GHG reduction potential of power-to-liquid fuels

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2021-05-17
Department
Major/Subject
Industrial Energy Processes and sustainability
Mcode
CHEM3044
Degree programme
Master’s Programme in Advanced Energy solutions (AAE)
Language
en
Pages
66+2
Series
Abstract
EU Green Deal sets target for EU to be climate neutral in 2050. Power-to-liquid fuels are a good solution to decarbonize transport sector. Idea behind power-to-liquid is to produce sustainable drop-in fuel from renewable electricity, water, and captured carbon dioxide. This thesis examines greenhouse gas (GHG) emission reduction potential and energy intensity of power-to-liquid fuels produced via Fischer-Tropsch synthesis (FTS). Produced fuel is assumed to be used in existing engines in Europe. Literature review of this thesis consists of technology, sustainability principles of legislation in Europe, life cycle assessment and previous studies. Experimental part is conducted by a case study, where GHG emissions and energy intensity are assessed by creating a model for fuel production. 3 pathways are considered in this case study: 1. Low temperature electrolysis with reverse water gas shift reaction, 2. High temperature electrolysis with reverse water gas shift reaction, and 3. Co-electrolysis. In addition, FTS, distillation and upgrading are part of every pathway. GHG emissions were assessed by using assumed methodology in revised renewable energy directive (RED II) for renewable fuel of non-biological origin, which is going to be published in the upcoming amendment for RED II by the end of 2021. GHG emissions for pathways 1, 2, and 3 were 13.2, 10.8, and 11.2 g CO2eq/MJ fuel, resulting in emission savings of 86.0 %, 88.5 %, and 88.1 %, respectively. Energy intensity for path-ways 1, 2, and 3 were 3.17, 2.71, and 2.48 MJ/MJ fuel, which is approximately 10 times energy intensity of fossil diesel production. Main responsible for these results were elec-tricity demand, consisting mainly from electrolysis and increasing pressure of syngas for FTS.

EU:n tavoitteena on olla ilmastoneutraali vuoteen 2050 mennessä Euroopan Unionin Vihreän kehityksen ohjelman tavoitteiden mukaisesti. Power-to-liquid -polttoaineet tarjoavat hyvän vaihtoehdon liikennesektorin päästöjen vähentämiselle. Ideana power-to-liquid-tekniikassa on tuottaa uusiutuvaa polttoainetta uusiutuvasta sähköstä, vedestä ja talteen otetusta hiilidioksidista. Tässä diplomityössä tutkitaan Fischer-Tropsch -synteesillä (FTS) tuotetun power-to-liquid -polttoaineen kasvihuonekaasupäästöjä (GHG) ja energiaintensiteettiä. Tuotettu polttoaine oletetaan käytettäväksi olemassa olevalla tekniikalla Euroopassa. Työn kirjallisuuskatsaus käsittelee kyseessä olevaa tekniikkaa, Euroopan lainsäädännön kestävyysperiaatteita, elinkaariarviointia ja aikaisempia tutkimuksia aiheesta. Kokeellinen osa on suoritettu tapaustutkimuksella, jossa luodaan malli polttoaineen tuotolle GHG-päästöjen ja energiaintensiteetin arvioimiseen. Tapaustutkimuksessa käsitellään kolmea valmistustapaa: 1. Matalan lämpötilan elektrolyysi käänteisellä vesikaasun konvertointireaktiolla, 2. Korkean lämpötilan elektrolyysi käänteisellä vesikaasun konvertointireaktiolla ja 3. Co-elektrolyysi. Lisäksi, FTS, tislaus ja jalostaminen kuuluu jokaiseen valmistustapaan. GHG-päästöt on arvioitu käyttämällä oletettua uudistetun uusiutuvan energian direktiivin (RED II) metodologiaa muille kuin biologista alkuperää oleville uusiutuville polttoaineille, joka tullaan julkaisemaan RED II -delegoidussa säädöksessä vuoden 2021 loppuun mennessä. GHG-päästöt valmistustavoille 1, 2 ja 3 ovat vastaavasti 13.2, 10.8, and 11.2 g CO2eq/MJ polttoainetta, johtaen vastaavasti 86.0 %, 88.5 %, ja 88.1 % GHG-päästöalenemiin. Energiaintensiteetit valmistustavoille 1, 2 ja 3 ovat vastaavasti 3.17, 2.71, and 2.48 MJ/MJ polttoainetta, jotka ovat suunnilleen 10 kertaa fossiilisen polttoaineen tuoton energiaintensiteetti. Suurin vaikuttaja näihin tuloksiin on sähkön tarve, joka koostuu lähinnä elektrolyysistä ja synteesikaasun paineen nostosta.
Description
Supervisor
Oinas, Pekka
Thesis advisor
Kuusisto, Sari
Kajaste-Rudnitskaja, Raili
Keywords
power-to-liquid, life cycle assessment, RED II, electrolysis, Fischer-Tropsch, reverse water gas shift
Other note
Citation