Power to green methanol - a concept study

Abstract

Eine Revolution der globalen Energieversorgung ist alternativlos zur Abwendung beziehungsweise Eindämmung der Klimakrise. Der Paradigmenwechsel zu erneuerbaren Energieträgern geht allerdings mit einer erhöhten Volatilität durch deren tägliche und saisonale Schwankungen einher. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Konzeptstudie einer dezentralen Power to Green Methanol-Anlage zur chemischen Speicherung von Windenergie. Die erstellten Bilanzen verschiedener Betriebspunkte, sowie deren Visualisierung sollen als Basis für folgende Projekte zur Realisierung der Anlage dienen. Für ein besseres Verständnis der Prozesse wurde des Weiteren eine Sensitivitätsanalyse der kritischen Modellparameter durchgeführt. Die Modellierung aller notwendigen Teilprozesse erfolgte mithilfe von MS Excel nach einer umfangreichen Literaturrecherche. In weiterer Folge wurden realitätsnahe Betriebspunkte definiert und ausgewertet. Die Evaluierung dieser Auslegungsfälle erfolgte mithilfe eines globalen und eines elektrischen Wirkungsgrades der Anlage. Als mögliche Verfahrensrouten können eine Oxyfuel-Verbrennung, mit anschließendem DeOxo-Reaktor, oder eine konventionelle Verbrennung mit Luft und anschließender CO2-Abscheidung dienen. Der für die Methanol-Synthese notwendige Wasserstoff wird mit einem alkalischen Elektrolyseur mittels Windenergie hergestellt. Aufgrund dessen hohen Energiebedarfs, konnte die elektrolytische Spaltung von Wasser als limitierender Teilprozess identifiziert werden. Die Wahl der Verbrennungstechnologie sollte anhand des Anteils an genütztem CO2 getroffen werden. Bei einem Anteil von über 70% stellte sich die Oxyfuel-Verbrennung als empfehlenswert heraus, da die Verbrennung durch den bei der Elektrolyse entstehenden Sauerstoff vollständig realisiert werden kann. Bei Anteilen an genütztem CO2 unter 70% wird eine konventionelle Verbrennung mit Luft empfohlen, um so auf die Verwendung einer zusätzlichen Luftzerlegungseinheit verzichten zu können. Pro Jahr können ca. 17.000t Methanol und 100GWhth. Wärme bei einem Input von etwa 50.500t Holzhackschnitzel (Q̇=20MWth.), einer Nutzungsrate des generierten CO2 von 30% und einem Windpark mit einer Nennleistung von 36MWp produziert werden. Der maximale Power to Methanol-Wirkungsgrad beträgt 51,91% für Oxyfuel-Verbrennung, beziehungsweise 54,21% für konventionelle Verbrennung mit Luft.

A revolution of the global energy industry is without alternatives to solving the climate crisis. However, renewable energy sources typically show significant daily and seasonal fluctuations. The goal of this thesis is to develop a system concept for a decentralized “Power to Green methanol plant” able to convert captured CO2 and H2 to store wind power as methanol. Mass, material and energy balances have been evaluated for different operating points. A Global and an electrical efficiency rate have been defined for the assessment of examined operating points. Additionally, a sensitivity analysis of critical model parameters has been conducted. The modeling of individual processes has been realized with MS Excel after conducting literature research. The concept consists of combustion of biomass, a CO2 purification step, an alkaline electrolyzer as well as the synthesis of methanol. Possible process routes are an oxy-fuel combustion, in combination with a downstream DeOxo reactor, or a conventional air combustion in combination with a MEA cycle for CO2 capture. The production of H2 with an alkaline electrolyzer has been identified as a limiting step due to its significant power consumption. The choice of the applied combustion technology should be based on the share of utilized CO2. For a share of above 70%, the usage of an oxy-fuel combustion is recommended since the electrolyzer generates enough O2 needed for the combustion process. If the share of utilized CO2 is below 70%, conventional air combustion proved to be the better option since no additional air separation unit is required in this scenario. An annual output of about 17.000t methanol and 100GWhth. thermal energy can be realized for an input of 50.500t woodchips (Q̇=20MWth.), a utilization rate of generated CO2 of 30% and a wind park with 36MWp rated power. A maximum Power to Methanol efficiency rate of 51,91% was found when using oxy-fuel combustion and 54,21% when using conventional air combustion.