Comparing alternative ways of quantifying climate impacts of power-to-x products via carbon capture and utilization : carbon footprint calculations for power-to-methanol and power-to-HDPE

Abstract

This master’s thesis was conducted for St1 Oy as part of a wider collaboration with two other companies, Metsä Group and Afry, and their respective thesis workers. The master’s thesis examines power-to-X via carbon capture and utilization (CCU) from the perspective of climate impacts and studies how different methods of quantifying climate impacts suit power-to-X products, and how do the methods differ.

The literature part of the Master's thesis examines CCU from a carbon neutrality perspective, the current regulatory field at the European Union (EU) level as well as the life cycle stages and technologies of power-to-X systems. The work also covers life cycle assessment (LCA) guidelines and their suitability for CCU.

The emission calculations of the thesis were conducted for two products made of carbon dioxide: methanol and HDPE plastic. The calculations were made for both products using both fossil and biogenic carbon dioxide. In addition to calculating the cradle-to-grave carbon footprint, system expansions were conducted in order to determine the overall emission reduction and avoided emissions of the CCU system.

The thesis found that CCU products can achieve emission reductions and help to avoid emissions regardless of the source of carbon dioxide. The method of quantifying emissions should always be chosen to be the one that is best suited for the purpose of the calculation. From a decision-making point of view, omittance of life cycle stages can lead to misleading results and system expansion should be used to determine the emission reductions and avoided emissions achieved because of the CCU system

Tämä diplomityö tehtiin St1 Oy:lle osana yhteistyötä kahden muun yrityksen, Metsä Groupin ja Afryn, ja heidän diplomityöntekijöidensä kanssa. Diplomityö käsittelee power-to-X teknologioita, joissa käytetään hiilidioksidin talteenottoa ja hyödyntämistä (CCU) ilmastovaikutusten näkökulmasta. Työssä tutkitaan miten erilaiset ilmastovaikutusten kvantifiointitavat soveltuvat CCU tuotteille, ja miten nämä eroavat toisistaan.

Diplomityön kirjallisuusosuus tutkii CCU:ta hiilineutraalius näkökulmasta, nykyistä sääntelykenttää Euroopan Unionin (EU) tasolla, sekä power-to-X systeemien elinkaaren vaiheita ja näiden teknologioita. Työssä käydään läpi myös elinkaarimallinnuksen (LCA) ohjeistuksia ja näiden soveltuvuutta CCU tuotteille.

Diplomityössä on laskettu päästöjä kahdelle hiilidioksidista valmistetulle tuotteelle: metanolille sekä HDPE-muoville. Laskennat tehtiin molemmille tuotteille sekä hyödyntämällä fossiilista, että biogeenistä hiilidioksidia. Kehdosta hautaan rajatun hiilijalanjäljen laskennan lisäksi tuotteille suoritettiin systeemin laajennukset, päästövähennyksen sekä vältettyjen päästöjen arvioimiseksi.

Työssä havaittiin, että CCU-tuotteet voivat saavuttaa päästövähennyksiä sekä auttaa välttämään päästöjä hiilidioksidin lähteestä riippumatta. Päästöjen kvantifiointitavan tulisi aina soveltua laskennan tarkoitukseen. Päätöksenteon näkökulmasta elinkaaren vaiheiden jättäminen ulos voi johtaa harhaanjohtaviin tuloksiin. Systeemin laajennuksella pystytään selvittämään CCU-systeemin ansiosta saavutetut päästövähennykset ja vältetyt päästöt.