Carbon capture and low-carbon hydrogen production in biorefineries

Abstract

Carbon capture (CC) and utilization of hydrogen are among the key pillars of industrial decarbonization. In this work, the technical and economic feasibility of CC and hydrogen production via electrolysis was assessed in a biorefinery using secondary data. To support the feasibility study, current regulation and market conditions for electrolysis and CC were mentioned. In addition, global carbon pricing markets were discussed and the effects of economic feasibility of CC according to possible future scenarios between biogenic and fossil emission subsidies were evaluated.

For CC, two state-of-the-art post-combustion technologies were compared with conventional monoethanolamine absorption. For electrolysis, alkaline (ALK), polymer electrolyte (PEM), and solid oxide cell (SOC) electrolysis was assessed. The feasibility to operate SOC as fuel cell during grid imbalance price peaks was also assessed. The technical feasibility was reviewed from the perspective of biorefinery energy balance. To calculate the impacts of CC and electrolysis on the energy balance, a simplified Rankine cycle of a combined heat and power plant was created.

Economic feasibility was calculated using a model assessing the capital and operational expenditures for each technology. The economic model for CC assessed the CAPEX, OPEX, transportation and storage, and different carbon prices resulting in cost savings. For electrolysis, the model was calculated with different hydrogen prices, CAPEX and OPEX, hydrogen logistics, and electricity and heat prices. Both of the models assessed the current costs and the possible future developments.

Currently, Aker Carbon Capture is the most economically feasible technology with proven commercialized operation. ALK is the most developed of the three electrolysis technologies with the largest production capacity and lowest CAPEX. In long-term, the Saipem CC technology has potential to become heat neutral. If the waste heat temperature requirement could be lowered to waste heat levels, the technology would have no impact on mill heat balance. Capacity increase of SOEC and development of SOFC would enable energy efficient hydrogen production with possibilities for heat integration and electricity grid balancing. However, for SOC to reach feasible operation in biorefineries, significant development in technology must occur.

Hiilidioksidin talteenotolla ja vedyllä on huomattavaa potentiaalia teollisuuden hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä. Työssä tarkasteltiin hiilidioksidin talteenottoa sekä vedyn valmistusta biojalostamoilla teknillis-taloudellisesta näkökulmasta hyödyntämällä kirjallisuudessa olevaa tietoa. Kannattavuuslaskelman tueksi tutkittiin regulaatiota ja markkinatilannetta. Lisäksi työssä perehdyttiin hiilidioksidin talteenottoon liittyviin päästökauppajärjestelmiin. Myös niiden vaikutusta hiilidioksidin talteenoton kannattavuuteen tutkittiin eri tulevaisuuden skenaarioissa.

Hiilidioksidin talteenottoa tutkittiin vertailemalla kahta modernia jälkipolttoteknologiaa monoetanoliamiiniabsorptioon. Elektrolyysiteknologioista tutkittiin ALK-, PEM- sekä SOC-elektrolyysejä. Tämän lisäksi tutkittiin mahdollisuutta konvertoida vetyä takaisin sähköksi SOC-polttokennolla, sekä sähkön myyntiä takaisin sähköverkkoon spot-hintojen ollessa korkealla. Teknistä kannattavuutta tutkittiin biojalostamoiden energiatasapainon näkökulmasta. Laskelmien tueksi työssä mallinnettiin yhdistetyn sähkön ja lämmöntuotantolaitoksen Rankine-kierto. Taloudellista kannattavuutta tutkittiin mallilla, joka ottaa huomioon teknologioihin liittyvät alkuinvestoinnit sekä käytönaikaiset kustannukset.

Tarkastelluista hiilidioksidin talteenottoteknologioista Aker Carbon Capture oli taloudellisesti kannattavin. Teknologia on myös teollisen mittakaavan käytössä. ALK-elektrolyysi on tällä hetkellä pisimmälle kehitetty elektrolyysiteknologia, jolla on suurin valmistuskapasiteetti sekä alhaisimmat alkuinvestoinnit. Pitkällä aikavälillä Saipem-hiilidioksidin talteenottoteknologialla on mahdollisuus kehittyä nykyistä kannattavammaksi. Jos lämmönlähteen lämpötilavaatimus pystyttäisiin laskemaan hukkalämmön tasolle, hiilidioksidin talteenotto ei vaikuttaisi biojalostamon lämpötaseeseen lainkaan. SOC-elektrolyysin kehittyminen lisäisi vedyn valmistuksen kannattavuutta sekä käyttömahdollisuuksia biojalostamoilla. SOC-laitteistojen suurempi kapasiteetti mahdollistaisi myös sähköverkon tasapainottamisen. Tämä vaatisi kuitenkin merkittävää teknologian kehittymistä.