Technical and economic feasibility study of different designs in Power-to-Gas plants
Hollo, Tuure (2023)
Diplomityö
2023
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023061655866
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023061655866
Tiivistelmä
The purpose of this study is to investigate the construction of a possible Power to Gas (PtG) plant adjacent to an existing waste-to-energy plant. The research primarily focuses on the production of hydrogen, including construction and profitability issues, as well as the processes involved in producing methane using the required hydrogen and CO₂ streams.
A comprehensive energy and mass balance simulation has been conducted to support the study, enabling a comparison of alternatives to produce hydrogen, methane, and carbon dioxide from a process engineering standpoint. Additionally, various benefits and drawbacks of electrolysis equipment have been investigated and compared, considering different areas of profitability.
The study first compares energy and mass balances, and then uses a literature review to obtain further information to support the comparison. By comparing mainly three types of electrolysis equipment, a suitable system is selected from a process engineering perspective, as well as economically. It is assumed that the most efficient or technically suitable equipment may not necessarily be the cheapest or best option.
The conclusions of the study suggest that constructing a PtG plant on a small scale to be profitable is still challenging, although the goal is to increase the use of hydrogen at the EU and Finnish levels. With the help of current and new regulations, as well as technological development, the construction of the plant will become more profitable in the future. Based on this study, the best combination for a small-scale PtG plant in Finland is to use PEM electrolysis, biological methanation, and monoethanolamine CO₂ capture from the flue gas. The simulation model built to support the study is a functional and versatile tool for the initial design of a PtG plant. Tämän työn tarkoitus on tutkia mahdollisen Power to Gas (PtG) laitoksen rakentamista olemassa olevan jätevoimalaitoksen yhteyteen. Tutkimus pureutuu pääosin vedyn tuotantoon liittyviin prosessiteknisiin- ja kannattavuusongelmiin, sekä osaltaan metaanin valmistusta varten tarvittavien vety ja hiilidioksidi virtojen prosesseihin.
Tutkimuksen tueksi on tehty kokonaisvaltainen energia- ja ainetasesimulointi, jonka avulla on pystytty vertailemaan vaihtoehtoja vedyn, metaanin ja hiilidioksidin tuotannolle prosessiteknisesti. Tämän lisäksi on tutkittu ja vertailtu elektrolyysilaitteiden erilaisia hyötyjä ja haittoja ottaen huomioon kannattavuuden eri osa-alueet.
Tutkimus on toteutettu ensin kirjallisuuskatsauksen perusteella löytyvän päivitetyn tiedon laatimiseen tutkimuksen pohjalle ja vertailun tueksi. Tämän jälkeen on tehty energia- ja massataseiden vertailua. Kolmenlaisia elektrolyysilaitteita vertailemalla päädytään valitsemaan sopiva laitteisto prosessiteknisesti, sekä erikseen myös taloudellisesti. Oletuksena on, että parhaimman hyötysuhteen tai teknisesti parhaiten soveltuva laitteisto ei välttämättä ole halvin tai paras vaihtoehto.
Tutkimuksen päätelmistä voi todeta, että PtG laitoksen rakentaminen pienessä mittakaavassa kannattavaksi on edelleen hankalaa, vaikka tavoite on saada vedyn käyttö kasvamaan EU sekä Suomen tasolla. Nykyisten ja uusien säädöksien, sekä teknologisen kehityksen avulla tulevaisuudessa laitoksen rakentamisesta tulee kannattavampaa. Pienen mittakaavaan PtG laitos Suomessa on tämän tutkimuksen nojalla paras yhdistää PEM elektrolyysiin, biologiseen metanointiin, sekä monoetanolamiini hiilidioksidin kaappaukseen savukaasuista. Tutkimuksen tueksi rakennettu simulaatio malli on toimiva ja monipuolinen apu PtG laitoksen alkuvaiheen suunnitteluun.
A comprehensive energy and mass balance simulation has been conducted to support the study, enabling a comparison of alternatives to produce hydrogen, methane, and carbon dioxide from a process engineering standpoint. Additionally, various benefits and drawbacks of electrolysis equipment have been investigated and compared, considering different areas of profitability.
The study first compares energy and mass balances, and then uses a literature review to obtain further information to support the comparison. By comparing mainly three types of electrolysis equipment, a suitable system is selected from a process engineering perspective, as well as economically. It is assumed that the most efficient or technically suitable equipment may not necessarily be the cheapest or best option.
The conclusions of the study suggest that constructing a PtG plant on a small scale to be profitable is still challenging, although the goal is to increase the use of hydrogen at the EU and Finnish levels. With the help of current and new regulations, as well as technological development, the construction of the plant will become more profitable in the future. Based on this study, the best combination for a small-scale PtG plant in Finland is to use PEM electrolysis, biological methanation, and monoethanolamine CO₂ capture from the flue gas. The simulation model built to support the study is a functional and versatile tool for the initial design of a PtG plant.
Tutkimuksen tueksi on tehty kokonaisvaltainen energia- ja ainetasesimulointi, jonka avulla on pystytty vertailemaan vaihtoehtoja vedyn, metaanin ja hiilidioksidin tuotannolle prosessiteknisesti. Tämän lisäksi on tutkittu ja vertailtu elektrolyysilaitteiden erilaisia hyötyjä ja haittoja ottaen huomioon kannattavuuden eri osa-alueet.
Tutkimus on toteutettu ensin kirjallisuuskatsauksen perusteella löytyvän päivitetyn tiedon laatimiseen tutkimuksen pohjalle ja vertailun tueksi. Tämän jälkeen on tehty energia- ja massataseiden vertailua. Kolmenlaisia elektrolyysilaitteita vertailemalla päädytään valitsemaan sopiva laitteisto prosessiteknisesti, sekä erikseen myös taloudellisesti. Oletuksena on, että parhaimman hyötysuhteen tai teknisesti parhaiten soveltuva laitteisto ei välttämättä ole halvin tai paras vaihtoehto.
Tutkimuksen päätelmistä voi todeta, että PtG laitoksen rakentaminen pienessä mittakaavassa kannattavaksi on edelleen hankalaa, vaikka tavoite on saada vedyn käyttö kasvamaan EU sekä Suomen tasolla. Nykyisten ja uusien säädöksien, sekä teknologisen kehityksen avulla tulevaisuudessa laitoksen rakentamisesta tulee kannattavampaa. Pienen mittakaavaan PtG laitos Suomessa on tämän tutkimuksen nojalla paras yhdistää PEM elektrolyysiin, biologiseen metanointiin, sekä monoetanolamiini hiilidioksidin kaappaukseen savukaasuista. Tutkimuksen tueksi rakennettu simulaatio malli on toimiva ja monipuolinen apu PtG laitoksen alkuvaiheen suunnitteluun.