Technical evaluation of three Power-to-X process concepts on existing industrial site

Abstract

In the thesis, three Power-to-X production technologies were evaluated in the context of Helsinki’s Vuosaari industrial area. The three chosen Power-to-X technologies were, Power-to-Methanol, Power-to-E-Methane and Power-to-Biomethane. All of these production chains were dimensioned based on a 100 MW electrolyser plant with the down-stream synthesis plant utilizing the produced hydrogen stream in its entirety. The chosen electrolysis technologies were AEL and SOEC with the synthesis technologies being catalytic methanol synthesis, high temperature methane synthesis and biological methanation.

Modelling of these process concepts was carried out in Aspen Plus with process conditions and configurations being obtained from literature sources of the most common commercially available processes. The thesis also compared the results of previous research into the subject with focus being on the future demand scenarios of these technologies, the waste heat utilisation possibilities, dynamic operation characteristics and the common levelized cost of producing these synthesis products.

The thesis results show that the evaluated process concepts are highly energy demanding with the efficient operation of these processes requiring multiple heating and cooling stages. The findings of the thesis indicate that heating and cooling integration of the processes is crucial for the energy efficient operation of these processes. It was also found that a district heating network could not completely provide the necessary cold utility for process cooling. This underscoring the need for a separate technology to provide cold utility for process cooling, such as a heat pump.

Diplomityössä tutkittiin kolmea eri vetyä hyödyntävää Power-to-X kokonaistuotantokonseptia Helsingin Vuosaaren teollisuusalueella. Kolme valittua Power-to-X teknologiaa olivat Power-to-Methanol, Power-to-E-Methane ja Power-to-Biomethane. Kaikki näistä kokonaistuotantokonsepteista perustuivat 100 MW elektrolyyseritehoiseen vedyn tuotantolaitokseen, jonka tuottaman vedyn synteesilaitokset kuluttivat kokonaisuudessaan. Valitut vedyn tuotantoteknologiat olivat AEL ja SOEC, synteesiteknologioiden ollen katalyyttinen metanolin tuotanto, korkealämpöinen metaanin synteettinen tuotanto sekä hiilidioksidin biometanointi.

Näiden prosessien tekninen mallinnus toteutettiin Aspen Plus-ohjelmistolla. Prosessiarvot ja prosessin virtauskaavio kerättiin kirjallisuuslähteistä, joissa näiden prosessien yleisimpiä kaupallisesti saatavilla olevia muotoja tutkittiin. Työssä myös verrattiin aikaisempien tutkimusten tuloksia synteesituotteiden tulevaisuuden kysynnän kasvusta, prosessin hukkalämmön hyödyntämisen mahdollisuuksista, dynaamisen operoinnin mahdollisuudesta, ja yleisimmistä synteesituotteiden tuotantokustannuksista.

Tutkimuksen tulokset osoittavat, että tutkitut tuotantokonseptit ovat energiaa vaativia prosesseja, joiden energiatehokas suunnittelu ja käyttö vaatii useita lämmittäviä ja jäähdyttäviä energiavirtoja. Tulokset osoittavat myös, että prosessien lämpö- ja jäähdytysintegraatio on välttämätöntä energiatehokkaan tuotantokonseptin muodostamiseksi. Tuloksista todettiin myös, että nykyaikainen kaukolämpöverkko ei pysty lämpötilatasojen takia tarjoamaan tarvittavaa jäähdytysmahdollisuutta prosesseille. Tämä korostaa erillisen jäähdytystä tuottavan laitteiston, kuten lämpöpumpun, tarvetta tarvittavan matalalämpötilaisen jäähdytyksen tuottamiseksi.