Electrofuel production routes and costs In Europe until 2030

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2021-12-14
Department
Major/Subject
Biomass Refining
Mcode
CHEM3021
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
77 + 9
Series
Abstract
The transport sector emits more than 25% of the global anthropogenic CO2 emissions. While the mitigation of GHG emissions has been on the EU’s agenda for decades, and the use of renewable energy has been promoted by policies, further action is needed to reach carbon neutrality in the European context by 2050. Electrofuels, produced from renewable electricity and captured CO2, are seen as a promising and theoretically unlimited option to produce low-carbon transportation fuels in the long term, especially for sectors that are difficult to decarbonize by other means, including aviation and maritime transport. While electrofuels are not currently a cost-competitive fuel option for such segments, the European Commission is considering an electrofuel blending obligation to ensure the roll-out of electrofuels and related technology development. The objective of the thesis was to model production costs and greenhouse gas emissions of the selected e-fuels in Europe until 2030. The developed model was an Excel-based calculation tool, which combined expertise from the referenced literature with internal AFRY estimates. A comprehensive analysis of all examined technologies, including methane, methanol, gasoline, and FT-synthesis, was performed in three European countries: Germany, Norway, and Finland. The current status of technologies was selected as the base for the analysis of which results were employed in a sensitivity analysis. Sensitivity analysis was used to model the development of production cost levels by 2030, in which the most critical variables affecting production costs were changed to reflect available development projections. The results showed that the modeled e-fuels have multiple times higher production costs than the renewable and fossil fuels currently on the market with a projected 20-30% decrease by 2030. In 2030, e-methane and e-methanol had the lowest production costs of around 2 000 EUR/toe, while the production costs of e-gasoline and e-FT-liquids was around 3 200 EUR/toe. High utilization rate, low-cost electricity, a decrease of CAPEX by investment grants, and technological development were found critical factors in impacting the production cost levels. Greenhouse gas savings generated were on a similar level to the savings generated by biofuels depending on the GHG calculation methodology. The e-fuels may not need to achieve similar cost levels to their biofuel counterparts in the coming decades. E-fuels should be directed to the transport modes like aviation which are unable to utilize other energy sources like electricity and hydrogen. The technologies are mature enough to pursue commercial-scale production by 2030, but political incentives are required to attract investments and eventually drive down the production costs of e-fuels.

Globaalisti katsottuna liikenne tuottaa yli 25% antropogeenisistä hiilidioksidipäästöistä. Vaikka kasvihuonekaasupäästöjen vähentäminen on ollut EU:n asialistalla vuosikymmeniä ja uusiutuvan energian käyttöä on edistetty politiikoilla, uusiutuvien vaihtoehtojen rajoitetun tarjonnan vuoksi tarvitaan lisätoimia hiilineutraaliuden saavuttamiseksi Euroopan tasolla vuoteen 2050 mennessä. Uusiutuvaa sähköä ja talteen otettua hiilidioksidia pidetään lupaavana vaihtoehtona tuottaa hiilineutraaleja liikennepolttoaineita liikennesegmenteille, joiden hiili-intensiivisyyttä on vaikeaa vähentää muilla keinoilla, kuten lento- ja laivaliikenne. Vaikka sähköpolttoaineet eivät ole kustannus-tehokas polttoainevaihtoehto tällä hetkellä, Euroopan komissio suunnittelee sähköpolttoaineiden sekoittamisvelvollisuutta sähköpolttoaineiden käyttöönoton ja teknologian kehittämisen varmistamiseksi. Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli mallintaa valittujen sähköpolttoaineiden tuotantokustannukset ja kasvihuonekaasupäästöt Euroopassa vuoteen 2030 asti. Valitut teknologiat sisälsivät metaani-, metanoli-, bensiini- ja FT-synteesit. Kehitetty malli oli Excel-pohjainen laskentatyökalu, joka yhdisti kirjallisuuden arvioita ja AFRYn sisäistä asiantuntemusta. Tuotantokustannusanalyysi tehtiin kolmessa Euroopan maassa: Saksassa, Norjassa ja Suomessa, jonka perustana toimi nykyhetki. Tuotantokustannuskehitystä 2030 mennessä mallinnettiin herkkyysanalyysillä, jossa tärkeimpien kustannuksiin vaikuttavien muuttujien kehitys perustuu julkisiin kehitysennusteisiin. Tulokset osoittavat, että mallinnetuilla sähköpolttoaineilla on useita kertoja korkeammat tuotantokustannukset kuin tällä hetkellä markkinoilla olevilla uusiutuvilla ja fossiilisilla polttoaineilla, ja ne laskevat arvion mukaan 20-30 % vuoteen 2030 mennessä. Vuonna 2030 alhaisimmat tuotantokustannukset olivat e-metaanilla ja e-metanolilla, noin 2 000 euroa/toe, kun taas e-bensiinin ja e-FT-nesteiden tuotantokustannukset olivat noin 3 200 euroa/toe. Tuotantokustannustasoon vaikuttaviksi kriittisiksi tekijöiksi todettiin käyttöaste, sähkön hinta sekä investointikustannukset. Kasvihuonekaasujen säästöt olivat samalla tasolla kuin biopolttoaineiden säästö riippuen taustaoletuksista. Sähköpolttoaineiden ei välttämättä tarvitse tulevina vuosikymmeninä saavuttaa samaa biopolttoaineiden kustannustasoa. Sähköpolttoaineet tulee ohjata niihin lentoliikenteen kaltaisiin liikennemuotoihin, jotka eivät pysty hyödyntämään muita energialähteitä, kuten sähköä ja vetyä. Teknologiat ovat riittävän kypsiä kaupallisen mittakaavan tuotantoon vuoteen 2030 mennessä, mutta tarvitaan poliittisia kannustimia investointien houkuttelemiseksi ja lopulta sähköpolttoaineiden tuotantokustannusten alentamiseksi.
Description
Supervisor
Larmi, Martti
Thesis advisor
Rautio, Taneli
Keywords
electrofuels, e-methane, e-methanol, e-gasoline, e-diesel, production cost
Other note
Citation