Holistic evaluation of power-to-liquid processes producing methanol and Fischer-Tropsch products

Abstract

Die Defossilisierung der Chemie- und Kunststoffindustrie, sowie von Luft- und Schifffahrt, stellt einen zentralen Baustein zur Bekämpfung der Klimakrise dar. Power-to-Liquid-Prozesse (PtL) ermöglichen die Substitution fossiler Einsatzstoffe mittels der Produktion von Kohlenwasserstoffen auf Basis von Elektrizität, CO2 und Wasser.Die vorliegende Dissertation basiert auf der Erstellung von Anlagenkonzepten im Pilot- und Industriemaßstab zur Synthese von grünem Methanol und Fischer-Tropsch-Produkten (FT). Die Modellierung und statische Prozesssimulation der entworfenen Prozessrouten dienen als Grundlage zur Ermittlung der PtL- und Kohlenstoffwirkungsgrade für verschiedene CO2-Quellen. Mithilfe technoökonomischer Bewertungen wurden die Produktionskosten von grünem Methanol und FT-Produkten bestimmt. Zusätzlich wurde der CO2-Fußabdruck der FT-Produkte in Abhängigkeit vom Emissionsfaktor verschiedener Stromquellen ermittelt.Ein maximaler PtL-Wirkungsgrad von 63.8% und Kohlenstoffwirkungsgrad von 88.6% resultierten aus der Prozessroute mit Hochtemperatur-Elektrolyse, FT-Synthese und Biogas als CO2-Quelle. Der Vergleich zweier auf Niedertemperatur-Elektrolyse und Methanol-Synthese basierenden Routen ergab maximale PtL-Wirkungsgrade von 54.2% (Luftverbrennung) und 51.9% (Oxy-Fuel-Verbrennung).Die Versorgung von PtL-Anlagen mit Windenergie oder Photovoltaik führt zu einer potentiellen Verringerung des CO2-Fußabdrucks um 95% und 65% verglichen mit fossilen Treibstoffen. Grünes Methanol kann zu Produktionskosten von 569 bis 785 €2022/t hergestellt werden. Die Produktionskosten von FT-Produkten lagen zwischen 2420 und 4560 €2022/t, basierend auf Netzstrom, beziehungsweise 1280 und 2400 €2022/t für autarke PtL-Systeme. CO2-Preise von 220 bis 310 €/t sind notwendig, um grünes Methanol konkurrenzfähig zu aus Erdgas hergestelltem Methanol zu machen.Wirtschaftlich interessante Szenarien zur Substitution von fossilem Flugtreibstoff durch FT-Produkte ergeben sich ab CO2-Preisen von 500 €/t. Eine rasche Ausweitung erneuerbarer Energieträger ist für die industrielle Realisierung von PtLProzessen unabdingbar. Der durchschnittliche Strommix der EU im Jahr 2022 eignet sich nicht zur Produktion synthetischer Basischemikalien und Energieträger. Hochkonzentrierte, biogene CO2-Quellen sollten für die erste Generation von PtL-Anlagen priorisiert werden. Die Stromkosten und jährlichen Betriebsstunden konnten als wesentliche Kostentreiber identifiziert werden. Autarke PtL - Anlagen ohne Netzanschluss, welche auf hybrider Stromversorgung und Speichertechnologien für Strom und Syngas basieren, weisen somit ein vielversprechendes ökonomisches Potential auf.

Defossilizing the chemical and plastics industry, as well as aviation and maritime transport, is a key stone in mitigating the climate crisis. Power-to-Liquid (PtL) processes, converting electricity, CO2 and water into hydrocarbons, can reduce CO2 emissions by substituting fossil feedstocks and fuels.The presented thesis is founded on the process design of pilot and industrial-scale plants based on methanol and Fischer-Tropsch synthesis. Process modeling and static process simulation of the established plant configurations serve as a foundation to determine the processes’ PtL and carbon efficiency for different CO2 sources. The net production costs of green methanol and Fischer-Tropsch products were determined via techno-economic assessments. In addition, the CO2 footprint of Fischer-Tropsch products was examined to ensure a holistic evaluation of PtL processes.A maximum PtL efficiency of 63.8% and carbon efficiency of 88.6% were found for the hightemperature co-electrolysis and Fischer-Tropsch synthesis process route valorizing CO2 emitted by a biogas upgrading plant. Maximum PtL efficiencies of 54.2% (air combustion) and 51.9% (oxy-fuel combustion) were determined to produce green methanol, including a low-temperature electrolyzer.Applying wind or photovoltaic power to a PtL plant yielding Fischer-Tropsch products resulted in possible CO2 footprint reductions of 95% and 65% compared with fossil fuels.Green methanol net production costs of 569 to 785 €2022/t were determined. The net production costs of Fischer-Tropsch products ranged from 2,420 to 4,560 €2022/t based on grid electricity and 1,280 to 2,400 €2022/t for the assumed off-grid scenarios. CO2 prices of 220 to 310 €/t are required to make green methanol cost-competitive with methanol derived from natural gas. Substituting fossil jet fuel with Fischer-Tropsch-derived fuels can potentially become a business case for CO2 prices exceeding 500 €/t.A rapid expansion of renewable power sources is necessary to industrially implement PtL plants since the EU’s 2022 grid electricity mix is not eligible for producing synthetic chemicals and fuels. Highly concentrated biogenic CO2 sources should be prioritized for the first generation of PtL plants. The electricity costs and the plant availability are the major cost drivers. Thus, off-grid PtL plants based on hybrid power plants and storage technologies promise a significant economic potential.