comparison one-step FT with two reactors in line is simulated. Preliminary economical evaluations of the processes are also conducted and compared to MTO/MOGD.

The results show that all the simulated models are efficient at utilizing CO2. The overall conversions are 87%, 89% and 95% in two-step FT, one-step FT and two-reactor one-step, respectively. Capital investment costs of two-step FT, one-step FT and MTO/MOGD are quite similar to each other; 22.3 M€, 21.5 M€ and 25.1 M€, respectively. In this scale processes are not profitable, but the least negative gross profit is obtained from MTO/MOGD and the most negative is from one-step FT, even though it has the lowest cost of production. Further research target for one-step FT is its product distribution. Liquid hydrocarbon fractions of the products are 73% in two-step FT and 24% in one-step FT. Most of one-step FT products are gaseous hydrocarbons which are not as valuable as liquid hydrocarbons, resulting in the most negative gross profit of the processes. Catalyst optimization has a key role in FT processes for liquid fuels production.

Ilmailu on ollut kasvava matkustusmuoto 2000-luvulla, johtaen samanaikaisesti kasvaviin päästöihin. Hiilidioksidin talteenoton, veden elektrolyysin ja synteettisten polttoaineiden tuotantoteknologioiden kehitys voi tarjota hiilineutraalin vaihtoehdon fossiilisten polttoaineiden tuotannolle, siksi Power-to-Liquid teknologiaa tulisi hyödyntää yhä enemmän. Fischer-Tropsch-synteesi on laajasti tutkittu Power-to-Liquid teknologia, jossa hiilimonoksidi ja vety muunnetaan hiilivedyiksi sopivan katalyytin avulla. Fischer-Tropsch-prosessi raaka-aineenaan hiilidioksidi voi olla ratkaisu ympäristöystävällisempien polttoaineiden tuotantoon.

Tämän diplomityön kirjallisuusosassa esitellään Fischer-Tropsch (FT), sekä metanolista polttoaineiksi (MTO/MOGD) prosessit. Sovelletussa osassa simuloidaan nestemäisiä hiilivetyjä suoralla sekä kaksivaiheisella FT-prosessilla, joissa käytetään raaka-aineena talteen otettua hiilidioksidia sekä uusiutuvalla sähköllä tuotettua vetyä. Mittakaavana simuloinneissa on hiilidioksidin syöttö 1000 kg/h. Vertailun vuoksi simuloidaan lisäksi suora FT-prosessi, jossa on kaksi identtistä reaktoria peräkkäin. Lopuksi annetaan alustavat taloudelliset arviot simuloiduille FT-prosesseille sekä verrataan niitä MTO/MOGD prosessin kustannuksiin.

Tulokset osoittavat, että kaikki simuloidut prosessit hyödyntävät hiilidioksidia tehokkaasti kokonaiskonversioiden ollessa 87 % kaksivaiheisessa FT-prosessissa ja 89 % ja 95 % suorassa FT-prosessissa yhdellä ja kahdella reaktorilla. Kaksivaiheisen FT-prosessin, suoran FT-prosessin ja MTO/MOGD prosessin investointikustannukset ovat samaa suuruusluokkaa; 22.3 M€, 21.5 M€ ja 25.1 M€. Tällä mittakaavalla prosessit eivät kuitenkaan ole kannattavia. Vähiten negatiivinen myyntikate saadaan MTO/MOGD prosessilla ja negatiivisin suoralla FT-prosessilla, vaikka suoran FT-prosessin tuotantokustannukset ovatkin kaikkein alhaisimmat. Nestemäisten hiilivetyjen osuudet tuotteista ovat 73 % kaksivaiheisessa FT-prosessissa ja 24 % suorassa FT-prosessissa. Suurin osa suoran FT-prosessin tuotteista on kaasumaisia hiilivetyjä, jotka eivät ole yhtä arvokkaita kuin nestemäiset hiilivedyt, minkä takia suoran FT-prosessin myyntikate on alhaisin. Optimaalisen katalyytin löytäminen on avainasemassa FT-prosessien kehityksessä.