Key performance metrics of Power-To-Methanol : a techno-economic study

Abstract

Power-To-X plants act as a promising approach to deal with the ever-rising CO₂ emissions by utilizing waste CO₂ through carbon capture and H2 via electrolysis-based hydrogen production as feed inputs to produce commodity chemicals such as methanol. As a simple, yet versatile liquid energy carrier, methanol acts as a building block with various usages in the Chemical and Energy industries. By substituting existing fossil fuel derived methanol production with green methanol, major cuts in the industry’s CO₂ emissions could be achieved. As methanol already has an established mass production, storage and distribution infrastructure, a techno-economical assessment of Power-To-Methanol is needed for cost estimation and feasibility evaluation.

This thesis entails a comprehensive literature review including of theoretical analysis of low emission methanol, discussion and comparison of production technologies and methods as well as techno-economic review including capital expenditure (CAPEX) and operating expenditure (OPEX) cost estimations. Applied part consists of collected plant parameters and process responses for aforesaid technologies and methods.

As a result, this work provides key performance plant indicators extracted from different literature sources in table form for the future development of rapid tools for cost estimations through statistical correlations or neural networks. Review of current technological process alternatives was conducted and the collected parameters allowed for a better understanding of the state of current Power-To-Methanol production. Currently negative net CO₂ emissions are achieved, and economically feasible operation could be accomplished through further reduction of costs via research and development on electrolysis, CO₂ capture and catalysts while ever increasing the availability of cheap renewable energy.

Power-To-X laitokset tarjoavat lupaavan tavan yhä kasvavien CO₂ päästöjen hallitsemiseen hyödyntämällä hukka CO₂ sen talteenoton kautta yhdessä elektrolyysillä tuotetun vedyn kanssa syöttövirtoina peruskemikaalien kuten metanolin valmistuksessa. Yksinkertaisena mutta monipuolisena nestemäisenä energiankantajana metanoli toimii rakennuspalikkana energia- ja kemianteollisuudessa. Korvaamalla olemassa oleva fossiilipohjainen metanolintuotanto vihreällä metanolilla, voidaan tällä sektorilla saavuttaa merkittäviä CO₂ päästövähennyksiä. Koska metanolintuotannolla on olemassa oleva massatuotanto, varastointi- ja jakeluinfrastruktuuri, teknistaloudellinen arvio tarvitaan Power-To-Metanoli tuotannon kustannus- ja kannattavuusarviointia varten.

Tämä opinnäytetyö sisältää laajan kirjallisuuskatsauksen, mikä kattaa teoreettisen analyysin matalapäästöisestä metanolintuotannosta, tuotantoteknologioiden ja -menetelmien vertailun sekä teknillisekonomisen arvioinnin kattaen pääomakustannusten (CAPEX) sekä käyttökustannusten (OPEX) arvion. Soveltava osuus koostuu kerätyistä laitosten parametreistä ja prosessivasteista edellä käsitellyille teknologioille sekä menetelmille.

Lopputuloksena työ tarjoaa tuotantolaitosten avainindikaattoreita kerättynä eri kirjallisuuslähteistä taulukkomuodossa mahdollistaen tulevaisuudessa nopeiden tilastollisia korrelaatioita tai neuroverkkojen hyödyntävien kustannusarviotyökalujen kehityksen. Nykyisten teknologisten prosessivaihtoehtojen tarkastelu ja kerätyt parametrit mahdollistivat syvemmän ymmärryksen nykyisestä Power-To-Metanoli tuotannon tilasta. Tällä hetkellä tuotanto saavuttaa negatiiviset nettohiilidioksidipäästöt, ja tulevaisuudessa taloudellinen kannattavuus saavutetaan edelleen alentamalla kuluja elektrolyysiin, hiilidioksidin talteenottoon sekä katalyytteihin liittyvän tutkimuksen ja kehityksen avulla sekä yhä lisäämällä edullisen uusiutuvan energian saatavuutta.