Fuel fractions derived from biochar through the direct coal liquefaction process

Abstract

This thesis evaluates the technical and economic feasibility of utilizing biochar as feedstock for direct coal liquefaction (DCL) process for sustainable transportation liquid fuel production. While DCL process has been utilized for conversion of fossil coal in the past it serves as interesting route to achieve sustainable liquid fuels if biomass-derived feedstock is used. The thesis combines literature review with technical and economic analyses to determine the biochar-based DCL process viability under current market conditions. A mass balance calculation and investment analysis for a 100.000 ton per year (biochar input) production facility reveal favorable economics. Sensitivity analyses demonstrate that the process maintains profitable when final product price is minimum 2,000 €/t. The thesis further evaluates how hydrogen economics and biochar markets could affect long-term viability. Alternative high-value end applications for liquid products are explored. Comparative analysis with Fischer-Tropsch technology indicates that biochar-based DCL process offers potential advantages and topics to further study. The thesis recommends to further study the process via pilot-scale validation. Key technical parameters identified for viability include achieving at least 33% conversion yield from biochar to liquid fuel as well as managing hydrogen consumption as one of the major variable cost element.

Tässä diplomityössä arvioidaan biohiilen hyödyntämisen teknistä ja taloudellista toteutettavuutta suoran hiilen nesteytysprosessin (DCL) raaka-aineena kestävän liikenteen nestemäisten polttoaineiden tuotannossa. Vaikka DCL-prosessia on käytetty aiemmin fossiilisen hiilen muuntamiseen, se on mielenkiintoinen reitti kestävien nestemäisten polttoaineiden saavuttamiseksi, jos käytetään biomassaperäistä raaka-ainetta. Diplomityö yhdistää kirjallisuuskatsauksen teknisiin ja taloudellisiin analyyseihin biohiileen perustuvan DCL-prosessin kannattavuuden määrittämiseksi nykyisessä markkinatilanteessa. Massataselaskenta ja investointianalyysi 100 000 tonnin (biohiilen määrä raaka-aineena) tuotantolaitokselle osoittavat suotuisan talouden. Herkkyysanalyysit osoittavat, että prosessi säilyttää kannattavuuden, kun vetykustannukset, biohiilen kustannukset ja tuotesaanto ovat kohtuullisella alueella. Diplomityössä arvioidaan edelleen, miten vetytalous ja biohiilimarkkinat voivat vaikuttaa pitkän aikavälin elinkelpoisuuteen. Vaihtoehtoisia korkea-arvoisia loppusovelluksia nestemäisille tuotteille tutkitaan. Vertaileva analyysi Fischer-Tropsch-tekniikalla osoittaa, että biohiileen perustuva DCL-prosessi tarjoaa potentiaalisia etuja ja aiheita jatkotutkimukselle. Diplomityössä suositellaan prosessin jatkamista pilottimittakaavan validoinnin kautta. Kannattavuuden kannalta tärkeimmät tekniset parametrit ovat vähintään 33 % tuotesaanto biohiilestä nestemäiseksi polttoaineeksi sekä vedyn kulutuksen hallinta yhtenä tärkeimmistä muuttuvista kustannuksista.