Biosynteesikaasun tuotanto ja jalostus nestemäisiksi polttoaineiksi

Abstract

Ilmastonmuutos ja fossiilisista polttoaineista irtautuminen ovat olleet laajasti esillä viimeisten vuosien aikana. Ilmastotavoitteiden saavuttamiseksi, meidän tulisi luopua kokonaan fossiilipohjaisten polttoaineiden käytöstä. Vaikka fossiilisten polttoaineiden kulutus on vähentynyt huomattavasti viimeisten vuosikymmenten aikana energian tuotannossa, fossiilipohjaisia polttoaineita käytetään vielä merkittäviä määriä liikennepolttoaineina. Fossiilipohjaisien liikennepolttoaineiden korvaamiseksi biomassaa voidaan muuntaa termokemiallisesti erilaisiksi nestemäisiksi polttoaineiksi Fischer-Tropsch- ja metanolisynteesin avulla.

Tässä kandidaattityössä käsitellään biomassan termokemiallisia konversioprosesseja nestemäisten polttoaineiden tuottamiseksi. Käsiteltävät aiheet ovat biomassan kaasuttaminen synteesikaasuksi ja sen muuntaminen Fischer-Tropsch- ja metanolisynteesillä nestemäisiksi polttoaineiksi. Työssä verrataan Fischer-Tropsch- ja metanolisynteesillä tuotettujen polttoaineiden tuotantokustannuksia, laitoksien investointikustannuksia, konversioprosessien tehokkuutta sekä tuotetun polttoaineen kustannuksia fossiilipohjaisiin polttoaineisiin.

Biomassan muuntaminen termokemiallisesti nestemäisiksi polttoaineiksi ei ole tämänhetkisien tutkimuksien perusteella ole taloudellisesti kannattavaa. Biomassan muuntaminen nestemäisiksi polttoaineiksi oli tutkimuksien perusteella kannattavinta CFB-FT (Kiertoleijupeti-kaasutusreaktori – Fischer-Tropsch) laitoskompleksilla, jolla saatiin polttoaineen tuotantokustannukseksi 17,88 €/GJ. Vastaavasti fossiilipohjainen polttoaineen tuotantokustannukset olivat noin 16,4 €/GJ, jolloin Fischer-Tropsch polttoaineiden tuotantokustannukset olivat noin 10 % kalliimmat. Metanolin tuotantokustannuksiksi saatiin tutkimusten perusteella halvimmillaan 15,06 €/GJ ja vastaavasti fossiilipohjaisen metanolin tuotantokustannukset 5–12,6 €/GJ. Metanolin tuotanto on tutkimusten perusteella noin 20–200 % kalliimpaa. Työn perusteella biomassan muuntaminen olisi kannattavinta Fischer-Tropsch polttoaineiksi. BTL- (Biomass to liquid) laitokset vaativat taloudellista tukea, jotta biopohjaiset polttoaineet kykenevät kilpailemaan fossiilipohjaisten polttoaineiden kanssa.

Climate change and the transition away from fossil fuels have received significant attention in recent years. In order to meet climate targets, we must completely abandon the use of fossil fuels. Although the use of fossil fuels in energy production has decreased considerably over the past decades, large quantities of fossil-based fuels are still used in transportation sector. To replace fossil-based transportation fuels, biomass can be thermochemically converted into various liquid fuels using processes such as Fischer-Tropsch and methanol synthesis.

This bachelor's thesis focuses on the thermochemical conversion processes of biomass into liquid fuels. The topics covered include biomass gasification into synthesis gas and its conversion into liquid fuels via Fischer-Tropsch and methanol synthesis. The thesis compares the production costs of fuels produced through these processes, the investment costs of the required facilities, the efficiency of the conversion methods, and the cost of the produced fuel in comparison to fossil-based alternatives.

Based on current research, thermochemical conversion of biomass into liquid fuels is not currently economically viable. According to the studies, the most cost-effective approach was using a CFB-FT (Circulating Fluidized Bed – Fischer-Tropsch) plant complex, which achieved a fuel production cost of 17,88 €/GJ. In comparison, the production cost of fossil-based fuels was around 16,4 €/GJ, making Fischer-Tropsch fuels approximately 10 % more expensive. The production cost of methanol from biomass was assumed to be 15,06 €/GJ, while the cost of fossil-based methanol ranged from 5 to 12,6 €/GJ. Thus, producing methanol from biomass is about 20–200 % more expensive than using fossil sources. According to the findings of this thesis, the conversion of biomass is most economically feasible when used to produce Fischer-Tropsch fuels. BTL (Biomass to liquid) plants require financial support in order for bio-based fuels to compete with fossil-based alternatives.