Techno-economic assessment of scalable synthetic methane production in biogas plants

Abstract

This thesis investigates the integration of biological methanation into an existing anaerobic digestion facility to produce renewable synthetic methane (e-methane) via a power-tomethane system. The study combines an extensive literature review with a techno-economic case analysis of a brownfield integration project, where two process configurations are evaluated: one utilizing an upgraded CO2-rich stream (Scenario A), and the other employing raw biogas directly (Scenario B).

A mass and energy balance model, developed specifically for this case study, was used to assess process performance. This was combined with a financial evaluation incorporating capital expenditures (CAPEX), operational expenditures (OPEX), and the levelized cost of energy (LCOE). Scenario B demonstrated more favourable economic results, with a lower total CAPEX (86.6 MEUR vs. 91.6 MEUR in Scenario A) and a reduced LCOE (302 vs. 311 EUR/MWh, HHV). Sensitivity analyses revealed that electricity sourcing costs and plant availability exert the strongest influence on economic performance, while investment support schemes had a more limited impact.

Key challenges in the case study include limited access to stable renewable electricity and location-specific constraints such as land availability, the absence of a gas grid connection, and limited storage capacity for liquefied methane. Project viability can be enhanced through several technical and strategic opportunities, such as the use of waste heat from electrolyzers and biological methanation to improve energy efficiency. The system could accommodate hourly and daily variability in renewable electricity without compromising core process stability. A modular design with defined unit sizes enables scalable deployment and phased investment. Engagement with compliance-based carbon markets is essential for project feasibility, as it provides revenue and ensures alignment with climate policy obligations related to the distribution of renewable fuels. The thesis provides a strong foundation for the development of similar e-methane projects in other locations.

Tässä diplomityössä tutkitaan biologisen metanoinnin integrointia olemassa olevaan mädätyslaitokseen uusiutuvan synteettisen metaanin (e-metaani) tuottamiseksi power-tomethane- prosessin avulla. Työssä yhdistetään kirjallisuuskatsaus ja teknistaloudellinen analyysi Brownfield-integraatiosta, jossa biologisen metanoinnin syötteenä käytetään joko puhdistettua CO2-rikasta virtaa (Skenaario A) tai raakabiokaasua (Skenaario B).

Prosessin suorituskykyä arvioitiin tätä tapausta varten kehitetyn aine- ja energiatasemallin avulla. Taloudellinen arviointi sisältää laitoksen investointikustannukset (CAPEX), käyttökustannukset (OPEX) sekä tasoitetun tuotantokustannuksen (LCOE). Skenaario B osoittautui taloudellisesti edullisemmaksi, sen kokonaisinvestointikustannuksen ollessa matalampi (86.6 vs. 91.6 MEUR Skenaariossa A) ja LCOE:n ollessa alhaisempi (302 vs. 311 EUR/MWh, HHV). Herkkyysanalyysit osoittivat, että sähköhankinnan kustannukset ja laitoksen käyttöaste vaikuttavat eniten tuotantokustannustehokkuuteen, investointitukien vaikutuksen ollessa rajallisempi.

Tutkitussa tapauksessa tunnistetut keskeiset haasteet liittyvät rajalliseen vakaan uusiutuvan sähkön saatavuuteen sekä sijaintikohtaisiin rajoitteisiin, kuten tontin saatavuuteen, kaasun siirtoverkon puuttumiseen ja nesteytetyn metaanin varastointikapasiteetin rajallisuuteen. Projektin toteutettavuutta voitaisiin parantaa teknisstrategisilla keinoilla, kuten elektrolyysin ja biologisen metanoinnin hukkalämmön hyödyntämisellä. Järjestelmä kykenee hyödyntämään uusiutuvaa sähköä, vaikka sen saatavuus vaihtelisi tunneittain tai päivittäin, ilman että ydinprosessien vakaus vaarantuu. Moduuleista koostuva järjestelmä mahdollistaa skaalautuvan toteutuksen ja vaiheittaisen investoinnin. Osallistuminen sääntelyperusteisille hiilimarkkinoille on toteutettavuuden kannalta keskeistä, sillä se tarjoaa tulovirtaa ja tukee uusiutuvia polttoaineita koskevien ilmastosääntelyjen täyttämistä. Työ tarjoaa vahvan perustan vastaavien e-metaanihankkeiden kehittämiselle myös muissa sijainneissa.