Techno-economic assessment of biogenic CO₂ capture and utilisation from pulp and paper industry in Power-to-X sector

Abstract

Finnish forest industry generates substantial amounts of biogenic carbon dioxide, which provides a valuable feedstock for Power-to-X sector, e.g. in the production of e-fuels. The aim of this thesis was to investigate how biogenic CO₂ from the pulp and paper industry can be integrated into PtX processes, what the levelised cost of e-fuels will be and what does the cost structure looks like, and under which techno-economic conditions the concept can be competitive with fossil alternatives. Two fuels are examined: methanol and methane.

The literature review part of the thesis describes the main features of pulp production and identifies the process stages in which CO₂ emissions are generated. The PtX value chain, as well as the associated hydrogen production and CO₂ capture technologies are presented. Overall, this study seeks to highlight the various opportunities that the PtX sector offers for the Finnish forest industry. Results were obtained through levelised cost calculations, sensitivity analysis and multivariable solver tool.

E-fuel cost structure is dominated by the electricity price, hydrogen production costs and CO₂ capture. The price difference between e-methanol and its fossil benchmark is 182–266 €/t, and for e-methane 1995–2165 €/t. Thesis concludes that cost parity is in principle achievable under certain conditions: low-cost electricity must be available, high electrolyser full-load hours must be maintained, and the by-product streams from production must be effectively utilised. From strategic perspective, PtX integration can be framed as a portfolio diversification that offsets weakening demand for conventional products while leveraging existing mill infrastructure.

Suomen metsäteollisuus tuottaa merkittäviä määriä biogeenistä hiilidioksidia. Tämä on arvokas raaka-aine Power-to-X sektorilla, esimerkiksi sähköpolttoaineiden valmistuksessa. Työn tavoitteena oli tutkia kuinka sellu- ja paperiteollisuuden biogeeninen hiilidioksidi voidaan integroida PtX-prosesseihin, millaiseksi sähköpolttoaineiden tasoitettu polttoainekustannus muodostuu ja millainen on sen kustannusrakenne sekä millaisissa teknistaloudellisissa olosuhteissa ratkaisu voi olla kilpailukykyinen fossiilisiin vaihtoehtoihin verrattuna. Työssä on tarkastelussa kaksi polttoainetta, metanoli ja metaani.

Työn kirjallisessa osiossa kuvataan sellun tuotannon yleispiirteet ja näytetään missä prosesseissa nämä hiilidioksidipäästöt syntyvät. PtX arvoketju, sekä siihen liittyvä vedyn tuotanto ja hiilidioksidin talteenotto teknologiat esitellään. Yleisesti työ pyrkii tuomaan esiin PtX sektorin erilaiset mahdollisuudet suomalaiselle metsäteollisuudelle. Työn tulokset saatiin tasoitettujen kustannuslaskelmien ja herkkyysanalyysin, sekä monimuuttuja solver-työkalun avulla.

Kustannuksia dominoi sähköhinta, vedyn tuotannon kulut, sekä hiilidioksidin talteenotto. Metanolin hintaero fossiiliseen verrokkiin on 182 – 266 €/t ja Metaanin ero 1995 – 2165 €/t. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että kustannuspariteetti on mahdollista saavuttaa tietyin teknistaloudellisin ehdoin. Halpaa sähköä täytyy olla saatavilla, elektrolyyserin käyttöaste on pidettävä korkealla tasolla sekä tuotannon sivuvirrat on hyödynnettävä mahdollisimman tehokkaasti. Strategisesta näkökulmasta ajatellen, PtX-integraatio voidaan mieltää portfolion laajentamisena, joka tasapainottaa perinteisien tuotteiden heikkenevää kysyntää ja hyödyntää samalla olemassa olevaa tehdasinfrastruktuuria.