Process modelling and techno-economic evaluation of production of CO2-based polycarbonate polyols
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2021-03-15
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Conversion Processes
Mcode
ENG3069
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)
Language
en
Pages
84+11
Series
Abstract
The search for new ways to utilize carbon dioxide (CO2) is ever accelerating due to climate change. Carbon capture utilization (CCU) is seen as a potential solution, since CO2 is a renewable yet abundant resource. The demand for carbon neutrality includes the production of different chemicals too, such as polycarbonate polyols. Historically, their production has been based on fossil materials, and even the products from the latest technologies utilizing CO2 consist of only up to 50% of CO2. Market demand and selling price of polycarbonate polyols are expected to remain high or even increase in the future. Opportunity for commercial production from carbon dioxide and clean hydrogen makes polycarbonate polyols an interesting and attractive topic to investigate. This Master’s Thesis studies the production of carbon dioxide based polycarbonate polyols, as well as its feasibility and profitability. The focus is on presented BECCU process route, which includes reversed water gas shift, Fischer-Tropsch, epoxidation and polymerization reactions. Current options to utilize CO2 were investigated and their markets were analyzed by a literature review. The existing production routes, applications and market situation of polycarbonate polyols are presented. The production route investigated was simulated with Aspen Plus. The simulation was able to obtain an annual production of 33 211 t/a of polycarbonate polyols, which corresponds to 33% ratio of the mass of the product to the mass of used CO2. Levelized cost of polycarbonate polyol was estimated to be 2 235 €/t(product), which is less than the assumed market price of 2 500-3 000 €/t. 85% of the costs comes from operating costs, and 52% of them are due to the electricity needed in electrolysis. Other major cost factors identified were hydrogen peroxide and the total capital investment. The process was found most sensitive to the cost of electricity, but also quite sensitive to the selectivity of polycarbonate polyols and the annual operational hours. A comparison of different options to produce light olefins from carbon dioxide also suggested that BECCU route seems profitable and competitive. The investment costs appeared to be similar compared to methanol and methanol-to-olefins process route. Olefins produced through BECCU route had an estimated levelized cost of olefins of 2 428 €/t(product). The greatest cost savings for BECCU route to olefins or polycarbonate polyols can be obtained by finding an inexpensive, sustainable source of electricity.Uusia tapoja hyödyntää hiilidioksidia (CO2) etsitään jatkuvasti ilmastonmuutoksen takia. Hiilidioksidin talteenotto ja hyötykäyttö (CCU) nähdään yhtenä potentiaalisena ratkaisuna, sillä hiilidioksidi on uusiutuva ja runsas resurssi. Hiilineutraaliuden tarve koskee myös kemikaaleja, kuten polykarbonaattipolyoleja ja niiden tuotantoa. Perinteisesti niiden tuotanto on perustunut fossiilisiin materiaaleihin, ja jopa hiilidioksidia hyödyntävien teknologioiden lopputuotteiden hiilestä vain enintään 50 % on peräisin hiilidioksidista. Polykarbonaattipolyolien kysynnän ja myyntihinnan odotetaan pysyvän korkeina tai jopa kasvavan tulevaisuudessa. Mahdollisuus käyttää hiilidioksidia ja uusiutuvaa vetyä kaupallisen tuotannon raaka-aineena on kiinnostava ja houkutteleva tutkimuskohde. Tämä diplomityö tutkii polykarbonaattipolyolien tuotantoa hiilidioksidista, sekä sen soveltuvuutta ja kannattavuutta. Tutkimuksen keskiössä on esitetty BECCU-prosessireitti, johon kuuluu käänteinen vesikaasun siirtoreaktio sekä Fischer-Tropsch-, epoksidointi- ja polymerointireaktiot. Työn kirjallisuuskatsaus esittelee nykyisiä tapoja hyödyntää hiilidioksidia sekä niiden markkinatilannetta. Nykyiset polykarbonaattipolyolien tuotantotavat, sovellukset ja niiden markkinatilanne käydään läpi. Tutkittava BECCU-prosessireitti mallinnettiin Aspen Plus -ohjelmistolla. Simulaation vuosittaiseksi tuotantomääräksi onnistuttiin saamaan 33 211 tonnia tuotetta polykarbonaattipolyolia, joka vastaa 33 %-kg(tuote)/kg(CO2)-suhdetta tuotteen massapohjaisen saannon ja tuotannossa käytetyn hiilidioksidin massan välillä. Tuotantokustannuksen tuotteen massaa kohden arvioitiin olevan 2 235 €/t(tuote), joka on vähemmän kuin oletettu markkinahinta 2 500-3 000 €/t. 85 prosenttia tuotantokustannuksista koostuu käyttökustannuksista, joista 52 % taas aiheutuu elektrolyyserin tarvitseman sähkön hinnasta. Muita merkittäviä kustannuksia havaittiin olevan vetyperoksidi sekä kokonaisinvestointi. Prosessin huomattiin olevan herkin sähkön hinnalle, mutta myös melko herkkä polykarbonaattipolyolien selektiivisyydelle sekä vuosittaisten käyttötuntien määrälle. Kevyiden olefiinien valmistusta hiilidioksidipohjaisesti vertailtiin kevyesti, ja myös sen perusteella BECCU-reitti vaikuttaa kannattavalta ja kilpailukykyiseltä. Investointikustannukset vaikuttavat samansuuruisilta metanolipohjaiseen metanolista olefiineiksi -reittiin verrattuna. BECCU-reitin kautta tuotettujen olefiinien tuotantokustannuksen tuotteen massaa kohden arvioitiin olevan 2 428 €/t(tuote). Suurimmat kustannussäästöt BECCU-reitin kautta olefiineiksi sekä polykarbonaattipolyoleiksi voidaan saavuttaa löytämällä edullinen ja ympäristöystävällinen sähkön lähde.Description
Supervisor
Santasalo-Aarnio, AnnukkaThesis advisor
Järvinen, MikaSuomalainen, Marjut
Keywords
polycarbonate polyol, CO2, CCU, Aspen Plus, techno-economic evaluation, H2