Feasibility of hydrogen production integrated to bio-oil upgrading process

Abstract

Bio-based pyrolysis oils are not directly suitable for use as transportation fuels or chemical feedstocks due to their high oxygen and water content, chemical instability, and corrosiveness. To improve their quality, several upgrading steps are required, most of which rely on hydrogen, particularly for hydrodeoxygenation. Reducing the use of fossil-based hydrogen in this process is crucial for improving sustainability and lowering emissions. This thesis investigates the feasibility of producing renewable hydrogen from the non-condensable by-product gases generated during the upgrading of pyrolysis oil and reintegrating that hydrogen back into the process.

The study focuses on four hydrogen production methods integrated into the upgrading process: traditional steam methane reforming (SMR), electrically heated steam reforming (eSMR), iron oxide redox cycling (Oxi-Red), and Combined Heat and Power (CHP). All scenarios also include electrolyse hydrogen as needed. Aspen Plus was used to simulate each process configuration at two industrial scales 25 000 and 50 000 t/year of bio-oil, and Excel was used for economic calculations.

Based on the simulation and economic analysis, Electrolysis emerges as the most cost-effective hydrogen production method during periods of zero- or low-priced electricity. Under these favourable conditions, particularly when the capital investment for the electrolyser is assumed to be low, the production cost of hydrogen can decrease to as low as 0,42 €/kg. However, in a mid-cost energy market scenario, electrolysis clearly loses its economic competitiveness compared to electrified steam methane reforming (eSMR). In the high-cost scenario, the strong energy sensitivity of Electrolysis becomes evident, making it a significantly more expensive method for hydrogen production.

eSMR combined with electrolysis remains consistently the most cost-effective and scalable solution across a wide range of scenarios. Under optimal conditions, such as zero electricity price, hydrogen production costs were as low as 0,55 €/kg. The configuration is particularly attractive due to its high hydrogen yield from off-gas, compatibility with renewable power, and low greenhouse gas emissions.

This indicates that hydrogen production can be effectively integrated into the pyrolysis oil upgrading process, improving both economic and environmental performance. Future research should prioritize pilot-scale demonstrations of the eSMR concept using renewable electricity.

Biopohjainen pyrolyysiöljy ei sellaisenaan sovellu liikennepolttoaineeksi tai kemianteollisuuden raaka-aineeksi korkean happi- ja vesipitoisuuden, kemiallisen epävakauden ja syövyttävyyden vuoksi. Näiden haittojen poistamiseksi öljy vaatii useita jalostusvaiheita, joista useimmat edellyttävät vedyn käyttöä, erityisesti hydrodeoksigenaatiossa. Fossiilipohjaisen vedyn korvaaminen uusiutuvalla vedyllä on keskeistä prosessin kestävyyden ja päästövähennysten kannalta. Tässä työssä tutkittiin mahdollisuutta tuottaa uusiutuvaa vetyä pyrolyysiöljyn jatkojalostuksessa syntyvistä ei-kondensoituvista sivukaasuista ja palauttaa tuotettu vety takaisin jalostusprosessiin.

Tutkimuksessa arvioitiin neljä vedyn tuotantomenetelmää osana jalostusprosessia: perinteinen höyryreformointi (SMR), sähköllä lämmitetty höyryreformointi (eSMR), rautaoksidien redox-sykli (Oxi-Red) ja CHP-yhteistuotanto. Kaikissa tapauksissa tarkasteltiin myös täydentävää vedyn tuotantoa elektrolyysillä. Prosessien simulointi tehtiin Aspen Plus -ohjelmistolla kahdessa teollisessa mittakaavassa 25 000 ja 50 000 t bio-öljyä vuodessa, ja taloudelliset laskelmat suoritettiin Excelissä.

Simulointiin ja taloudelliseen analyysiin perustuen elektrolyysi osoittautuu kustannustehokkaimmaksi vedyn tuotantomenetelmäksi silloin, kun sähkö on saatavilla nolla- tai alhaiseen markkinahintaan. Näissä suotuisissa olosuhteissa, erityisesti kun elektrolyyserin investointikustannus oletetaan matalaksi, vedyn tuotantokustannus voi laskea jopa 0,42 €/kg tasolle. Keskihintaisessa energiamarkkinaskenaariossa elektrolyysi kuitenkin menettää selvästi taloudellisen kilpailukykynsä sähköistettyyn metaanin reformointiin (eSMR) verrattuna. Korkean kustannustason tapauksessa elektrolyysin energiasensitiivisyys korostuu, mikä tekee siitä merkittävästi kalliimman tavan tuottaa vetyä.

eSMR yhdistettynä elektrolyysiin on johdonmukaisesti kustannustehokkain ja skaalautuvin ratkaisu eri skenaarioissa. Optimaalisissa olosuhteissa, kuten nollasähkön hinnalla, vedyn tuotantokustannus oli alimmillaan 0,55 €/kg. Ratkaisu soveltuu hyvin uusiutuvan sähkön hyödyntämiseen ja tarjoaa korkean vedynsaannon sekä alhaiset päästöt.

Tämä työ osoittaa, että vedyn tuotanto voidaan tehokkaasti integroida pyrolyysiöljyn jatkojalostusprosessiin, parantaen sekä taloudellista että ympäristöllistä suorituskykyä. Tulevaisuudessa tutkimuksen tulisi painottua eSMR-konseptin pilotointiin uusiutuvan sähkön hyödyntämiseksi.