Techno-economic Assessment of Power-to-liquid Based on Co-electrolysis and Fischer-Tropsch Synthesis Using an Open-source Process Simulator

Abstract

Um Kraftstoffe aus fossilen Rohstoffen zu vermeiden, braucht es einen erneuerbaren Ersatz. Power-to-Liquid gilt als vielversprechende Technologie zur Herstellung erneuerbarer flüssiger Kraftstoffe. Die folgende Diplomarbeit legt den Fokus auf die Entwicklung eines Power-to-Liquid-Prozessmodells unter Anwendung der open-source Simulationssoftware DWSIM. Der untersuchte Prozess beinhaltet folgende Prozessschritte: Hochtemperatur-Co-Elektrolyse in einem Festoxid-Elektrolyseur, Fischer-Tropsch-Synthese und Dampfreformierung fürs Recycling von Abgasen. Dieses Modell wurde umfassend bewertet und zielt darauf ab, Einblicke in die aktuellen und zukünftigen Perspektiven von Power-to-Liquid mit Hochtemperatur-Co-Elektrolyse zu geben.Die Leistung des modellierten Elektrolyseurs beträgt 100 MW. Der Feed setzt sich aus H2O, CO2, H2 und CO zusammen. Diese Ströme werden gemischt und auf 800 °C vorgeheizt, bevor sie in den Elektrolyseur geleitet werden. Innerhalb des Elektrolyseurs erfolgt die reverse Wassergas-Shift-Reaktion und die elektrochemische Reduktion von CO2 und H2O zu CO und H2, wobei O2 als Nebenprodukt an der Anodenseite entsteht. Das resultierende Syngas, mit einem H2:CO-Verhältnis von 2,07, wird auf 230 °C und 20 bar konditioniert und in den Fischer-Tropsch-Reaktor geleitet. Dort wird es in Kohlenwasserstoffe mit einer Kettenlängenverteilung gemäß der erweiterten Anderson-Schulz-Flory-Verteilung umgewandelt.Das gasförmige Produkt aus dem Fischer-Tropsch-Reaktor durchläuft einen dreistufigen Trennprozess, der das Produkt in verschiedene flüssige Fraktionen mit unterschiedlicher Kettenlängen aufteilt. Mit einem Elektrolyse-Feed von 67 902 kg/h erzeugt die modellierte Anlage laut Massenbilanz genau 5 493 kg/h kondensierbares Fischer-Tropsch-Produkt und 14 627 kg/h Abgas.Drei verschiedene Wirkungsgrade wurden berechnet, um die angeführte Power-to-Liquid Technologie zu bewerten, darunter der Systemwirkungsgrad (0,77), der chemische Wirkungsgrad (0,67) und die Kohlenstoffeffizienz (0,48). Vor allem die Berechnung des Systemwirkungsgrades basiert auf den Ergebnissen der davor durchgeführten Pinch-Analyse. Um die Wirtschaftlichkeit der simulierten Power-to-Liquid Anlage zu untersuchen, wurde der Kapitalwert und die Produktkosten berechnet. Das Basisszenario der 100 MW Power-to-Liquid Anlage ergibt einen Kapitalwert von -707 Millionen €, was enorme Unwirtschaftlichkeit dieses Szenarios verdeutlicht. Darüber hinaus wurden Einflussfaktoren wie Stromkosten, Einnahmen aus O2-Verkäufen und erwarteten CO2-Zertifikatpreisen variiert, um potenzielle wirtschaftliche Szenarien zu identifizieren.Betriebsstunden und Betriebskosten haben enorme Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Trotz des negativen Kapitalwerts als Resultat der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Basisszenarios, könnten Szenarien mit vollständig amortisierten erneuerbaren Kraftwerken und erhöhten CO2-Zertifikat-preisen die Technologie in der Zukunft rentabel machen. Um die Machbarkeit sicherzustellen, bräuchte es CO2-Zertifikatpreisen im Bereich von 40 bis 150 €/tCO2, die durch die Unterstützung diverser politischer Vereinbarungen und Regeln erreicht werden können.

Power-to-liquid stands out as a promising technology, particularly for the production of renewable liquid fuels. This study extensively focuses on the development of a power-to-liquid process model, employing the steady-state process modeling tool DWSIM. The evaluated process encompasses high-temperature co-electrolysis in a solid oxide electrolyzer, Fischer-Tropsch synthesis and steam reforming for tail gas recycling.The power of the modeled electrolyzer is 100 MW. The feed streams consist of H2O, CO2, H2 and CO, which are mixed and preheated to 800 °C before entering the electrolyzer. Within the electrolyzer, the reverse water-gas shift reaction and the electrochemical reduction of CO2 and H2O to CO and H2 take place, with O2 produced as a by-product at the anode. The resulting syngas, possessing a H2:CO ratio of 2.07, is conditioned to 230 °C and 20 bar and directed into the Fischer-Tropsch reactor, transforming it into hydrocarbons with a chain length distribution determined by the extended Anderson-Schulz-Flory distribution.The product from the Fischer-Tropsch reactor undergoes a three-stage separation process, effectively separating the liquid product into various fractions with distinct chain lengths. According to the mass balance of the plant, the plant yields 5 493 kg/h of condensable Fischer-Tropsch product and 14 627 kg/h of tail gas.To evaluate the efficiency of the power-to-liquid plant, key performance indicators were established, including system efficiency (0.77), chemical efficiency (0.67) and carbon efficiency (0.48), calculated based on results from the conducted pinch analysis. Economic considerations were integrated through the examination of net present value and levelized costs of product. The net present value, under the base case scenario for the 100 MW power-to-liquid plant, reveals economic infeasibility with a negative value of -707 million €. Exploration of factors such as electricity expenses, revenue from O2 sales and anticipated CO2 certificate prices unveils potential avenues for economic viability under specific conditions.The levelized costs of product analysis underscores the impact of operating hours and operational costs on profitability, indicating a noteworthy sensitivity to these parameters. Despite the economic feasibility of the evaluated power-to-liquid plant appearing challenging, scenarios involving fully amortized renewable power plants and elevated CO2 certificate prices could potentially render the technology viable in the future. Consideration of policy support and carbon prices in the range of 40 to 150 €/tCO2 for power-to-liquid-based fuels is deemed imperative for ensuring feasibility. This comprehensive evaluation aims to provide insights into the present and future prospects of power-to-liquid with high-temperature co-electrolysis.