Techno-economic analysis of a power-and-biomass-to-methanol process

Abstract

The defossilization of the chemical sector drives the development of Power-to-X (PtX) and Biomass-to-X (BtX) technologies. However, PtX is constrained by the development of carbon capture technologies and is reliant on electricity prices, while BtX suffers from carbon inefficiencies. This thesis evaluates the techno-economic viability of a hybrid Power-and-Biomass-to-Methanol (PBtMeOH) process designed to mitigate these limitations. This study uses Aspen Plus and MATLAB Simulink for process simulation, which serves as the basis for financial modeling and sensitivity analysis. These analyses are applied to two plant configurations within a -15% to +30% accuracy range. In scenario A, the electrolysis system is dimensioned based on oxygen demand, whereas in scenario B, it is dimensioned based on the process's hydrogen demand.

The results indicate that the PBtMeOH process is not currently economically competitive with fossil-based methanol. The Levelized Cost of Fuel (LCOF) ranges from 738 to 751 €/t, exceeding the methanol market price of ~318 €/t. Sensitivity analysis shows that no single factor can bridge this gap, requiring combined production cost reductions and external carbon pricing. However, recent inflation of standard process equipment relative to electrolyzers has narrowed the economic gap between renewable pathways. Technical analysis reveals that prioritizing methanol yield while using excess process heat for district heating significantly lowers the LCOF. While current conditions favor hybrid systems, long-term viability remains uncertain. Future research should assess electrolyzer flexibility under volatile power prices, the carbon-reduction potential of renewable pathways, further process optimization, and the updating of economic data from previous studies.

Kemianteollisuuden dekarbonisaatio ajaa sähkö- (PtX) ja biomassapohjaisten (BtX) teknologioiden kehitystä. PtX-teknologiaa rajoittavat hiilidioksidin talteenoton kehitysaste ja riippuvuus sähkön hinnasta, kun taas BtX-prosessit kärsivät alhaisesta hiilenkäytön hyötysuhteesta. Tässä diplomityössä arvioidaan sähköä ja biomassaa hyödyntävän hybridiprosessin (PBtMeOH) teknis-taloudellista kannattavuutta. Työssä käytetään Aspen Plus- ja MATLAB Simulink -sovelluksia prosessisimuloinnin tekemiseen. Mallia käytetään taloudellisen laskennan ja herkkyysanalyysin pohjana. Analyysi tehdään kahdella eri laitoskonfiguraatiolla tarkkuusluokan ollessa -15 %:sta +30 %:iin. Skenaariossa A elektrolyysijärjestelmä mitoitetaan prosessin hapentarpeen perusteella, kun taas skenaariossa B mitoitus perustuu prosessin vedyntarpeeseen.

Tulokset osoittavat, että PBtMeOH-prosessi ei ole tällä hetkellä taloudellisesti kilpailukykyinen fossiilisen metanolin kanssa. Polttoaineen omakustannushinta (LCOF) on 738–751 €/t, mikä ylittää selvästi fossiilisen metanolin ~318 €/t:n markkinahinnan. Herkkyysanalyysin mukaan mikään yksittäinen tekijä ei pysty tekemään prosessista kilpailukykyistä, vaan se vaatii sekä kokonaisvaltaista tuotantokustannusten alentamista että ulkoista hiilidioksidipäästöjen hinnoittelua. Perinteisten prosessilaitteiden viimeaikainen inflaatio suhteessa elektrolyysereihin on kuitenkin kaventanut uusiutuvien tuotantotapojen välisiä kustannuseroja. Tekninen analyysi paljastaa, että metanolisaannon priorisointi ja prosessin hukkalämmön hyödyntäminen kaukolämpönä laskevat LCOF-arvoa merkittävästi. Vaikka nykyiset olosuhteet suosivat hybridijärjestelmiä, pitkän aikavälin kannattavuus on epävarmaa. Jatkotutkimuksissa tulisi tutkia elektrolyysilaitteiston joustavuutta vaihtelevilla sähkön hinnoilla, uusiutuvien tuotantopolkujen CO₂-päästöjen vähennyspotentiaalia, prosessin jatko-optimointia ja päivittää aiemmista tutkimuksista saatua taloudellista dataa.