A techno-economic analysis of process design choices for power-to-x technologies
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2023-08-23
Department
Major/Subject
Strategy
Mcode
SCI3109
Degree programme
Master’s Programme in Industrial Engineering and Management
Language
en
Pages
146 + 5
Series
Abstract
Power-to-x technologies have emerged as crucial enablers of green transition causing reduced greenhouse gas emissions, increased energy security and enhanced flexibility in energy systems. The ability to convert renewable power into storable and transportable energy carriers, opens new possibilities for decarbonizing various sectors, including transportation, industry, and heating. However, the widespread adoption of power-to-x technologies faces certain barriers and challenges. These include high production costs, intermittent nature of renewable power supply, and limited infrastructure, which are all covered in this thesis. This thesis studied the cost-efficiency of the power-to-x production process, highlighted the challenges with renewable power source intermittency injected into a nearly fixed capacity industrial high-volume process, and identified the available intermittency management solutions. Based on these prerequisites, the study included, as the empirical part, building up a techno-economic assessment model to analyse the most cost-efficient power-to-x process configuration, geographical location, and plant size. The most cost-efficient power-to-x process configuration, location, and plant size considering current technical feasibility and defined scope is the medium-sized, 100-kiloton, plant built in northern Sweden, where the intermittency caused challenges are managed by procuring firming power from the local grid with over 90% renewable share in the power generation whenever necessary. The results brought also a few key takeaways touching the impact of locational differences, the effects of power prices, rationale behind the intermittency management choice, the side stream management challenge, the effects of oversizing power production, and the benefits of regulatory alignment.Power-to-x on noussut tärkeäksi vihreän siirtymän mahdollistajiksi vähentäen kasvihuonekaasupäästöjä, lisäten energiaturvallisuutta ja parantaen joustavuutta energiajärjestelmissä. Kyky muuttaa uusiutuva energia säilytettäväksi ja kuljetettavaksi energianvälittäjäksi avaa uusia mahdollisuuksia eri alojen, kuten liikenteen, teollisuuden ja lämmityksen, hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi. On kuitenkin tärkeää tunnistaa, että power-to-x:n laajamittainen hyödyntäminen tuo esteitä ja haasteita. Näihin kuuluvat korkeat tuotantokustannukset, uusiutuvan energian tuotannon epäjatkuvuus ja rajoitettu infrastruktuuri, joita kaikkia käsitellään työssä. Tämän työn tarkoituksena on kuvata power-to-x-prosessin kustannustehokkuutta, korostaa haasteita uusiutuvan energian tuotannon vaihtelun sysäämisessä lähes muuttumattomaan kapasiteettiin perustuvaan teolliseen prosessiin ja tunnistaa käytettävissä olevia ratkaisuita uusiutuvan sähköntuotannon aiheuttamien ongelmien hallintaan. Näiden lähtökohtien perusteella tutkimukseen sisällytettiin empiirinen osa, jossa rakennettiin teknistaloudellinen arviointimalli kustannustehokkaimman power-to-x prosessikonfiguraation, maantieteellisen sijainnin ja laitoksen koon arvioimiseksi. Kustannustehokkain power-to-x prosessikonfiguraatio, sijainti ja laitoksen koko, ottaen huomioon teknisen toteutettavuuden tuomat haasteet, on keskikokoinen, 100 kilotonnin, laitos, joka rakennetaan Pohjois-Ruotsiin, missä epäjatkuvuuden aiheuttamiin haasteisiin vastataan hankkimalla säätövoimaa verkosta, jossa yli 90 % sähköntuotannosta on uusiutuvaa. Tulokset nostivat myös muita poimintoja ylös: prosessin sijainnin merkitys, sähkön hintojen vaikutus, uusiutuvan sähkön tuotannon vaihtelevuuden ja sivuvirtojen hallinnan tärkeys, sähkön tuotannon ylimitoituksen vaikutus sekä regulaatioiden hyväksynnän tuomat edut.Description
Supervisor
Karjalainen, JoukoThesis advisor
Hankalin, VilleLindström, Ludvig
Keywords
power-to-x, hydrogen, intermittency, e-fuel