Methane and methanol production via Power-to-X: Process models and cost comparison
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Author
Date
2023-03-21
Department
Major/Subject
Chemical and Process Engineering
Mcode
CHEM3043
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
117+16
Series
Abstract
Power-to-X (PtX) represents an emerging energy storage technology that will likely play a significant role in the transition towards a low-carbon energy system. In PtX renewable electricity is first converted via water electrolysis into hydrogen, which can then be further combined with captured CO2 to produce synthetic fuels. Among these synthetic fuels, methane and methanol offer better characteristics than hydrogen in terms of storage, transportation and compatibility with the existing infrastructure. This thesis has studied the economic feasibility and energy efficiency of synthetic methane and methanol production in the context of PtX. Process models were implemented in Aspen Plus to extract mass and energy balances for cost and efficiency evaluation. The results demonstrate that the production of synthetic methane and methanol is not competitive with current market prices of corresponding fossil-based products. The respective cost gaps for synthetic methane and methanol are estimated at 4.4 and 3.0 times as high as the fossil benchmarks, making methanol production at present more economically attractive. On the other hand, the synthetic methane plant achieves a slightly higher efficiency (49 % vs. 43 %), thereby showing greater potential as an energy storage technology. Despite high costs of renewable energy and initial investment of the electrolyzer currently driving the production costs, there is prospect to improve the economic feasibility for PtX plants in the future. Cheap electricity is a prerequisite to decrease the synthetic fuel cost gaps to equivalent fossil products. In addition, expected cost reductions in the electrolyzer investment, improved electrolyzer efficiency and additional income from by-product oxygen selling are essential for enhancing the economic outlook.Power-to-X (PtX) representerar en framväxande energilagringsteknologi som sannolikt kommer spela en betydande roll i övergången till ett koldioxidsnålt energisystem. I PtX omvandlas först förnybar elektricitet via vattenelektrolys till väte, som sedan kombineras med fångad CO2 för att producera syntetiska bränslen. Bland dessa syntetiska bränslen erbjuder metan och metanol bättre egenskaper än väte vad gäller lagring, transport och kompatibilitet med den existerande infrastrukturen. Detta arbete har studerat den ekonomiska lönsamheten och verkningsgraden av syntetisk metan- och metanolproduktion i kontexten av PtX. Processmodeller implementerades i Aspen Plus i syfte att få mass- och energibalanser för jämförelse av kostnader och verkningsgrad. Resultaten visar att produktionen av syntetiskt metan och metanol inte är konkurrenskraftig med nuvarande marknadspriser på motsvarande fossilbaserade produkter. Respektive kostnadsgap för syntetiskt metan och metanol uppskattas till 4.4 och 3.0 gånger de fossila referensvärdena, vilket för närvarande gör metanolproduktionen mer ekonomiskt attraktiv. Å andra sidan uppnår den syntetiska metananläggningen en något högre verkningsgrad (49 % mot 43 %) och visar därmed större potential som energilagringsteknologi. Trots att höga produktionskostnader drivs av stor förnybar energiförbrukning och investering i elektrolys, finns det orsak att förvänta förbättrad ekonomisk lönsamhet av PtX-anläggningar i framtiden. Billig elektricitet är en förutsättning för att minska kostnadsgapet mellan syntetiska bränslen och motsvarande fossilbaserade produkter. Därtill är förväntade kostnadsminskningar i elektrolysinvesteringen, en högre verkningsgrad i elektrolysen samt ytterligare intäkter från försäljning av syre som bi-produkt viktiga för en förbättrad ekonomisk utsiktDescription
Supervisor
Oinas, PekkaThesis advisor
Ikävalko, JuhoKeywords
Power-to-X, synthetic methane, synthetic methanol, process simulation, Aspen Plus
