Kriittinen näkökulma hiilidioksidin raaka-ainekäyttöön metanolin valmistuksessa
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2019-05-06
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Energy Technology (EEN)
Language
fi
Pages
50
Series
Abstract
Power-to-methanol on energian varastointiteknologia ja keino hillitä ilmastonmuutosta. Teknologiassa uusiutuvaa energiaa hyödynnetään veden elektrolyysissä, josta muodostuvaa vetyä käytetään metanolisynteesissä yhdessä talteenotetun hiilidioksidin kanssa. Prosessin tuottamaa yhdistettä, metanolia, voidaan käyttää liikenteen polttoaineena tai polttoainesekoitteena, raaka-aineena kemianteollisuudessa tai lämmöntuotannossa. Power-to-methanol-teknologian avulla saadaan siis varastoitua energiaa pitkäaikaisesti ja vähennettyä hiilidioksidipäästöjä tekemällä monesta sektorista hiilineutraali. Työssä esitellään kolme eri elektrolyysiteknologiaa vedyn tuottamiseksi: alkali-, polymeerimembraani- ja kiinteäoksidielektrolyysi. Hiilidioksidin lähteinä tarkastellaan savukaasuja ja ilmakehää. Power-to-methanol-teknologian käyttöönoton alkuvaiheessa voidaan hyödyntää alkalielektrolyysiä ja savukaasujen hiilidioksidin talteenottoa niiden ollessa kehittyneimmät teknologiat. Kuitenkin tulevaisuudessa toinen kahdesta muusta elektrolyysiteknologiasta ja hiilidioksidin talteenottaminen ilmakehästä saattavat olla sopivampia vaihtoehtoja uusiutuvan energian tehokkaaksi hyödyntämiseksi ja tuotetun metanolin hiilineutraalisuuden saavuttamiseksi. Tulevaisuudessa on erityisen tärkeää kehittää power-to-methanol-prosessia kokonai¬suutena, eikä vain yksittäisinä vaiheina. Vaikka yksittäisten vaiheiden, kuten hiilidioksidin talteenoton ja veden elektrolyysin, kehittäminen on ollut hyödyksi, tutkimus pelkästään tästä näkökulmasta ei mahdollista prosessin täyttä optimointia ja hankaloittaa koko prosessin teknologisen ja taloudellisen kannattavuuden arviointia. Kehittäessä prosessia kokonaisuutena tärkeintä on hyödyntää eri vaiheissa syntyvät sivutuotteet mahdollisimman pitkälle prosessin sisällä. Veden elektrolyysissä muodostuva happi voidaan käyttää happipoltossa eli hiilidioksidin talteenotossa, sillä siten vältetään hapen erotukseen ilmasta kuluva energia ja saadaan lähes puhdasta hiilidioksidia raaka-aineeksi. Vesivirrat pitää hyödyntää prosessissa mahdollisimman hyvin, sillä vedestä on pulaa monella alueella. Esimerkiksi metanolin tislauksessa muodostuva vesi voidaan puhdistaa ja käyttää veden elektrolyysissä. Tärkeää on myös prosessissa syntyvän jätelämmön hyödyntäminen energiankulutuksen minimoimiseksi. Jätelämpöä syntyy esimerkiksi kiinteäoksidielektrolyysissä ja sitä voidaan hyödyntää hiilidioksidin talteenotossa. Lisäksi erityisesti teknologian käyttöönoton alkuvaiheessa tulee hyödyntää prosessin ulkopuolelta saatavia sivuvirtoja eli teollisuudesta saatavaa hiilidioksidia ja vetyä.Power-to-methanol is an energy storage technology and a way to mitigate the climate change. The technology utilizes renewable energy in water electrolysis and the produced hydrogen is then used as a feedstock in methanol synthesis along with captured carbon dioxide. The product of this process, methanol, can be used as a fuel or fuel blend in transportation, as a feedstock in chemical industry or combusted for heat generation. In other words, the technology can work as a long-term energy storage and reduce carbon dioxide emissions by making many sectors carbon neutral. In the thesis, three electrolysis technologies are presented for production of hydrogen: alkaline, polymer electrolyte membrane and solid oxide electrolysis. For carbon dioxide, two sources are considered: flue gases and atmosphere. At first, power-to-methanol process can utilize alkaline electrolysis and carbon dioxide from flue gases as they are the most developed technologies, but in the future one of the other two electrolysis technologies and carbon dioxide from atmosphere might be more suitable for efficient utilization of renewable energy and to achieve carbon neutrality of the produced methanol. In the future, it is essential to develop the power-to-methanol process as a whole. Currently, the research only focuses on developing individual phases of the process, like carbon capture and water electrolysis. Conducting only this type of research does not allow full optimization of the process and makes it more difficult to estimate the real technological and economic feasibility of the process. Most important aspect in developing the process as a whole is to utilize the by-products of the phases in other parts of the process as much as possible. This way energy and material consumption can be minimized, and thus the feasibility of the process maximized. Oxygen produced in water electrolysis should be used in oxyfuel carbon capture technology as it produces almost pure carbon dioxide and this way the large energy consumption of oxygen separation from air is avoided. Water flows should be recycled in the process as much as possible, as water is a scarce resource in many parts of the world. For example, the water produced in methanol distillation could be purified and used in water electrolysis. Heat energy should be utilized from for example solid oxide electrolysis. This waste heat could be used in carbon capture in sorbent regeneration. Also, especially in the beginning, hydrogen and carbon dioxide by-products from industry should be used to maximize the feasibility of the process. Along with developing the technology, support from political sector is required as well as investments and subsidies to make the power-to-methanol technology more economical.Description
Supervisor
Santasalo-Aarnio, AnnukkaThesis advisor
Santasalo-Aarnio, AnnukkaKeywords
power-to-methanol, synteettiset polttoaineet, hiilidioksidin talteenotto ja hyödyntäminen, metanoli